基于双有源桥的三端口变换器回流功率优化控制

史永胜,李 雷,丁恩松,余 强,马铭远

(1.陕西科技大学 电气与控制工程学院，陕西 西安 710021;2.江苏润寅石墨烯科技有限公司,江苏 高邮 225600)

0 引言

全球正在面临着严重的能源危机，利用风能、热能、太阳能等新能源进行发电可以有效地缓解所面临的能源短缺问题.储能技术可以解决可再生能源发电稳定性的问题，是未来能源体系的新支柱[1].传统的新能源发电系统中采用单向DC/DC变换器和双向DC/DC变换器级联来构成，这种结构的体积较大，电能的利用率较低.采用集成多端口DC/DC变换器(MPC)可以有效的解决传统变换器中所存在的问题，因此集成多端口DC/DC变换器是近年来广泛研究的热点之一[2-4].

文献[5]研究了双向有源桥变换器回流功率的优化控制技术策略，分析了不同电压转换比下，回流功率与阐述功率的耦合关系，提出DAB变换器的回流功率最优控制模型.文献[6]综合分析了双有源桥变换器两侧回流功率特性，建立了完整的传输功率、回流功率和峰值电流数学模型，提出一种基于最小回流功率的扩展移相控制策略.文献[7-9]中均以DAB变换器为研究对象，分析了回流功率存在对变换器的影响，采用不同的方法使回流功率最小，提高变换器的稳定性与可靠性.文献[10]提出的集成双向Buck-Boost与双有源桥构成的集成三端口变换器，深入分析了变换器的功率特性和软开关条件，并没有考虑变换器的回流功率现象.因此，在研究以双有源桥构成的集成三端口变换器时，需要考虑回流功率对集成三端口变换器传输功率的影响.

本文以交错并联双向Buck-Boost与双有源桥构成的集成三端口变换器为研究对象[11-15]，对其在PWM加双重移相调制策略控制下的功率传输与回流功率特性进行详细分析.分析了集成三端口变换器回流功率的产生机理.回流功率的影响因素有外移相占空比、原边功率开关管占空比和电压调节比，根据这些影响因素得到了基于单闭环的集成三端口变换器最小回流功率控制的优化方案.最后，通过PSIM搭建仿真实验平台，分析了输出电压和电流是否稳定.通过对比未加入优化和加入优化是回流功率的大小，验证了所提最小回流功率控制策略的可行性.

1 回流功率的产生机理

交错并联双向Buck-Boost与双有源桥构成的集成三端口变换器其电路拓扑如图1所示.图1中：Vbat是储能电池端电压，Vpv是光伏阵列的输出电压，V0为负载侧输出电压，Cbat是储能电池端的滤波电容，Cpv是光伏阵列输出端的滤波电容，C0是负载侧的输出滤波容，L为串联辅助电感，L1、L2均为滤波电感，R0为变换器的负载电阻，S1-S4和S5-S6为变换器的开关管；变压器T的电压比为n∶1.VAB和VCD分别为变换器一次、二次侧H桥的输出电压.负载R0的两端的电压为V0.

储能电池端电压Vbat与光伏阵列的输出电压Vpv的关系为：

(1)

输入高频变压器的电压为储能电池端电压Vbat与光伏阵列的输出电压Vpv之和，即：

(2)

集成三端口变换器采用PWM加双重移相控制策略.具体而言，原边全桥包含交错并联双向Buck-Boost电路，采用PWM控制，左桥臂超前右桥臂180 °，设开关管S2和S4的占空比为D1，则开关管S1和S3的占空比为1-D1.在原边全桥与副边全桥之间进行移相，在半个开关周期的移相占空比为D2，用来调节变换器传输功率的大小和方向.定义副边全桥对角开关器件之间的移相为桥内移相，在副边全桥对角开关器件之间进行移相，同一桥臂的两个开关管互补导通，占空比均为0.5，半个开关周期的内移相占空比为D3.

