双有源桥DC-DC变换器虚拟仿真实验平台设计

为了消除实验过程中因硬件平台故障引起的实验失败,快速验证各类控制策略,直观展示实验结果,建立了基于Matlab/Simulink软件下的双有源桥DC-DC变换器虚拟仿真实验平台。平台由GUI与Simulink工具箱内仿真模型构成,GUI界面简洁明了,通过波形显示的方式直接展示实验结果。实验平台内置多种控制策略并可进行二次开发,为学生提供学习该变换器控制策略提供了实例,增强学生对该变换器的了解并激发探索新的控制策略。

死区影响下双有源桥DC-DC变换器的改进型协同三移相控制

双有源桥(dual-active bridge,DAB)DC-DC变换器在传统的协同三移相控制(cooperative triple-phase-shift,CTPS)下,能在消除两侧回流功率的同时取得更优的电流特性和传输效率,但上述优化算法未考虑死区时间对电压、电流以及优化效果的影响。为此,通过分析不同功率段内死区时间对DAB电压、电流波形以及回流功率优化效果的影响,基于电感伏秒平衡特性推导出包含死区的新移相比计算式,建立含有死区的传输功率模型和功率临界点。在此基础上,提出一种改进的协同三移相控制(improved cooperative triple-phase-shift,ICTPS)策略,实现了不同功率段内死区影响的抑制。最后,在搭建的试验样机上进行了对比实验,实验结果验证了关于死区影响理论分析的正确性,以及所提ICTPS控制策略对死区影响抑制的有效性。

双有源桥DC-DC变换器回流功率优化策略研究

针对双有源桥DC-DC变换器在功率传输过程中回流功率过大的问题,基于双重移相控制,提出一种分段优化控制策略对回流功率进行优化。通过定义功率分段点,对输出功率进行分段。当输出功率低于功率分段点时,电路实现零回流功率运行;当输出功率高于功率分段点时,电路实现最小回流功率运行。最后,搭建了1台250 W的实验样机。实验结果表明,与传统移相控制方式相比,分段优化控制策略能有效减少双有源桥DC-DC变换器的回流功率,提高电路工作效率。

双有源桥DC-DC变换器线性自抗扰控制

针对双有源桥DC-DC变换器单重移相控制电流应力大,采用传统PI控制动态特性差等问题,为同时优化变换器电流应力和动态特性,在扩展移相控制下,提出一种线性自抗扰控制结合直接功率控制的电流应力优化方案。通过建立扩展移相各个状态下的数学模型,推导出电流应力的全局最优解,将线性自抗扰控制器引入电压环,与直接功率控制相结合,输出传输功率标幺值至电流应力优化算法中,计算对应移相角。仿真和实验结果表明:新优化控制策略能在减小电流应力的同时提高变换器的动态响应能力。

基于改进模糊PI控制的双有源桥DC-DC变换器

在直流微电网中,针对直流负载扰动的过程会造成直流电压动态响应速度缓慢;同时,负荷投切时会引起直流电压超调量大的问题。采用改进模糊PI控制,并将其应用在直流微电网中储能单元的双有源桥DC-DC变换器。首先,在现有模糊PI控制中加入预处理环节,该环节对直流电压的误差大小进行及时判断与跟踪,使直流母线电压迅速达到参考值,提高了直流电压的动态响应速度;其次,分析了现有模糊PI控制算法的规则表对参数调节过程中存在精确度不足的规则,对其进行修改得到改进模糊PI控制的规则表,以减小直流电压的超调量;最后,对所提的改进模糊PI控制进行仿真对比验证。仿真结果表明:对现有的PI控制器和模糊PI控制器而言,改进的模糊PI控制器在稳态响应速度、超调量以及抗干扰性能上得到显著提高,提高了直流母线电压质量。

