貴定雙有源橋DC-DC[cityname]油浸式變壓器變換器傳輸開關組合規律的

清華大學電機系電力[cityname]油浸式變壓器系統及發電設備安全控制和仿真重點[cityname]油浸式變壓器實驗室的研究人員谷慶、袁立強、聶金銅、李婧、趙爭鳴，在2017年第13期《電工技術學報》上撰文，雙有源橋DC-DC[cityname]油浸式變壓器變換器（DAB）采用移相控制時擁有三個互相獨立的移相自由度，通過DAB一次側、二次側輸出電壓的解耦，將三個移相自由度任意組合下的DAB工作狀態劃分為12個模式。
對12個模式的[cityname]油浸式變壓器傳輸功率分別進行計算，推導各模式下[cityname]油浸式變壓器傳輸功率的取值范圍，并在此基礎上對三重移相控制下DAB的[cityname]油浸式變壓器傳輸功率特性進行研究。通過對三個移相自由度做一些特殊賦值，三重移相控制可以簡化為單重移相控制、拓展移相控制和雙重移相控制，研究這四種移相控制方法的[cityname]油浸式變壓器傳輸功率范圍，并對它們功率[cityname]油浸式變壓器傳輸的靈活性進行比較。后，通過[cityname]油浸式變壓器實驗驗證了理論分析結果。
電能路由器或者電力電子變壓器的[cityname]油浸式變壓器拓撲經過多年的發展，形成了目前具有代表性的三級式結構[1]，由輸入整流器、中間雙向隔離DC-DC[cityname]油浸式變壓器變換器（IsolatedBidirectional DC-DC Converter, IBDC）和輸出逆變[cityname]油浸式變壓器等三級組成。
輸入整流器和輸出逆變[cityname]油浸式變壓器主要由電力電子[cityname]油浸式變壓器變換器構成，其[cityname]油浸式變壓器拓撲和相應的控制策略已經有了較為成熟的研究。而中間的IBDC作為兩端能量匯集與耦合中心，在電力電子[cityname]油浸式變壓器變換器和高頻變壓器的共同作用下，屬于典型的銅、鐵和半導體組合[cityname]油浸式變壓器系統，在電能路由器中承擔著電氣隔離、電壓[cityname]油浸式變壓器變換和功率雙向[cityname]油浸式變壓器傳輸等核心功能。
IBDC是在傳統非隔離DC-DC[cityname]油浸式變壓器變換器的基礎上發展而來的，具有多種不同的[cityname]油浸式變壓器拓撲形式，目前應用廣泛的是一種被稱作雙有源橋（Dual ActiveBridge, DAB）DC-DC[cityname]油浸式變壓器變換器（后文簡稱DAB）的結構。與其他使用較少開關管的[cityname]油浸式變壓器拓撲相比，在器件承壓和通流能力一定的條件下，DAB具有更大的功率[cityname]油浸式變壓器變換能力[2]，有助于降低[cityname]油浸式變壓器系統的體積、提高[cityname]油浸式變壓器系統的功率密度。
DAB的典型[cityname]油浸式變壓器拓撲如圖1所示，由輸入H橋、高頻變壓器和輸出H橋等三部分組成，是典型的多變量、非線性、強耦合[cityname]油浸式變壓器系統。對其進行準確建模，進而對不同目標變量進行優化控制是DAB研究的熱點和難點。而DAB在[cityname]油浸式變壓器系統中的基本功能之一是承擔功率的雙向[cityname]油浸式變壓器傳輸任務，因此對[cityname]油浸式變壓器傳輸功率進行細致研究是DAB優化控制與運行的基礎和前提。
圖1 DAB的[cityname]油浸式變壓器拓撲結構

從控制角度出發，移相控制由于具有原理簡單、易于實現軟開關、[cityname]油浸式變壓器系統動態響應快等優點，成為DAB的主流控制方法。簡單的移相控制方法是單重移相（Single PhaseShift, SPS）控制，即給DAB的一次側H橋和二次側H橋分別施加一組具有一定移相角度的驅動信號，使得一次側、二次側H橋輸出兩個具有一定移相角度的方波電壓。定義移相角度與半個開關周期的比值為移相比，則通過對移相比進行調整，就可以實現功率的正向或反向[cityname]油浸式變壓器傳輸以及改變所要[cityname]油浸式變壓器傳輸的功率大小。
