本文摘要：摘要：本文針對推挽式雙向DC/DC變換器中傳輸電感電流一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值為零，無法直接用狀態(tài)空間模型描述的問題，提出一種新型的模態(tài)平均分級(jí)建模方法，通過將模態(tài)平均電流代替周期平均電流，同時(shí)遵循功率守恒的準(zhǔn)則，將原電路解耦為前、后兩級(jí)分別建模
摘要：本文針對推挽式雙向DC/DC變換器中傳輸電感電流一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值為零，無法直接用狀態(tài)空間模型描述的問題，提出一種新型的模態(tài)平均分級(jí)建模方法，通過將模態(tài)平均電流代替周期平均電流，同時(shí)遵循功率守恒的準(zhǔn)則，將原電路解耦為前、后兩級(jí)分別建模，得到變換器低階非耦合的小信號(hào)數(shù)學(xué)模型。然后，設(shè)計(jì)以控制箝位電容電壓為目標(biāo)的電壓電流雙閉環(huán)控制器和以控制輸出電壓為目標(biāo)的移相環(huán)控制器，并從優(yōu)化系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)性能出發(fā)對控制器參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)。最后，在PSIM中搭建仿真模型，驗(yàn)證了所建立小信號(hào)模型的準(zhǔn)確性和所設(shè)計(jì)控制器的有效性。
關(guān)鍵詞：推挽式;雙向DC/DC變換器;狀態(tài)空間模型;模態(tài)平均建模
0引言
在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，雙向DC/DC變換器作為儲(chǔ)能單元和直流母線的接口，發(fā)揮著重要的作用[1⁃2]。儲(chǔ)能單元對電流紋波比較敏感，若輸入電流紋波較大，會(huì)在一定程度上影響儲(chǔ)能單元的使用壽命[3]。同時(shí)，儲(chǔ)能電池的電壓等級(jí)通常低于直流母線，這就要求接口變換器具有一定的升壓能力，另外，儲(chǔ)能用隔離DC/DC變換器需要具有功率雙向傳輸?shù)墓δ�。電流型雙向DC/DC變換器由于輸入側(cè)電感的存在，可以在減小輸入電流紋波的同時(shí)提高電壓增益，在儲(chǔ)能場合中應(yīng)用很廣[4⁃5]。
電機(jī)論文范例：關(guān)于直線電機(jī)的電梯門機(jī)控制系統(tǒng)的研究
常見的電流型DC/DC變換器包括不對稱半橋變換器、有源箝位雙Boost變換器、推挽式雙向DC/DC變換器[6]等。本文將重點(diǎn)對推挽式雙向DC/DC變換器展開研究。值得注意的是，學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)往往是變換器的工作原理和穩(wěn)態(tài)特性，而對變換器的動(dòng)態(tài)特性和閉環(huán)控制的研究比較少。在實(shí)際的儲(chǔ)能系統(tǒng)中，無論是負(fù)載的擾動(dòng)、儲(chǔ)能單元端電壓的變化，還是傳輸功率的正反向切換，都需要良好的閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行控制。
因此，對變換器建立準(zhǔn)確的小信號(hào)數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)相關(guān)閉環(huán)控制器就顯得尤為重要。常見的電路建模方法包括狀態(tài)空間平均法、擴(kuò)展描述函數(shù)法和離散時(shí)間法等。狀態(tài)空間平均法是最常見的電路建模方法，通過對不同模態(tài)的狀態(tài)方程進(jìn)行加權(quán)平均，得到系統(tǒng)整體的狀態(tài)空間平均模型，在變換器穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)引入擾動(dòng)量并進(jìn)行線性化處理，最終得到變換器的小信號(hào)數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[7]采用狀態(tài)空間平均法對交錯(cuò)并聯(lián)磁集成三電平雙向DC/DC變換器建立了數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)了閉環(huán)控制器。
擴(kuò)展描述函數(shù)法主要應(yīng)用在諧振式電路建模中。由于諧振式電路中開關(guān)頻率與諧振頻率非常接近，開關(guān)頻率的紋波不能進(jìn)行忽略，狀態(tài)空間平均法不再適用。擴(kuò)展描述函數(shù)法的核心是將非線性環(huán)節(jié)在正弦信號(hào)下的輸出，通過傅立葉分解只保留基波特性，從而得到線性環(huán)節(jié)的等效近似頻率特性，完成線性化處理。文獻(xiàn)[8]通過擴(kuò)展描述函數(shù)法完成了對雙向LLC諧振變換器的數(shù)學(xué)建模，并設(shè)計(jì)了控制環(huán)路反饋補(bǔ)償器。離散時(shí)間法是以變換器的工作模態(tài)為基礎(chǔ)，在時(shí)間域內(nèi)對不同工作模態(tài)的狀態(tài)變量進(jìn)行分析[9]，并反復(fù)迭代，直接獲得時(shí)間域內(nèi)數(shù)學(xué)表達(dá)式的一種方法。