基于FPGA控制的双有源桥DC-DC变换器仿真实验平台设计

介绍了一种基于FPGA控制的逆变器仿真实验平台设计。该设计运用半实物仿真技术,在FPGA中虚拟出双有源桥DC-DC变换器(DAB)有关的实验平台,由FPGA、DSP和上位机三部分组成。FPGA采用SparkRoad FPGA,用来在内部虚拟出一个DAB变换器电路,接收控制器发来的信号,处理仿真器内部信息,最后将结果上传至上位机系统;DSP采用TMS320F28335,用来产生模拟DAB变换器电路中的IGBT开关信号,并将开关信号以PWM波的方式传给FPGA进行处理;上位机采用的是个人电脑,用来与另外两部分进行串口通信。通过性能测试,该设计达到了预期的功能。

基于开关组合规律的双有源桥DC-DC变换器传输功率特性

双有源桥DC-DC变换器(DAB)采用移相控制时拥有三个互相独立的移相自由度,通过DAB一次侧、二次侧输出电压的解耦,将三个移相自由度任意组合下的DAB工作状态划分为12个模式。对12个模式的传输功率分别进行计算,推导各模式下传输功率的取值范围,并在此基础上对三重移相控制下DAB的传输功率特性进行研究。通过对三个移相自由度做一些特殊赋值,三重移相控制可以简化为单重移相控制、拓展移相控制和双重移相控制,研究这四种移相控制方法的传输功率范围,并对它们功率传输的灵活性进行比较。最后,通过实验验证了理论分析结果。

一种基于损耗模型的双有源桥DC-DC变换器效率优化方法

对双有源桥DC-DC变换器(DAB)系统中的各部分损耗进行建模,并依据此模型,以提升效率为目标,对DAB系统进行优化设计。首先,介绍单移相调制策略下的DAB工作原理,并推导漏电感电流有效值的解析表达式。为突出DAB的电流波形特征,引入电压转换比的概念,这一概念与变压器匝比相关。然后,介绍损耗建模方法。DAB系统的损耗主要分为两部分,一部分源于半导体器件;另一部分源于高频隔离变压器及电感。两者的损耗数值不仅由本身的材料特性决定,同时与运行工况紧密相关,如传输功率、电压、电流等。将单移相调制下的DAB电流、电压波形特征,与器件和变压器的本身特性结合考虑,解析建立DAB的稳态损耗模型。并在此基础上,通过数值计算的方法,对电压转换比进行优化设计,同时优化移相比的选择,增强软硬件的适配性,提升DAB的整体效率。最后,通过实验对所建损耗模型及优化方法进行了验证。

基于傅里叶级数建模的双有源桥DC-DC变换器电流有效值分析

采用傅里叶级数求和的方法建立双有源桥DC-DC变换器在移相控制下统一的数学模型,针对双有源桥DC-DC变换器直流侧电压不匹配时在传统单移相控制方式下电感电流有效值过大的问题,提出了优化电感电流有效值的双重移相控制方式。对工作在升压、降压、电压平衡状态下的双有源桥DC-DC变换器在传统单移相、双重移相控制方式下电感电流有效值随传输有功功率变化的情况进行对比分析。在此基础上根据变换器工作在升压、降压状态,提出对应的双重移相控制方式,以达到优化电感电流有效值的目的,使工作在该状态下的变换器具有更小的通态损耗,提高了变换器的效率。实验验证了该双重移相控制方式的有效性和优越性。

结合电流应力优化与虚拟电压补偿的双有源桥DC-DC变换器三重移相优化控制

为了同时减小双有源桥(DAB)DC-DC变换器的电流应力和提高动态响应速度,该文在建立三重移相下六种模式的传输功率、电流应力等工作特性模型的基础上,提出一种基于三重移相的结合电流应力优化与虚拟电压补偿的控制方法。该方法由电流应力最优移相角模型和虚拟电压补偿方法构成,通过KKT条件获取电流应力最优的移相角模型,结合虚拟电压补偿方案估算传输功率值以提高负载突变及输入电压扰动时的动态响应速度。该方法在保证电流应力优化的同时,能够实现快速的动态响应,并且参数易于调节,可移植性好。最后,搭建了一台小功率样机进行三种方案的对比实验,验证了该文控制方法的正确性及优越性。