图1 集成三端口变换器电路拓扑

图2 集成三端口变换器工作原理波形

根据电路原理，电感L两端的电压VL可表示为：

(3)

流过电感L的电流iL可表示为：

(4)

集成三端口变换器在工作过程中，各时刻的电感电流iL可表示为：

(5)

(6)

(7)

(8)

2 功率特性分析

2.1 传输功率特性分析

通过对PWM加双重移相控制下集成三端口变换器工作原理的分析，建立集成三端口变换器的数学模型[17].假设变换器工作过程中，半个开关周期Ths，电压调节比为k=V/nV0且k≥1，开关频率为f=1/(2Ths)，t0时刻t0=0，则各时刻可分别表示为：t1=(1-2D1)Tm；t2=D3Ths；t3=D2Ths；t4=Ths.移相电感电流在一个开关周期内的变化量为零，并且移相电感电流iL满足奇对称性，可知iL(t+0.5T)=-iL(t).则在半个开关周期内各开关时刻移相电感电流iL的表达式为：

(9)

(10)

(11)

(12)

相应地，可以得到PWM加双重移相控制下，传输功率为：

D12+D2-D1)

(13)

集成三端口变换器的输出电流为：

D12+D2-D1)

(14)

根据图2可知，t3时刻电感电流值最大，所以流经集成三端口变换器移相电感L的电流峰值为：

(15)

为了便于分析，将传输功率标幺化，取最大传输功率PB为基准值，则：

(16)

此时传输功率的标幺值为：

(17)

原边占空比D1由光伏阵列端和储能电池端电压决定，不能作为控制输出功率的独立变量，在分析过程中假设D1=0.5.根据变换器的功率表达式，通过MATLAB绘图得到标幺化传输功率随着D2和D3变换的三维关系和功率等高线，如图3和图4所示.

图3 集成三端口变换器传输功率曲线

图4 集成三端口变换器传输功率等高线

对于PWM加双重移相控制下，标幺化传输功率随着D2和D3变化的关系图可以看出，当给定传输功率时，有多组(D2，D3)的取值组合来满足给定的传输功率，随着传输功率的增加(D2，D3)的取值组合减少.相比于单移相控制加入副边内移相控制，其控制调节范围广，灵活性增强.

2.2 变换器回流功率特性分析

定义集成三端口变换器的回流功率为pcir，其大小与移相电感电流IL(t1)、IL(t2)、IL(t3)和IL(t4)的大小和方向有关[18].

根据回流功率的定义，可知PWM加双重移相控制下集成三端口变换器回流功率Pcir表达式为：

(18)

为了便于分析，将回流功率标幺化可得：

(19)

同样假设D1=0.5，根据集成三端口变换器标幺化回流功率表达式可得，标幺化回流功率随着D2和D3变化的三维关系，如图5所示.

图5 集成三端口变换器回流功率曲线

根据回流功率的变化规律，减小电感电流iL与变换器原边全桥中点的电压VAB相位相反阶段的时间，来寻找最小回流功率工作点，以此来降低变换器的回流功率损耗，提高变换器的工作效率.

3 最小回流功率优化控制

由于回流功率的存在，集成三端口变换器前级向后级传递的有功功率会受到回流功率的影响，导致集成三端口变换器总的功率利用率降低.为了提高集成三端口变换器的转换效率，在控制过程中来抑制功率地回流[18].本文提出一种基于单闭环的集成三端口变换器最小回流功率优化控制方法来抑制功率地回流.

PWM加双重移相控制下，要使得回流功率最小，由标幺化回流功率的表达式(19)可知，回流功率最小只需满足式(20)的条件.当表达式(20)的值为0时，理论上其回流功率就近似为0，认为此时集成三端口变换器的回流功率最小.

2kD1+4D1+D2+D3-3=0

(20)

根据条件式(20)可推导出基于最小回流功率的控制条件为：

D3=3-2kD1-4D1-D2

(21)

由前文的分析可知，回流功率与电压匹配比k成正比，为了使得回流功率最小取k=1.结合最小回流控制条件式(21)可得：

D3=3-6D1-D2

(22)

综上分析，当内移相比D3满足式(22)时，集成三端口变换器的回流功率理论上为0，集成三端口变换器的回流功率最小，功率传输效率提高.

因此，基于单闭环的集成三端口变换器最小回流功率控制的控制框图如图6所示.

