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探究双向有源直流变换器回流功率优化控制引言电力电子变压器（PowerElectronicTransformer,PET）概念最早是由美国GE公司提出的一种基于高频链接AC/AC的电气设备，用于替代传统的工频变压器[1]，被认为是未来电网朝着智能、灵活、互动方向发展的核心元件[2]双有源桥（DualActiveBridge,DAB)DC/DC变换器具有高功率密度、模块化对称结构、简易可行的移相控制和功率双向传输等优势，被广泛应用在PET的中间级[3]移相控制（Phase-Shift,PS）策略是变换器的主要控制方式，通过控制前桥HB1、后桥HB2之间的桥间移相角去控制功率的流动方向，由于移相控制方式单一且不能调节漏感电压波形，因此，移相控制方式会产生较大的回流功率[4]，导致变换器工作效率降低，尤其当变换器工作在轻载、端电压不匹配时，这一现象更加明显文献[5]提出一种双重移相（Dual-Phase-Shift,DPS）控制方式，该方式在前桥中增加一个桥内移相角，通过优化两个变量去控制变换器的传输功率，在保证同等最大传输功率下，可以更加灵活地控制漏感电流的方向，但该文只讨论了前桥增加移相角的情况。

文献[6]提出新的DPS控制方式，在前桥、后桥同时增加移相角，重新定义回流功率现象，指出回流功率是降低变换器效率的主要因素，但前桥、后桥两个移相角相等，因此该控制方式实际上还是两个控制变量文献[7]提出三重移相（TriplePhaseShift,TPS）控制策略，全面论述了变换器在该控制模式下的工作状态TPS控制变量增加到三个移相角，可以更加灵活、多样地控制电感电流的波形和方向，在轻载、端电压不匹配时，该控制方式优势明显针对上述问题，本文在传统TPS控制策略的基础上，使用相量分析法建立系统的数学模型，降低建模过程计算量，明确回流功率的物理意义通过分析变换器传输功率、电感电流的相量图得出控制变量的最优解，降低系统回流功率，提高双向有源变换器功率传输的效率，并通过仿真验证该控制策略的正确性1、三重移相控制1.1TPS的工作原理DAB直流变换器的拓扑结构如图1所示，主要由两个对称的有源全桥HB1,HB2和高频变压器T连接组成其中，Vin和Vout是DAB变换器两端的直流电压源，C1,C2为电源侧的电容，起稳压作用，Vp,Vs是开关管S1～S4,Q1～Q4换向得到的交流方波，Ls为变压器漏感，N为变压器的变比，k为电压调节比[8],k=NVoutVin,0

图1双有源桥直流变换器拓扑结构三重移相控制下变换器的工作波形如图2所示以功率管S1的上升沿触发信号ug1为参考时间，其中，α2是桥间移相角，α1是全桥HB1桥内移相角，α3是后桥HB2桥内移相角，Ts为一个开关周期，ug1～ug4,uq1～uq4分别是开关管的驱动信号如图2看出，电压Vp,Vs的波形由两电平变成三电平，漏感电压VL的电平数明显增多，波形变化也更加平缓由此可知，SPS,DPS控制方式只是TPS的一种特殊情况，因此，研究TPS控制方式可以全面了解变换器的工作特性图2TPS控制工作波形1.2功率回流的现象回流功率产生本质上是因为电感电流具有滞后性造成的，如图3阴影部分所示图3移相控制下回流功率2、变换器工作特性分析DAB变换器的电路拓扑结构原理可等效为图4的简化电路图，由两个等效的方波电压源和变压器漏感构成图4DAB等效电路图使用傅里叶变换将电压源Vp和Vs展开，得到表达式为：公式1由式（1）可以看出Vp,Vs是由无数不同频率的激励源构成[9]，其中，ω=2πf,f是功率管的开关频率由图4等效电路和式（1）可得到Vp,Vs和VL的相量形式：公式2由式（2）可知，电压Vp有效值的大小由端电压Vin和桥内移向角α1决定，相量图如图5所示。

图5电压Vp相量图3、最小回流功率控制策略TPS移相控制下，相量构成一个电压相量三角形，如图7所示图7TPS控制相量图定义相量的夹角为φ，由相量图可得φ的表达式为：公式4由式（4）可以看出，当夹角φ一定时，存在无穷多对（α1，α2，α3）满足条件[8,10]由图4等效电路图可得系统有功功率和无功功率分别为：公式5同理，可得电压Vs的相量图如图6所示与相量不同的是，受控变量更多，它的变化更加灵活多样，运行轨迹范围也更大图6电压Vs相量图由图5，图6可以看出，随着移相角α1和α3的增大，输出电压Vp,Vs有效值在减小，因此，在大负荷、满功率运行时，传统SPS控制将会有一定的优势，文献[9]的结论也因此得出由式（2）可得，电感电流İL表达式为：公式3图8a），图8b）分别是SPS,DPS控制下电压三角形的运行区域图8电压三角形相量图由电压三角形几何关系得：公式6由式（6）可以看出，IL和夹角φ成正比，夹角φ越小，IL越小结合式（4）～式（6）可得，当DAB变换器输出一定时，移相角α1，α2，α3满足以上条件可以得到最优解，此时变换器的回流功率最小，可提高变换器的功率因数4、仿真结果与分析为验证上述控制策略的有效性和可行性，在Matlab/Simulink软件中构建双有源桥直流变换器仿真模型。

图9为三种策略下回流功率随输入电压变化的结果，图10为系统效率随着输出电压变化的结果图9回流功率随着输入电压的变化曲线图10传输效率随着输出电压的变化曲线由以上结果可知，随着输出电压的增加，三种控制方式下系统回流功率随之增加，无论在轻载和额定负载下，TPS控制策略对回流功率具有较好的抑制作用，此时系统的传输效率更高，最高达到90.25%，平均传输效率在87.67%以上5、结论本文以双向有源全桥直流变换器为研究对象，分析传统控制方式下功率回流的现象使用相量分析法建立系统回流功率、有功功率、无功功率的数学模型，减小传统方法建模的运算量，通过分析双向直流变换器相量图的实际运行区域，提出一种基于三重移相的控制方法通过分析仿真结果可得如下结论：1)TPS控制策略可以有效减小系统回流功率的现象，提高系统的输出效率和动态性能2）基于相量分析法建立的数学模型，可以直观看出TPS控制下双向有源变换器的工作状态，该方法有明确的物理意义参考文献：[1]陈磊,欧家祥,张秋雁,等.电力电子变压器研究综述[J].电网与清洁能源,2015,31(12):36-42.[2]李子欣,高范强,赵聪,等.电力电子变压器技术研究综述[J].中国电机工程学报,2018,38(5):1274-1289.[3]刘彬,沈爱弟,高迪驹.混合动力船舶双向DC-DC变换器的研究与设计[J].现代电子技术,2014,37(24):133-137.[4]赵彪,于庆广,孙伟欣.双重移相控制的双向全桥DC-DC变换器及其功率回流特性分析[J].中国电机工程学报,2012,32(12):43-50.[9]沙广林,王聪,程红,等.移相控制的双有源桥DC-DC变换器统一相量分析法[J].电工技术学报,2017,32(18):175-185.[10]张勋,王广柱,商秀娟,等.双向全桥DC-DC变换器回流功率优化的双重移相控制[J].中国电机工程学报,2016,36(4):1090-1097.杜永,张亚光,李丽宏.双向有源直流变换器回流功率优化控制研究[J].现代电子技术,2020,43(11):172-175.基金:河北省自然科学基金资助项目(F2015402150);河北省教育厅资助项目(ZD2015087)。