三级电流型推挽双向DC/DC转换器的建模与控制

《Electric Power Systems Research》：Modeling and control of three level current type push pull bidirectional DC/DC converter

三电平电流型推挽双向DC/DC转换器通过时间加权状态平均建模解决零均值电感电流建模难题，并设计输入电压与输出电流混合控制策略提升动态响应，实验验证3kW样机模型与控制有效性。

　　

孟贤辉|何浩|刘明|谢继芳|张春江

燕山大学电气工程学院，秦皇岛，066004，中国

摘要

隔离式双向DC/DC转换器是电力路由器中储能系统的核心设备。首先，分析了所提出的三级电流型推挽双向DC/DC转换器的工作原理，并指出在一个周期内传输电感电流的平均值为零。针对传统状态空间平均方法无法对周期性平均值为零的变量进行建模的问题，本文提出了一种基于时间权重的状态平均建模方法，并通过解耦转换器的低压侧和高压侧建立了其小信号数学模型。同时，为了提高系统的动态性能和响应速度，本文提出了一种功率模型混合控制策略，该策略能够在负载突然变化时快速将母线电压调整到新的稳定状态。最后，设计了一个额定功率为3千瓦的样机进行实验验证。实验结果证明了所提出数学模型的正确性和控制策略的有效性。

引言

近年来，新能源分布式发电的快速发展促进了智能电网的发展。未来，能源交易将变得越来越自由和灵活，电力系统的分配将逐渐从当前的“一对一”架构转变为“多对多”形式。因此，出现了能够实现能量多向流动和功率主动控制的电力路由器[1]。电力路由器中储能电池的电压水平与直流母线的电压水平有很大差异，通常使用隔离式双向DC/DC转换器来实现安全可靠的双向能量传输[[2], [3], [4]]。隔离式双向DC/DC转换器主要包括双有源桥（DAB）转换器、谐振转换器、半桥转换器等。DAB转换器具有较大的返功率，但软开关范围有限，且在储能侧电流纹波较大；谐振转换器仅在接近谐振点时效率较高，不适合输入电压范围较宽的应用[[5], [6], [7]]。本文提出的三级电流模式推挽双向DC/DC转换器可以实现高电压增益并减少电流纹波，适用于电力路由器等高电压增益应用。

参考文献[8]提出了一种基于多时间尺度混合系统模型的DAB转换器新建模方法，该方法将状态变量分为快速变量和慢速变量，去除了指数矩阵项，能够准确预测重要状态变量信息。参考文献[9]采用混合逻辑动态建模方法对DC/DC转换器进行建模，将开关周期划分为ν个子周期，然后引入ν个二进制逻辑变量将占空比划分为[0, 1]范围内的ν个子区间，从而实现DC/DC转换器的在线最优控制。然而，这种方法计算量较大且实时性能较差。参考文献[10]提出了一种用于建模三级飞电容降压DC/DC转换器的键图技术，这是一种基于电子场和能量守恒的多物理场建模工具，有助于全面系统建模。参考文献[11], [12]借鉴了电流纹波抑制技术，并应用函数描述方法对DC/DC转换器进行建模，适用于电流模式转换器，但受转换器调制参数的影响。参考文献[13], [14]采用广义状态空间模型对谐波转换器和分数阶转换器进行建模，该方法较为成熟，但由于本文中电流型DC/DC转换器的传输电感电流平均值为零的特点，该方法并不适用。本文提出了一种基于时间权重的状态平均小信号模型来解决这一问题。该建模方法不选择一个周期内的平均电感电流值作为状态变量，而是将电感电流分成多个段，并根据电路工作状态对它们进行平均。然后，将每个状态下的平均电流值乘以该状态的时间权重，最后通过叠加各状态得到一个周期的状态方程。同时，该方法解耦了电路的前后级，降低了系统的整体阶数，便于后续控制系统设计。表1将本文提出的建模方法与相关文献中的几种建模方法进行了比较。