基于动态矩阵控制的双有源桥DC-DC变换器电流应力优化策略

为了提高拓展移相控制的双有源桥DAB(dual active bridge)DC-DC变换器的电压动态响应性能,降低系统的电流应力,利用使电流应力最小的优化相移比与输出电压之间的关系,提出了一种将电压动态矩阵控制DMC(dynamic matrix control)算法与变换器电流应力优化方法相结合的控制算法,并从预测模型、滚动优化和反馈校正3个环节详细介绍了DAB的DMC电压预测控制的具体实现过程。最后,将所提控制方法与电压闭环PI控制的拓展移相电流应力优化算法进行了仿真比较。仿真结果表明:该方法不仅减小了电流应力,而且在变换器启动阶段、输入电压突变和负载突变时大大改善了变换器的电压动态响应性能。

双有源桥DC-DC暂态直流偏置分析和抑制策略研究

基于双有源桥DC-DC变换器,以双移相控制原理为基础,分析负载瞬变时引起变压器交流部分出现直流偏置的原因,在不增加隔直电容等额外硬件条件下,提出基于不对称外移相下的双移相数字控制策略,使用基于预测电流控制的单PI闭环控制系统,不仅满足了控制要求,还解决了多PI控制环路控制参数整定困难等难题。数字仿真和样机实验结果表明,本文直流偏置的抑制均取得了很好的效果,为单相电压源型双有源桥DC-DC变换器实现航空电气系统储能系统最优控制提供了很好的理论及实验依据。

扩展移相控制的双有源桥DC-DC变换器的优化控制策略

该文将扩展移相控制下的双有源桥DC-DC变换器分为0≤D1≤D2≤1与0≤D2<D1≤1两种工作模式,分析扩展移相控制下的电流应力特性与零电压导通特性,推导在此控制方式下全功率范围内实现最小电流应力的优化方案,该方案能使所有开关管在全功率范围内实现零电压导通。对比该方案与现有的扩展移相控制方案、双重移相控制方案、三重移相控制方案的电流应力优化效果与零电压导通特性。同时,该文将双有源桥DC-DC变换器的稳态性能与动态性能的优化相结合,为增强其动态性能,提出环内直接功率控制方案,该方案与最小电流应力控制方案同时作用,当运行状况发生变化后,在保证对电流应力优化的同时,能实现快速的动态响应。最后通过实验结果验证该方案的有效性。

双有源桥DC-DC变换器最小回流功率控制策略

针对回流功率造成的双有源桥DC-DC变换器运行效率低的问题,在双重双向内移相调制策略的基础上,提出了一种最小回流功率控制策略。该控制策略通过寻求最优的移相比组合,实现了全功率范围内最小回流功率控制。介绍了双重双向内移相的工作原理并建立其传输功率以及回流功率的数学模型,提出了最小回流功率控制策略,最后通过试验验证了控制策略的有效性。

双有源桥DC-DC变换器虚拟直接功率控制策略

动态响应特性是双有源桥(Dual Active Bridge,DAB)DC-DC变换器的一个关键指标。为了提高DAB DC-DC变换器在系统发生扰动时的动态响应速度,在单移相控制的基础上,结合直接功率前馈控制(Direct Power Feed-Forward Control,DPFFC)策略,提出了一种虚拟直接功率控制(Virtual Direct Power Control,VDPC)策略,并建立了VDPC策略下系统发生扰动时的小信号模型,该控制方法无电感、无变压器变比等电路参数参与控制,提高了控制方法的兼容性。最后,在Matlab/Simulink仿真平台上,对虚拟直接功率控制和直接功率前馈控制进行了对比仿真,仿真结果表明:在DAB DC-DC变换器输入电压和负载发生扰动时,虚拟直接功率控制方法具有更快的动态响应性能,且能保证输出电压基本不变。