文獻[3]詳細分析了DAB在SPS控制下的工作原理，并在此基礎上推導了其功率[cityname]油浸式變壓器傳輸特性。此外，SPS控制還可以應用于具有其他結構的雙向DC-DC[cityname]油浸式變壓器變換器中，文獻[4]介紹了SPS控制在二極管鉗位三電平半橋雙向DC-DC[cityname]油浸式變壓器變換器中的應用，并對其[cityname]油浸式變壓器傳輸功率和軟開關進行了分析。SPS控制雖然原理簡單，但其不可避免地會產生較大的回流功率，同時在一次、二次電壓和變壓器匝比不匹配時，會產生較大的電流應力，造成[cityname]油浸式變壓器系統的損耗增大，降低[cityname]油浸式變壓器系統的效率。
鑒于此，文獻[5]提出了一種拓展移相（Extended Phase Shift, EPS）控制方法，除了一次側、二次側H橋之間原有的外移相比之外，又在某一個H橋內部的兩個橋臂之間新增了一個內移相比，在EPS控制下，DAB的回流功率得到了顯著降低。
文獻[6-10]進一步研究了EPS控制下DAB的回流功率、電流應力及軟開關等特性，并分別提出了對相應目標變量進行優化的控制策略。不同于EPS控制，文獻[11]在一次側、二次側兩個H橋內部同時設置內移相比，且保持兩個內移相比相等，從而提出了一種雙重移相（Dual PhaseShift, DPS）控制方法。文獻[11]對DPS控制下DAB的[cityname]油浸式變壓器傳輸功率進行了細致分析，并與SPS控制進行了對比研究，但是該文獻并沒有對DPS控制可能出現的所有情況進行分析，而只研究了其中的兩種情況，從而導致[cityname]油浸式變壓器實驗結果與理論分析不盡相同。文獻[12]對DPS控制的所有模態進行了分析，并推導了電流應力小的條件以及更優電流控制的原理和實現方案。
事實上，當采用移相控制時，DAB具有三個互相獨立的控制自由度，即一次側H橋的內移相比、二次側H橋的內移相比和兩個H橋之間的外移相比，當一個DAB[cityname]油浸式變壓器系統同時具有上述三個獨立的移相比時，即稱之為工作于三重移相（Triple PhaseShift, TPS）控制方法下。SPS控制、EPS控制和DPS控制均是TPS控制的一種特殊情況，因此對TPS控制進行研究更具有一般性和普遍適用性，也能夠更加充分地挖掘DAB控制自由度之間的組合對[cityname]油浸式變壓器系統性能提升的能力。目前關于TPS控制的研究尚處于起步階段。
文獻[13-16]分別分析了TPS控制的工作原理，對TPS控制下DAB的[cityname]油浸式變壓器傳輸功率、軟開關、回流功率和電流應力等特性進行了研究。但是上述文獻都只涉及TPS控制下的某一個或幾個模式分析，不能全面反映移相自由度的任意組合以及電路參數的變化對[cityname]油浸式變壓器系統性能的影響。實際上，由于三個移相自由度之間的相互獨立，對于圖1所示的DAB[cityname]油浸式變壓器系統，其具有無窮多種開關組合狀態，因此如何對TPS控制下可能出現的所有模式進行完全分類是TPS控制的基礎和難點。
本文首先分析TPS控制的工作原理，并對TPS控制下可能出現的所有模式進行分類，在此基礎上對不同開關組合下DAB的[cityname]油浸式變壓器傳輸http://pingwu.76yo.com/功率特性進行研究。通過對三個移相自由度進行簡化處理，對比研究SPS控制、EPS控制、DPS控制和TPS控制下DAB的[cityname]油浸式變壓器傳輸功率特性差異。后通過[cityname]油浸式變壓器實驗對理論分析結果進行驗證。
結論
本文首先分析了雙有源橋DC-DC[cityname]油浸式變壓器變換器三重移相控制的工作原理，接著針對三個移相自由度的可能組合將三重移相控制劃分為12種工作模式，在此基礎上對任意開關組合下DAB的[cityname]油浸式變壓器傳輸功率進行了計算。通過對三重移相控制進行簡化，可以將其降階為單重移相控制、拓展移相控制和雙重移相控制。
詳細分析了四種移相控制方法的[cityname]油浸式變壓器傳輸功率特性，結果表明：四種移相控制方法具有相同的功率[cityname]油浸式變壓器傳輸范圍，但就功率[cityname]油浸式變壓器傳輸的靈活性而言，三重移相控制具有極大的優勢，而拓展移相控制相較雙重移相控制而言靈活性更強，單重移相控制的功率[cityname]油浸式變壓器傳輸靈活性弱，通常欲[cityname]油浸式變壓器傳輸一定的功率，其只有兩個可供選擇的外移相比。
后搭建了DAB[cityname]油浸式變壓器實驗平臺對本文的理論分析結果進行了驗證，[cityname]油浸式變壓器實驗結果和理論分析能夠很好地匹配，證明了理論分析的正確性。