直流微电网双向全桥DC／DC 变换器控制策略

朱胜杰，张厚升

（山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博 255022）

0 引言

随着各国对能源和环境问题越来越重视，清洁无污染可再生能源得到了广泛的关注。在电力领域中，新能源分布式发电由于具有污染小、可再生、安装地点分散灵活等优点受到了越来越多的关注，并在全球范围内迅速推广［1-2］。为了使分布式发电的优势得到充分发挥，微电网概念被提出，现已成为分布式电源接入到配电网的重要形式［3-4］。在负载互连、分布式能源和分布式存储系统合并集成到网格中的情况下，微电网已成为现实。对更灵活的电力系统，节能和环境影响的需求正在推动微电网的发展。相比交流微电网，直流微电网更方便于分布式电源的接入（分布式电源产生的电能多为直流电或经简单整流后变为直流电），由于不存在分布式电源间的同步和无功功率流动等问题，且更加高效节能，逐渐引起了国内外学者的关注［5］。

通常，微电网可以在并网模式和孤岛模式下运行［6］。在并网模式下，微电网连接到公用电网，与公用事业并联运行，并通过公共耦合点与公用电网交换电力。但是，当上游电网中发生故障时，微电网将断开公用电网，并转移为孤岛模式运行。在孤岛模式下，微电网可以作为独立电网使用分布式能源发电。其中，最重要的部分为平衡来自公用电网和分布式能源的需求和供给。此外，受环境及社会、经济和政治关系的影响，许多类型的可再生能源，如光伏和风能，被广泛用于微电网中的分布式能源。但可再生能源易受自然环境影响，使分布式电源系统具有一定的不稳定性，因此，使用其作为不间断电源供电时需要储能系统［7］。

为实现微电网中能量产生系统和存储系统的能量分配，提出各种双向DC／DC 变换器（Bidirectional Full-bridge DC／DC Converter，BDC）作为连接高电压总线（安装了燃料电池堆或光伏阵列等能量产生系统）和低电压总线之间的永久性关键组件，能量存储系统常采用电池或超级电容器等器件，如图1 所示［8］。通常，BDC 分为隔离型和非隔离型两类，其中隔离型BDC 使系统配置更加灵活并且满足必需的安全标准［9-10］。隔离式双向DC／DC 转换器基于高频隔离变压器的单相和H 桥拓扑，如图2 所示。

图1 BDC 在微电网中配电的典型应用

图2 隔离型BDC 典型结构

与传统的DC／DC 变换器相比，隔离型BDC 具有电气隔离、高可靠性、易实现软开关控制和能量双向流动等优点［11-12］。许多国内外学者提出了很多针对隔离型BDC 的控制策略。文献［13］提出了一种对隔离型BDC 扩展相移控制策略，用于微电网中的功率分配，扩展相移控制不仅扩大了传输功率的调节范围，增强了调节的灵活性，而且减小了电流应力，提高了系统效率。文献［14］提出了一种PWM 加相移控制双向DC/DC 变换器。在该转换器中，PWM 控制和相移控制相结合以减少电流应力和传导损耗，并扩大零电压开关（Zero Voltage Switching，ZVS）范围。文献［15］提出了一种在宽范围负载变化下，使DC/DC变换器的逆变侧和整流侧的开关实现软开关的控制策略，并且可以提供系统的效率。文献［16］提出了基于三重移相控制的电流有效值准最优化的All-ZVS控制策略，该策略在全功率范围和双向功率传输下改善了器件的工作条件，在减小导通损耗的前提下进一步消除了开关损耗，大大提高了效率，在低功率段的效率提升尤为明显，有利于进一步提升变换器的开关频率和功率密度。

提出一种对隔离型BDC 的移相控制与PI 控制相结合的控制策略。其中，通过PI 控制实现对整流侧的电压闭环控制，实现控制输出电压达到额定输出电压。并对隔离型BDC 的移相控制原理进行分析，同时也对隔离型BDC 工作特性进行分析。最后，通过仿真结果验证所提方法的正确性和有效性。

2 隔离型BDC 移相控制原理

隔离型BDC 通过移相控制方式，改变变压器原边电压uh1与副边桥臂电压uh2之间的移相角来控制功率输出的大小，并且可以使uh1和uh2在满占空比下工作。通过图3 可以看出变压器原边与副边控制桥臂为180°导通方式，可以使斜对角的开关管导通方式相同。图3 中：Th为半个开关周期；D 为移相占空比，即uh1和uh2之间的移相角与π 相比为移相占空比，且0

假设变换器在稳态工作状态，且变压器为理想变压器。分析可知变换器处在正向工作状态时，开关S1、S2和S3、S4驱动脉冲超前于Q1、Q2和Q3、Q4驱动脉冲。通过电压闭环控制反馈输出电压信号，确定变压器副边桥臂开关管移相脉冲信号驱动开关管的导通关断。由图4 所示的等效电路可以看出，在一个工作周期内，变换器共有4 种开关模式，分析如下。

1）在［0，t0）时刻，如图4（a）所示。S2和S3、Q2和Q3是导通的，原边电流流过开关S2和S3，iL为负值。副边电流流过二极管D6和D7。可以得出电源U1输出功率，电源U2吸收功率。

2）在［t0，t1］时刻，如图4（b）所示。在t0时刻，S2和S3关断，iL从D1和D4中流过，可以使S1和S4零电压开通。此时，uh1=U1，uh2=-U2，而uL=U1+nU2，可以得出iL为线性上升。在t1时刻，iL从负值上升到0，此时D1和D2自然关断。此过程是电感L 向电源释放能量的过程。