双有源桥DC-DC变换器传导干扰分析

电力电子变压器中广泛采用双有源桥(DAB)DC-DC变换器结构,电磁干扰现象复杂,针对其传导干扰内在机理的研究较少。对此,文章首先针对线性阻抗稳定网络(LISN),仿真分析了其在不同位置时测量结果所呈现的差异;之后,针对开关管数量较多、对地寄生电容较复杂不利于分析的问题,提出了在不同时刻分别考虑左右全桥对地电容的方法,并借助建立部分单元等效电路来依次分析其共模和差模干扰产生的机理,结合时域和频域内的仿真进行验证;最后,对整个电路的传导干扰进行综合分析,指出左右全桥对地电容对传导干扰的影响及存在的差异。

双有源桥DC-DC变换器升降压功率特性优化控制

双有源桥DC-DC变换器工作在升压、降压状态下时,在传统单移相控制下,电压的不匹配程度会影响变换器的超前桥、滞后桥以及电感上的功率分布情况,进而增加变换器的通态损耗。引入内移相角的双重移相控制可以改变输入、输出侧的电压波形,进而优化流过超前桥、滞后桥的无功功率,在改变变换器的功率特性的同时增加了控制的自由度和灵活性。在此基础上提出了变换器工作在升压、降压状态下,以电感上的无功功率为优化目标的双重移相控制策略,减小了变换器的整体无功功率和通态损耗,从而提高变换器的效率。最后通过试验验证了该双重移相控制方式的有效性和优越性。

基于三重移相控制的双有源桥DC-DC变换器性能综合优化

双有源桥DC-DC变换器(DAB)在三重移相(TPS)控制下拥有3个独立的控制自由度,通过移相自由度的合理组合可以减小DAB的电流应力,然而软开关分析表明,当DAB的电流应力处于最优状态时,系统的效率并不一定是最优的。该文在电流应力优化控制的基础上,提出一种同时考虑电流应力和效率的DAB性能综合优化方法。首先,基于DAB的开关组合规律建立了TPS控制下DAB的损耗模型,通过换流回路分析,对任意开关组合下功率半导体器件的通态损耗、开关损耗,磁性元件的铜耗和铁耗分别进行计算。在此基础上,引入效率优化权重,构建综合考虑电流应力和效率的优化目标函数,采用二维遍历算法寻优获得DAB综合性能最佳时的工作点。实验对比了单独优化电流应力或者效率时DAB的性能差异,通过合理选择效率优化权重,使得实验样机在传输6kW功率时的效率绝对增加了0.83%,而电流应力只增加了0.5A。该方法可以在基本不增加电流应力的前提下,有效提高DAB的效率。

一种考虑最坏工况的双有源桥变换器参数优化设计方法

针对以MOSFET为开关器件的双有源桥DC-DC变换器,提出一种漏感和变压器变比参数的优化设计方法,克服了传统参数优化设计方法无法兼顾计算复杂度和效率优化效果的问题。首先,由无损电路模型推出了双有源桥变换器的参数优化问题,通过损耗成分及最坏工况分析,简化了参数优化问题。然后,推导得到了单移相调制和统一的三移相调制方法的最优电路参数的表达式,可直接计算得到最优参数值。最后,在搭建的1kW双有源桥变换器实验平台,验证两种调制方法下所提参数优化设计方法的有效性。实验结果表明,所提方法与实际最优参数对应的最坏工况效率的最大误差为0.3%,相比传统固定参数方法最坏效率高了2%,有效地提升了双有源桥变换器的效率性能。

基于模糊PI的复合电源双向DC-DC变换器研究

针对电动汽车复合电源中基于传统PI的双重移相控制双有源桥DC-DC变换器在负载和输入电压出现扰动时存在动态响应速度慢和超调量大的缺陷,通过有机结合传统PI和模糊逻辑控制,提出基于模糊PI的双重移相控制策略。首先分析双重移相控制下变换器的具体工作过程和功率特性,然后阐述基于模糊PI的双重移相控制实现方式,并详细说明模糊PI控制器的设计方法。最后通过实验论证所提出的控制策略可以有效提高变换器的动态响应速度和鲁棒性,减小输出电压波动。