在系统控制方面，基于输出电压反馈的双有源桥DC/DC转换器中广泛使用了单比例积分（PI）控制[15]，但由于输入电感中的电流无法瞬间变化，电压调节总是通过改变输入电流间接实现，因此存在明显的延迟[16]。参考文献[17]设计了基于输入电流控制的双比例积分（DPIC）控制，引入内部电流环后提高了动态性能。然而，该方法在动态控制优化方面仍存在局限性。为了进一步加快动态响应速度，参考文献[18]在DPIC方案中增加了输出电流前馈环，这在负载阶跃变化时对提高动态性能有显著效果。然而，该方法的动态性能依赖于前馈系数的优化[19]。参考文献[20]提出了一种主动阻尼策略，通过等效虚拟阻抗重塑小信号输入阻抗，以输入电压和输出电压为控制目标，建立了三重闭环控制结构，与传统控制方法相比，实现了更宽的带宽。参考文献[21]综合考虑了稳态和动态特性，提出了一种带有电流内环的直接功率控制方案，通过采样输出电压和电流优化了电流应力 and 动态响应。参考文献[22]通过引入基于单相调制的输出电流前馈闭环控制进一步改善了动态响应性能，但在其他干扰方面的解释不够充分。参考文献[23]提出了一种基于虚拟阻抗估计（VIE）的电流模式转换器直接功率控制方案，结合了实功率控制和VIE方法实现了快速动态控制。

本文提出了一种三级推挽电流模式双向DC/DC（TPPC-IBDC）转换器。首先对其工作原理进行了详细分析，并推导出一个开关周期内八种模式的时间权重值，为模型建立奠定了基础。其次，针对TPPC-IBDC的传输电感电流Ls在一个开关周期内的平均值为零的问题（传统状态空间方法无法对此进行建模），提出了一种基于模态时间权重的状态平均小信号模型。该建模方法不使用一个开关周期的平均值作为状态变量，而是取每个模式段的平均值，乘以该状态的时间权重，然后求和得到一个周期内的状态方程。此外，为了解决固定值负载模型不够准确的问题，提出了一种带有输入电压和输出电流反馈的功率混合控制（PHC-VCF）方法，有效改善了转换器的动态特性。进一步推导出了桥式开关比的表达式，表明桥式开关比与负载阻抗无关，即负载的性质不影响系统的动态特性。

部分摘录

拓扑结构分析

本文研究的三级电流模式推挽双向DC/DC转换器的拓扑结构如图1所示，工作波形如图2所示。

在图1中，V1和V2分别表示低压侧和高压侧的电压，L和Ls表示升压电感和传输电感，C1C8表示S₁-S₈的并联电容器，Cs是箝位电容器，C0是飞电容器，C9和C10是电压倍增电容器，D9和D10是箝位二极管。

转换器控制策略

在传统控制中，桥式开关之间的相位差由输出电压控制。输出电压与给定参考值之间的差值输入到PI补偿环节，得到φ，然后φ被转换为延迟时间，从而控制驱动信号。重复上述控制过程，直到输出电压达到给定值。

转换器性能测试

为了验证转换器数学模型的准确性和调节器的有效性，搭建了一个实验平台。实验参数与表3中的参数相同。实验平台的实物图如图15所示。为了满足电力电子设计的电压和电流安全阈值，选择了英飞凌公司的IPW65R041CFD开关器件，其规格为650V/68.5A；高压侧开关

结论

针对三级电流模式推挽双向DC/DC转换器在一个周期内传输电感电流的平均值为零的问题，以及传统状态空间模型无法建立的问题，本文建立了一种基于时间权重的转换器状态平均数学模型。该方法可以降低系统模型的整体阶数，有利于电路参数设计，并为转换器建模提供了新的方法。

资助

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52277203）和河北省自然科学基金（项目编号：F2023203091）的支持，张春江。

数据可用性

本研究分析的数据集可向相应作者提出合理请求后获取。

CRediT作者贡献声明

孟贤辉：撰写——原始草案、验证、方法论、研究、形式分析。何浩：撰写——审阅与编辑、软件实现、研究。刘明：撰写——审阅与编辑、软件实现。谢继芳：撰写——审阅与编辑、研究。张春江：研究、资金获取、概念构思。