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海军工程大学研究团队提出改进的双有源桥暂态直流偏置抑制策略

A research team at Naval University of Engineering proposes an improved transient DC bias suppression strategy for dual active Bridges

作者:本站  来源:转载  浏览:136  发布时间:2023-12-15

       电压模式下双有源桥变换器在输入电压改变或负载突然变化时,会在变压器一次侧产生暂态直流偏置电流,从而导致电感电流峰值过大,变压器磁芯饱和等问题。
       海军工程大学电气工程学院的研究人员刘子薇、孙兆龙、刘宝龙提出一种改进的三移相(Improved Triple Phase Shift, ITPS)控制策略,用以消除DAB(Dual Active Bridge, DAB)暂态直流偏置电流。
       ITPS策略首先通过电感电流有效值优化策略确定稳态过程移相比,建立DAB直接功率控制模型。当DAB运行模式改变时,通过在过渡过程中增加一个暂态周期,调节开关管在暂态周期中的占空比,以维持变压器的伏秒平衡,抑制暂态偏置电流,使系统在一个周期内可以快速达到稳态。该策略将DAB的稳态性能与动态性能的优化相结合,在保证对电流有效值优化的同时,能实现快速的暂态响应。

       仿真及实验结果表明ITPS策略在不同稳态和暂态工况都具有优越性能,具有一定的工程应用价值。


研究背景
       双有源桥变换器(Dual Active Bridge, DAB)具有能量双向流动、开关器件电压电流应力较小、输入输出电气隔离、高功率密度以及软开关等特点。目前,广泛应用于电动汽车、直流配电网、微电网、分布式能源等领域。
       传统的DAB控制大多采用电压单环控制,动态响应仅由反馈电压误差确定,无法直接调节电感电流的动态特性,输出电压动态响应较差。为了改善DAB的动态响应,虚拟直接功率控制、滑模控制等控制策略相继被提出,但是这些控制的提出都是基于一个开关周期内的平均模型,在分析过程中忽略开关周期内的暂态过程。
       在快速瞬态响应期间,变压器一二次侧电压可能存在伏秒不平衡,产生暂态直流偏置电流。暂态直流偏置电流会导致变压器铁心单向深度饱和,磁化电流剧增,损耗增加,严重时会在主回路产生过大的峰值电流,对开关管造成损害,降低变换器的可靠性。


图1 DAB拓扑结构

图2 DAB稳态运行波形

论文所解决的问题及意义

       为提高DAB运行效率,降低直流偏置电流对DAB动态性能的影响,确保功率器件及高频变压器的可靠运行,本团队提出了基于直接功率控制的双有源桥暂态直流偏置抑制策略,能有效抑制暂态过程电流尖峰,提高DAB闭环暂态响应,同时实现RMS电流优化,具有一定的工程应用价值。

论文方法及创新点
       本文首先考虑电感电流基波和多次谐波分量,确定最小有效值电流下条件下,DAB变换器一次侧及二次侧移相比关系。根据方波电压零电平区域是否有重叠,以及移相比是否可和,将DAB的工作模式分为4种情况,由此建立DAB变换器的直接功率控制(DPC)模型。


图3 不同模式下DAB 的电压和电流波形

       由于模式2(ii)和模式2(iii)可看作模式2(i)移相比饱和的特殊形式,其暂态阶跃情况类似,暂态分析过程中对模式二不做细分。DAB在模式2范围内及模式1、2范围阶跃时,初始稳态结束时刻的电流值与最终稳态开始时刻的电流值的电流值不相等,会产生暂态直流偏置。



图4 暂态直流偏置工况
       本文提出一种改进的三移相暂态直流偏置优化策略(ITPS),通过改变移相比调整暂态中间时刻电感电流值,使系统在一个周期内可以快速达到稳态。



图5 ITPS抑制策略示意图

       图6给出了基于PI-DPC的闭环ITPS策略控制框图。

图6 基于PI-DPC的闭环ITPS策略控制框图


       最后,研究人员通过设计的实验样机,对不同工况下应用ITPS策略的DAB变换器的动态性能及稳态性能进行验证。

结论
       暂态直流偏置电流会导致变压器铁芯深度饱和和电流峰值过大,影响DAB的可靠性。本文提出了一种基于直接功率控制的暂态直流偏置抑制策略来解决这一问题,建立了基于直接功率的DAB暂态直流偏置模型,对不同运行模式下的暂态偏置抑制策略进行分析,通过改变开关管在暂态周期中的占空比,有效抑制暂态过程的电流尖峰,使系统在一个周期内可以快速达到稳态,且无需增加额外的硬件电路,变压器漏感等偏差量对ITPS策略影响不大。
       与传统移相调制策略相比,ITPS策略在功率突变以及在输出电压动态调节,功率连续微小变化情况下都具有良好的暂态直流偏置抑制效果。仿真和实验结果表明,所提出的ITPS策略在稳态效率和对不同工况的适应性方面具有显著优势,具有一定的工程应用价值。