图6 最小回流功率控制框图

具体的控制策略为：采样得到输出电压与输出指令作比较，输出电压环为PI调节，调节输出的外移相占空比D2来维持输出电压恒定，控制原副边功率传输的大小和方向.光伏阵列端的MPPT控制和储能电池端的限压控制处于竞争状态，同一时刻只有一个胜出，决定集成三端口变换器原边功率开关管的占空比D1，根据光伏阵列和输出功率的不同，储能电池在充电和放电模式自由切换，实现三者的功率平衡.最后根据集成三端口变换器原边功率开关管的占空比D1和外移相占空比D2来设定副边两个桥臂之间的内移相占空比D3=3-6D1-D2，来调节集成三端口变换器副边桥臂之间的移相角，使变换器工作在最小回流功率状态.

基于单闭环的集成三端口变换器最小回流功率优化控制方法原理简单，可以有效的减少回流功率，提高变换器的效率.

4 仿真结果分析

以PSIM软件为仿真平台，具体仿真参数为表1所示.

表1 集成三端口变换器仿真参数

搭建完仿真样机后，主要分析输出电压和电流是否稳定，对比分析移相电感电流iL与变压器原边侧电压VAB相位的相位关系，验证所提最小回流功率优化控制策略是否有效.

4.1 输出电压与电流仿真结果分析

变换器输出电压与电流的仿真结果如图7和图8所示，输出电压为50 V，输出电流为1 A，与理论分析结果一致.电压与电流波形稳定，并未出现尖峰和抖动，该控制方式没有对输出产生影响，验证了该控制方式的可行性.

图7 集成三端口变换器输出电压波形

图8 集成三端口变换器输出电流波形

4.2 回流功率仿真结果分析

集成三端口直流变换器的回流功率仿真如图9、图10和图11所示.图9是k=1时未加入优化的仿真结果，从图中可以看出电感电流iL与变压器原边侧电压VAB存在相位相反的阶段，表明存在回流功率.

图9 k=1时未加入优化的回流功率仿真结果

图10 k=1时加入优化的回流功率仿真结果

图11 k=1.25时加入优化的回流功率仿真结果

图10是k=1时加入优化的仿真结果.从图10可以看出,电感电流iL与变压器原边侧电压VAB相位相反的阶段极小，表明回流功率极小.对比图9和图10可知，可以通过控制策略来有效的减小回流功率，提高变换器的效率.

图11是k=1.25时加入优化的仿真结果.从图11可以看出，电感电流iL与变压器原边侧电压VAB相位相反的阶段存在，表明回流功率存在.对比图11与图9，发现加入优化的回流功率较小，证明优化控制策略的有效性.对比图11与图10，可知电压调节比k对最小回流功率控制的影响，随着k的增加回流功率也随之增加.

对比图9、图10和图11，发现不同控制策略下的相同时间段内，电感电流iL波形的斜率是存在差异的，因为不同控制策略下，移相角和电压调节比k是存在差异的.对比图9与图10，因为两种控制策略下移相角存在差异，而电压调节比k是相同的，所以电感电流iL波形斜率的差异较小.对比图9、图10与图11，因为三种控制策略下移相角和电压调节比k同时存在差异，所以电感电流iL波形斜率的差异是较大的.

通过对仿真结果的分析，发现与理论分析一致，验证了此控制方式的有效性.

5 结论

本文针对交错并联双向Buck-Boost与双有源桥构成的集成三端口变换器，采用PWM加双重移相控制策略，在此基础上建立了传输功率与回流功率的数学模型，提出了一种基于单闭环的集成三端口变换器最小回流功率优化控制方法.通过理论分析与仿真结果对比，可以看出该优化控制策略较传统的移相控制具有以下特性：

首先，基于单闭环的集成三端口变换器最小回流功率优化控制方法原理简单，容易实现，输出稳定；其次，减小了集成三端口变换器的回流功率，从而减小了集成三端口变换器的损耗，提高了集成三端口的变换效率；最后，不同工作状态 (不同电压转换比k)时，集成三端口变换器回流与传输功率表现出不同特性，实际工程中应充分考虑变换器的工作状态.