输入串联输出并联双有源全桥DC-DC变换器多模块优化功率平衡控制方法
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2018 年 8 月 第 33 卷第 16 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
DOI: 10.19595/ki.1000-6753.tces.180464
Vol.33 No并联双有源全桥 DC-DC 变换器
Keywords：Power electronic transformer (PET), dual-active-bridge (DAB) DC-DC converter, power balance, efficiency, dynamic performance
国家自然科学基金青年基金资助项目（51707167）。 收稿日期 2018-03-29 改稿日期 2018-05-10
DC-DC Converters
An Feng Wang Song Yang Kexin （School of Electrical Engineering Southwest Jiaotong University Chengdu 610031 China）
Abstract Through the analysis of the operation characteristics and problems of dual-activebridge (DAB) DC-DC converters in the power electronic transformer (PET), this paper proposed a multi-module optimized power balance control scheme with triple phase-shift (TPS) to improve the efficiency, enhance the dynamic response and balance the transmission for the input-series-outputparallel operated DAB converters. Compared to traditional input voltage balance control scheme, the proposed control scheme can further improve the efficiency and dynamic performance under the input voltage step-change condition without increasing additional sensors. Finally, the traditional input voltage balance control and proposed multi-module optimized power balance control schemes were compared in a scale-down three-cell experimental platform using TMS320F28335+FPGA_6SLX45 as the core controller. The experimental results have verified the excellent performance of the proposed scheme and the theory analysis.
图 1 基于三级 PET 的级联多电平变换器拓扑 Fig.1 A cascaded three-cells multilevel PET converter topology
关键词：电力电子变压器 双有源全桥 DC-DC 变换器 多模块功率平衡 效率 动态性能 中图分类号：TM46
Multi-Module Optimized Power Balance Control Scheme of the Input-Series-Output-Parallel Operated Dual-Active-Bridge
多模块优化功率平衡控制方法
安 峰 王 嵩 杨柯欣
（西南交通大学电气工程学院 成都 610031）
摘要 通过分析电力电子变压器（PET）中的双有源全桥（DAB）DC-DC 变换器的运行特征 及所面临的问题，针对输入串联输出并联双有源全桥 DC-DC 变换器，基于三重相移（TPS）提出 一种多模块优化功率平衡控制方法以同时提高变换器的效率及动态性能，并实现各个模块的传输 功率均衡。相比于传统的输入电压均衡控制方法，该方法在不需要增加额外传感器的情况下，可 以进一步提高变换器的效率，加强变换器对于输入电压突变时的响应能力并实现各个 DAB 模块 的传输功率平衡。最后，搭建以 TMS320F28335+FPGA_6SLX45 为核心控制器的三单元输入串联 输出并联 DAB 变换器小功率实验样机，对所提多模块优化功率平衡控制方法与输入电压均衡控 制方法进行对比实验研究，验证了所提算法的正确性与有效性。
目前，被广泛采用的三级式 PET 拓扑[3]包括前 级的级联多电平整流器（Cascaded H-Bridge, CHB）、 中间级的输出并联双有源全桥（Dual-Active-Bridge, DAB）DC-DC 变换器以及后级的三相逆变器，如图 1 所示。这种高度模块化 PET 拓扑的优点是其可以 扩展应用至需要较高额定电压、额定功率的场合[4]。
第 33 卷第 16 期 安 峰等 输入串联输出并联双有源全桥 DC-DC 变换器多模块优化功率平衡控制方法 3733
0 引言
随着化石能源消耗引起的环境问题日益突出， 新能源发电、并网及传输等成为未来智能电网发展 的关键技术[1]。电力电子变压器（Power Electronic Transformer, PET）由于具有体积小、质量轻、可实 现电压调节、故障隔离、谐波抑制及无功补偿等诸 多优点而被视为未来可再生能源传输与能量管理的 关键设备之一[2]。
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
DOI: 10.19595/ki.1000-6753.tces.180464
Vol.33 No并联双有源全桥 DC-DC 变换器
Keywords：Power electronic transformer (PET), dual-active-bridge (DAB) DC-DC converter, power balance, efficiency, dynamic performance
国家自然科学基金青年基金资助项目（51707167）。 收稿日期 2018-03-29 改稿日期 2018-05-10
DC-DC Converters
An Feng Wang Song Yang Kexin （School of Electrical Engineering Southwest Jiaotong University Chengdu 610031 China）
Abstract Through the analysis of the operation characteristics and problems of dual-activebridge (DAB) DC-DC converters in the power electronic transformer (PET), this paper proposed a multi-module optimized power balance control scheme with triple phase-shift (TPS) to improve the efficiency, enhance the dynamic response and balance the transmission for the input-series-outputparallel operated DAB converters. Compared to traditional input voltage balance control scheme, the proposed control scheme can further improve the efficiency and dynamic performance under the input voltage step-change condition without increasing additional sensors. Finally, the traditional input voltage balance control and proposed multi-module optimized power balance control schemes were compared in a scale-down three-cell experimental platform using TMS320F28335+FPGA_6SLX45 as the core controller. The experimental results have verified the excellent performance of the proposed scheme and the theory analysis.
图 1 基于三级 PET 的级联多电平变换器拓扑 Fig.1 A cascaded three-cells multilevel PET converter topology
关键词：电力电子变压器 双有源全桥 DC-DC 变换器 多模块功率平衡 效率 动态性能 中图分类号：TM46
Multi-Module Optimized Power Balance Control Scheme of the Input-Series-Output-Parallel Operated Dual-Active-Bridge
多模块优化功率平衡控制方法
安 峰 王 嵩 杨柯欣
（西南交通大学电气工程学院 成都 610031）
摘要 通过分析电力电子变压器（PET）中的双有源全桥（DAB）DC-DC 变换器的运行特征 及所面临的问题，针对输入串联输出并联双有源全桥 DC-DC 变换器，基于三重相移（TPS）提出 一种多模块优化功率平衡控制方法以同时提高变换器的效率及动态性能，并实现各个模块的传输 功率均衡。相比于传统的输入电压均衡控制方法，该方法在不需要增加额外传感器的情况下，可 以进一步提高变换器的效率，加强变换器对于输入电压突变时的响应能力并实现各个 DAB 模块 的传输功率平衡。最后，搭建以 TMS320F28335+FPGA_6SLX45 为核心控制器的三单元输入串联 输出并联 DAB 变换器小功率实验样机，对所提多模块优化功率平衡控制方法与输入电压均衡控 制方法进行对比实验研究，验证了所提算法的正确性与有效性。
目前，被广泛采用的三级式 PET 拓扑[3]包括前 级的级联多电平整流器（Cascaded H-Bridge, CHB）、 中间级的输出并联双有源全桥（Dual-Active-Bridge, DAB）DC-DC 变换器以及后级的三相逆变器，如图 1 所示。这种高度模块化 PET 拓扑的优点是其可以 扩展应用至需要较高额定电压、额定功率的场合[4]。
第 33 卷第 16 期 安 峰等 输入串联输出并联双有源全桥 DC-DC 变换器多模块优化功率平衡控制方法 3733
0 引言
随着化石能源消耗引起的环境问题日益突出， 新能源发电、并网及传输等成为未来智能电网发展 的关键技术[1]。电力电子变压器（Power Electronic Transformer, PET）由于具有体积小、质量轻、可实 现电压调节、故障隔离、谐波抑制及无功补偿等诸 多优点而被视为未来可再生能源传输与能量管理的 关键设备之一[2]。