峰值效率98.8% 单模块双有源全桥DC-DC变换器总电流有效值优化方法
Optimization method for total effective current of single module dual active full bridge DC-DC converter with peak efficiency of 98.8%
研究背景
近年来,随着化石能源的消耗,以及环境问题的日益突出,新能源发电、电动汽车、储能技术已经成为电力行业的研究重点。其中,DC-DC变换器作为电力电子系统中的重要组成部分,是充电桩、储能系统、直流微电网中的关键部件。
目前,已经有多种DC-DC变换器拓扑被提出,双有源全桥(Dual Active Bridge, DAB)变换器是DC-DC变换器的热门研究拓扑之一,其集成了输入输出端电气隔离、高电压增益、较宽负载范围内实现全体开关器件零电压开通等优点。进一步的,在大功率充电桩、储能系统等对DC-DC变换器的功率指标要求较高的应用场景中,可以通过将多个DAB模块并联的方式使得DC-DC变换器系统满足功率、载流要求。
然而,由于生产工艺,以及产品的不断更新换代等原因,输入并联输出并联(Input Parallel and Output Parallel, IPOP)DAB变换器系统中各个模块的参数,特别是辅助电感,会有一定的差异,从而导致运行特性的不同。这些差异将会导致变换器实际工作时模块间电压分配不均,各模块输出功率不均衡等问题,这将大大增加各独立模块的故障概率。
图1 多模块IPOP双有源全桥拓扑
论文方法及创新点
1.辅助电感差异对电流有效值的影响
在基于单模块电感电流有效值最优TPS调制的基础上,分析对比辅助电感大小不同时,各个模块的电感电流有效值大小。经过研究,无论DAB工作在升压还是降压模式中,轻载时相同输出功率情况下辅助电感小的模块电感电流有效值最大,而辅助电感大的模块电感电流有效值最小。
相同功率下负载较重时,辅助电感大的模块电感电流有效值最大,并且差异更加明显。基于以上规律,在多模块并联的DAB变换器中,可以在总负载功率较轻时,让辅助电感大的模块分担更多的负载,在总负载功率较重时,让辅助电感小的模块带更多的负载。
图2 不同电感差异比下电感电流有效值对比
2.基于遗传算法的多模块功率分配差异化控制策略
本文在回顾前人工作的基础上,构建了一个基于遗传算法(Genetic Algorithm, GA)的多模块功率分配优化模型。该模型以系统总电感电流有效值最小为优化目标,计算系统总功率一定时,各个模块的最优功率分配占比。
在系统运行过程中,根据该模型的计算结果,让辅助电感不同的模块分配不同的功率,从而实现系统的总效率最优。图3展示了三模块并联系统中,辅助电感最小模块的功率分配占比随电压增益和输出功率变化的3维图,在输出功率和电压增益不同时,其在系统中总功率的分配占比均会变化。
图3 辅助电感较小模块功率分配比在多种增益及功率下的变化三维图像
在实际控制中,为了减小数字电源中央控制芯片的存储负担,需要使用结合公式拟合的查表控制方法。通过GA优化得出各电压增益下各个模块随总功率变化的功率分配比。用多项式对功率分配比与总功率标幺值之间的关系进行拟合,拟合后单模块得到的系数在不同增益下不同。
将这些系数存储在数字电源的单片机中,控制中根据电压比来对这些系数进行查表,代入到这些公式,最终得出相应的功率分配比。因此,多模块功率分配优化控制策略框图如图4所示。
图4 多模块功率分配优化控制策略框图
实验验证
为了验证本文提出的IPOP多模块DAB总电流有效值优化控制策略,设计搭建了3模块并联的DAB实验平台,实验样机如图5所示。实验对比了升压模式和降压模式下本文提出的多模块功率分配差异化控制策略与均功率控制策略之间系统总电感电流有效值与效率。降压工况下,平均效率提升大约1.2%;升压工况下,平均效率大约提升0.84%,而优化算法的峰值效率最高能达98.8%。
功率差异控制策略相比于传统的多模块均功率控制策略,无论是在升压还是降压的工况下,均能有效降低IPOP系统总电感电流有效值,并且随着输出功率的增加,相比于均功率控制策略的电感电流有效值减小的更多。功率差异控制算法使得整个系统的效率得以提高,峰值效率可达98.8%,降压工况下,平均效率提升约1.2 %,升压工况下,平均效率提升约0.84%。