文獻(xiàn)[10⁃11]應(yīng)用離散時(shí)間法對雙有源橋電路做了相關(guān)研究，在考慮輸出電容等效串聯(lián)電阻(EquivalentSeriesResistance，ESR)和數(shù)字延遲的基礎(chǔ)上，建立了雙線性離散時(shí)間模型，并分析了變壓器漏感、輸出電容ESR對控制參數(shù)穩(wěn)定性邊界的影響。對于推挽式雙向DC/DC變換器而言，傳輸電感電流一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值為零，無法用傳統(tǒng)的狀態(tài)空間平均法直接描述。擴(kuò)展描述函數(shù)法主要解決諧振電路的建模問題，不適合本電路。而離散時(shí)間法中迭代次數(shù)隨電路工作模態(tài)數(shù)量增加，過程比較復(fù)雜，并且不能直接指導(dǎo)控制器的設(shè)計(jì)，應(yīng)用起來比較困難[12]。
本文在研究推挽式雙向DC/DC變換器工作原理的基礎(chǔ)上，提出一種模態(tài)平均分級(jí)建模方法，通過模態(tài)平均電流代替周期平均電流，解決了狀態(tài)空間平均法無法直接描述傳輸電感電流狀態(tài)變量的問題。同時(shí)，為了達(dá)到合理降階，將原電路解耦為前、后兩級(jí)，建立了低階非耦合的小信號(hào)數(shù)學(xué)模型。
由于變換器有箝位電容電壓和輸出電壓兩個(gè)變量需要控制，分別設(shè)計(jì)了以控制箝位電容電壓為目標(biāo)的電壓電流雙閉環(huán)控制器和以控制輸出電壓為目標(biāo)的移相環(huán)控制器，從優(yōu)化系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)性能出發(fā)對控制器參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)。對所建立的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，獲得了良好的靜動(dòng)態(tài)性能，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制器參數(shù)的合理性。
1變換器拓?fù)浼肮ぷ髟?/p>
1.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)推挽式雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。低壓側(cè)開關(guān)管S1、S2為主控管，S3、S4為有源箝位管，連接箝位電容Cs。升壓電感L與低壓側(cè)變壓器原邊中心抽頭直接相連，構(gòu)成Boost升壓電路，從而構(gòu)成了推挽電路結(jié)構(gòu)。中間隔離級(jí)采用推挽變壓器，完成高壓側(cè)與低壓側(cè)的隔離，并通過傳輸電感Ls實(shí)現(xiàn)功率的傳輸。高壓側(cè)采用倍壓整流電路，S5、S6為同步整流管，C1、C2為倍壓電容，R為負(fù)載電阻。
V1為低壓側(cè)端口電壓，V2為高壓側(cè)端口電壓，vab為原邊折算電壓，vcd為副邊折算電壓。分析變換器的工作過程，可以對變換器實(shí)現(xiàn)如下拆分：①升壓電感L、低壓側(cè)全橋電路、變壓器T構(gòu)成升壓電路，輸入電壓V1經(jīng)過升壓后變?yōu)轶槲浑娙蓦妷篤Cs;②低壓側(cè)全橋電路、變壓器T、傳輸電感Ls和高壓側(cè)倍壓整流電路構(gòu)成了類雙有源橋電路，不同之處在于高壓側(cè)用半橋電路代替了全橋。箝位電容電壓經(jīng)過此電路實(shí)現(xiàn)功率傳輸。兩個(gè)電路共用功率開關(guān)管S1⁃S4和變壓器T。
2數(shù)學(xué)模型
本電路中儲(chǔ)能元件較多，若采用整體建模的方式，得到的數(shù)學(xué)模型階次較高，不利于控制器設(shè)計(jì)。并且傳輸電感電流一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)平均值為零，無法用狀態(tài)空間模型直接描述。對此，本文提出一種模態(tài)平均分級(jí)建模方法，通過將模態(tài)平均電流代替周期平均電流，將電感電流交流量用各模態(tài)直流量進(jìn)行描述，并按照功率守恒、電壓等級(jí)匹配的原則。
結(jié)論
本文提出了一種新型的模態(tài)平均分級(jí)建模方法，該方法解決了傳輸電感電流一個(gè)開關(guān)周期平均值為零，無法直接用狀態(tài)空間平均模型描述的問題，并將電路解耦成兩級(jí)并分別進(jìn)行建模，得到了推挽式DC/DC變換器的低階非耦合小信號(hào)數(shù)學(xué)模型。根據(jù)所得小信號(hào)模型，設(shè)計(jì)了以控制箝位電容電壓為目標(biāo)的前級(jí)電路的電壓電流雙閉環(huán)控制器和以控制輸出電壓為目標(biāo)的后級(jí)電路的單移相環(huán)控制器，從系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)靜態(tài)性能角度對控制器參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過負(fù)載突加減、變輸入電壓、正反向切換運(yùn)行等仿真驗(yàn)證了小信號(hào)模型的準(zhǔn)確性和控制器的有效性。
參考文獻(xiàn)
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作者：張純江，趙策，謝季芳，AHMADWaseem，喬玉璽，闞志忠∗
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