图3 隔离型BDC 在移相控制时的工作波形

图4 变换器正向工作时的开关状态等效电路

3）在（t1，t2）时刻，如图4（c）所示。t1时刻之后电流iL为正，原边电流从S1和S4流过。副边电流流经Q2和Q3，Q2和Q3实现零电压开通。此时uL=U1+nU2，iL仍为线性上升。此过程是电源向电感L 充电的过程。

4）在［t2，t3］时刻，如图4（d）所示。在t2时刻，电流iL从D5和D8中流过，可以使Q1和Q4零电压开通，iL继续线性上升。在此过程电源U1输出功率，电源U2吸收功率。

变换器下半周期的工作状态与上述半个周期工作类似。

图5 为隔离型BDC 开关策略控制模型，原边侧使用脉宽调制器控制S1—S4开关开关断，工作波形如图3 所示。副边侧加入了电压闭环控制，通过反馈副边电压U2进行PI 调节得出移相比D，对副边开关Q1—Q4进行移相脉宽控制。使用PI 电压闭环控制可以快速让副边电压U2跟踪额定电压U2ref。

图5 隔离型BDC 开关策略控制模型

3 隔离型BDC 的传输功率

由图3 可以看出，在［t0，t2］时刻，电流iL线性上升，可以表示为

式中：iL（t0）为在t0时刻流过电感的电流。

因t2-t0=DTh，则t2时刻流过电感的电流为

在［t2，t3］时刻内，iL为

其中，t3-t2=（1-D）Th，则t3时刻的电感电流可以表示为

iL在正负半周期内是对称的，则iL（t0）=-iL（t3）。则根据式（2）和式（3），可得

式中：fs为开关频率，fs=1／（2Th）。

根据式（1）—（3），iL在半个周期内的表达式为

原边输入的平均功率为

式中：Iave为输入电流的平均值。

把式（6）代入式（7），可得

图6 与D 的关系

4 仿真验证

为了验证提出的基于电压PI 闭环加移相控制的隔离型BDC 控制策略的正确性和有效性，在MATLAB／Simulink 仿真环境中对基于电压PI 闭环加移相隔离型BDC 控制系统进行了仿真分析。隔离型BDC 的主要参数如表1 所示。

表1 变换器主要参数

设置输入直流电压U1=300 V，输出额定电压U2ref=260 V。图7 为开关S1—S4和Q1—Q4的脉冲调制信号，可以看出与图3 中理论脉冲信号是一致的。开关S1—S4为正常的调制信号；对Q1—Q4进行移相脉冲调制，通过输出电压U2的PI 反馈控制得到移相比D，调制Q1—Q4的驱动信号，使得输出电压跟踪设定的额定电压变化，达到需要的输出电压。

图8 为变压器原副边电压仿真波形图，从图中可以看出，变压器原边电压Uh1在-300～300 V 变动，始终为稳态。变压器副边电压Uh2要经过0.03 s 的时间达到稳态，并且Uh2比Uh1的值要小，由于设置的变压器原副边变比为1∶2，变压器副边电压Uh2还与输出负载的大小有关系，当输出电阻变小时Uh2也会跟着变小，反之亦然。所以在选择输出负载电阻时要注意对电压的要求。从图中可以看出，Uh2要滞后Uh1，滞后的时间为DTh。与图3 理论中的波形相比，变压器原副边的波形是一致的，证明了所提出方法的正确性和有效性。

图7 开关管驱动信号波形

图8 变压器原副边电压波形

如图9 所示，电感电流和电压均经过0.03 s 不稳定状态后达到稳定。电流随着电压变化而改变，电压达到稳定状态时电流也达到稳定状态，与图3 中的理论波形相似，UL在一个周期内的波形均为先正后负，iL在一个周期内的波形均为先增后减。

图9 电感的电流和电压波形

如图10 所示，输出电流i0是跟随输出电压U2变化的，两者在0.03 s 时到达第一个稳定状态。此时的U2还没有到达额定电压，通过电压闭环的调节，改变移相比，使得U2在t=0.26 s 时开始上升，在t=0.3 s 时U2=U2ref=260 V 到达第二个稳定状态。输出电流i0的波形与U2的波形变化一致。输出电压从0 V到达额定电压260 V 用0.3 s。图11 为U1=480 V 时输出的电压和电流，设定的输出额定电压U2ref=400 V。从图中可以看出输出电压U2在t=0.15 s 时到达400 V，达到稳定状态，输出电流波形变化与输出电压波形变化是一样的。可以明显看出比U1=300 V 时的输出电压有更优的快速响应特性。从图10 和图11 可以看出所提出的控制策略具有对调节输出电压快速响应的特性，证明了基于电压PI 闭环加移相控制对隔离型BDC 具有良好的控制效果，与理论是一致的。

图10 U1=300 V 时输出的电压和电流

图11 U1=480 V 时输出的电压和电流

5 结语

以隔离型双向全桥DC/DC 变换器为研究对象，分析了该变换器在移相控制下的工作原理，建立了等效电路模型，并推导了其传输功率表达式。通过对移相控制下换流方式的分析，提出了电压PI 闭环加移相控制的控制策略，通过设定不同的输入电压和额定输出电压，以仿真实验表明了该控制方式可以有效地令输出电压跟踪额定输出电压的变化，可以使输出电压满足直流电网或用户的要求，并提高了输出电压响应速度。最后，通过仿真验证了文中所提方法的正确性和有效性。