雙有源橋DC-DC變換器二次紋波的抑制策略研究

徐海博　花磊

摘 要：三級式電力電子變壓器在傳輸過程中，輸入/輸出級必定會產生二次紋波，降低電壓質量，影響供電可靠性?，F提出了一種新的二次紋波消除方法，閉環控制策略上采用PIR控制，使得雙有源橋低壓側輸出電壓紋波顯著降低。在Matlab/Simulink仿真平臺上進行了仿真實驗，驗證了該方法在降低輸出電壓二次紋波方面的有效性和可靠性。

關鍵詞：DC-DC變換器;PIR控制;DAB

中圖分類號：TM52? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）11-0085-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.11.024

0? ? 引言

在電力電子領域，電力電子變壓器（Power Electronics Transformer，PET）的研究是至關重要的，二級式和三級式PET均含有DC-DC的中間環節[1-2]。雙有源橋（Dual Active Bridge，DAB）變換器是一種經典的DC-DC變換器，具有雙向功率傳輸能力，動態響應性能十分優異[3]。DAB由對稱的逆變橋和整流橋組成，結構上模塊化對稱[4];功率密度高，并且可以輕易實現軟開關，在中、大功率高頻隔離功率轉換系統中應用廣泛[5]。

DAB作為DC-DC變換器夾在整流側和逆變側之間，高壓直流側和低壓直流側不可避免地都會有整流和逆變帶來的二次紋波，降低輸出電壓質量[6]。降低輸出電壓二次紋波最簡單的手段是增大高壓和低壓側濾波電容，但這樣會增加硬件體積，不符合電力電子變換器小型化、輕量化的發展方向。拓撲抑制和控制策略抑制是解決該問題的主流手段，但無論是怎樣的拓撲抑制，都會增大硬件體積，成本也會隨之增加[7-8]。文獻[9]通過拓撲抑制的方式降低紋波，有的增加了電感支路，有的增加了有源濾波器，都使得硬件體積增大。所以，本文選擇控制策略抑制手段來降低輸出電壓二次紋波。

DAB閉環控制中，控制器多采取PI控制，但是PI控制由于帶寬限制，對交流部分不能實現無靜差跟蹤，PIR控制相較于PI控制，彌補了PI控制在交流信號追蹤上的不足。本文采用PIR控制實現二次紋波從高壓側到低壓側的穩定傳輸，并通過嚴謹的數學推導和合理的仿真驗證，證明了本文所提方法的可行性和合理性。

1? ? DAB工作的一般機理

1.1? ? DAB工作原理

三級式PET結構拓撲如圖1所示。整流側接工頻交流電壓并將其轉化為要求的直流電壓，中間級DC-DC變換器起到電氣隔離和變換電壓等級的作用，逆變側將直流電壓轉換為交流電壓送至用戶。

三級式PET中間級DAB拓撲結構如圖2所示。原副邊開關管的開關頻率相同，遵循對角導通原則[4]，副邊移相比為d，周期為Ts。Udc1和Udc2為中間級DAB變換器的兩側電壓，為便于分析，此處Udc1和Udc2視為直流電壓。高頻變壓器變比為m：1。DAB在SPS控制下的工作波形如圖3所示。

考慮高頻變壓器的漏抗Lt，將高頻變壓器作為理想變壓器處理，漏抗Lt等效為原邊電感，DAB的輸入功率為：

DAB輸入功率在移相比d取0.5時最大，d的取值范圍一般為[-0.5，0.5]。

1.2? ? DAB二次諧波產生機理

圖4為三級式PET整流側部分，輸入電壓為：

vin=Vinsin（ωt）

輸入電流為：

iin=Iinsin（ωt）

其中Vin為輸入電壓峰值，Iin為輸入電流峰值，ω為基波角頻率。

整流側輸入功率為：

輸入功率可以分為直流部分和二次紋波部分，二次紋波部分為：

式（3）說明，只要經過整流側，二次紋波就一定存在。

2? ? 二次紋波抑制策略

根據文獻[5]，在實際操作環境中，傳感器中的數據采集、計算都不可避免地存在相當的延遲，因此需要引入一個延遲環節Gd，表示為Gd=e。

DAB的傳統閉環控制策略如圖5所示，控制器代表多種控制方式的其中一種，Vref是輸出電壓參考值，根據式（3），Vref主要包含基頻分量和二倍頻分量。

圖5中的控制器，一般為PI控制。本文使用的控制器為PIR控制器。PIR的傳遞函數表達式如下：

為補償二倍頻，即100 Hz的功率波動，在二倍頻處應具有高增益。諧振控制器R（resonant）可用于對二倍頻交流信號的跟蹤，比例積分控制器PI可用于對直流信號的跟蹤，兩者結合形成的PIR控制器可以實現同時對直流信號和二倍頻信號的無差跟蹤。其中，Kp、Ki、Kr分別是比例控制器、積分控制器、諧振控制器的系數?？刂破鞑糠质褂肞I控制器和PIR控制器的閉環整體伯德圖如圖6所示。

比較圖6（a）和圖6（b）可以看出，兩者對高頻分量都有抑制作用。不同的是，PIR控制在二倍頻附近的增益是比較高的，比起PI控制，可以更好地跟蹤和補償二次諧波電流。

3? ? 仿真結果

本文所提出的建模方法和控制策略均在Matlab/

Simulink仿真平臺下實現，在Simulink環境中搭建了圖2所示的系統模型。仿真根據圖5的控制策略，分別使用了PI控制器和PIR控制器進行對比。圖7（a）是DAB使用傳統閉環控制，且控制器為PI控制時的輸出電壓波形圖和移相比變化圖，輸出電壓幅值可以穩定在200 V，上下波動大小為±3.8 V;圖7（b）是采用PIR控制器時的輸出電壓波形圖和移相比變化圖，輸出電壓幅值可以穩定在200 V，上下波動大小為±1.6 V。

PI控制器可以實現對直流信號的跟蹤，但對二倍頻信號的跟蹤能力較差。從圖7可以看出，在傳統閉環控制方式中，對比PI控制器，采用PIR控制器可以明顯降低輸出電壓的紋波。

4? ? 結語

本文就解決中間級為DAB的三級式PET的低壓側二次輸出電壓紋波問題，提出了新型閉環控制策略。在Matlab/Simulink仿真平臺上，閉環控制器采用PIR控制，并將其與PI控制做了詳細比較，確能有效降低低壓側輸出電壓二次紋波，對比傳統控制方式有明顯優勢，提高了中間級為DAB的PET的性能，為三級式PET的動態性能指標控制提供了理論基礎。

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[9] QIN H S，KIMBALL J W. Generalized average modeling of dual active bridge DC-DC converter[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27（4）：2078-2084.

收稿日期：2022-03-16

作者簡介：徐海博（1983—），男，陜西人，工程師，研究方向：直流輸電、柔性直流輸電等電力電子技術應用。