双向全桥DC_DC变换器回流功率优化的双重移相控制_张勋_王广柱_商秀娟_王婷

uL
U1 + nU2 nU2 U1 − nU2 −nU2
−U1 + nU2
iL
−U1 − nU2
t t0 t'1 t1 t2 tHale Waihona Puke Baidu t'4 t4 t5 t6
图2
变换器的工作原理波形
Waveforms of dual-phase-shifting control
电压； uh2 为 U2 侧全桥的逆变输出折合到 U1 侧后的 电压；uL 为串联电感加变压器漏感 L 的端电压；iL 为电感电流； n 为变压器变比； Ths 为半个开关周期。 每个全桥的上下开关管互补导通，原边全桥的对角 开关管之间存在一个移相比，本文用半个开关周期 内 U1 侧全桥内的移相比 D1 来表示(即移相比 = 移相 角/PI)，称其为内移相比；两个全桥之间存在移相 比，这里用半个开关周期内 U1 侧全桥与 U2 侧全桥 的移相比 D2 来表示，称其为外移相比， 0 ≤ D1 ≤ D2 ≤ 1。 由图 2 可知，在(t1—t'1)和(t4—t'4)时间段内，电 感电流与变压器原边侧电压相位相反，在这段时间 内电感中储存的能量回流到电源侧，即功率回流现 象， 将这部分功率定义为回流功率； 同时可以看出， 相对 SPS 控制，采用 DPS 控制减小了回流功率和 电感电流应力，这可降低对开关器件的要求，减小 变换器损耗，提高变换器功率因数。
0 引言
双向 DC-DC 变换器[1-2]能够在保持变换器两端 电压极性不变的情况下实现能量的双向流动，相对 传统的单向 DC-DC 变换器节省了器件数目，减小 了变换器的体积，提高了系统功率因数。随着电动 汽车、不间断电源 (uninterruptible power supply ， UPS) 、风能发电等绿色能源的快速发展，双向 DC-DC 变换器得到越来越广泛的应用[3-10]。 近年来，对双向全桥 DC-DC 变换器控制方式 的研究主要集中在移相控制[11-12]方面，因为这种控 制方式容易实施且有利于软开关的实现。传统的单 移相(single-phase-shifting，SPS)控制[13-14]方式，不 易实现功率流动方向的切换，且在输入输出电压不 匹配时，容易导致变换器的回流功率和电流应力增 大，降低了系统功率因数，增加了变换器损耗。为 了弥补 SPS 控制的不足，改善系统特性，相关文献
(1. Key Laboratory of Power System Intelligent Dispatch and Control (Shandong University), Ministry of Education, Jinan 250061, Shandong Province, China; 2. Qinhuangdao Power Supply Company, Qinhuangdao 066000, Hebei Province, China) ABSTRACT: Isolated bidirectional dual-active-bridge dc-dc converters (IBDC) with single-phase-shifting (SPS) control strategy would produce large backflow power and current stress which lead to increasing losses. This paper proposed a backflow-power-optimized dual-phase-shifting (DPS) control strategy by establishing the mathematical models of transmission power and backflow power of the IBDC, deducing the relationship equation between the backflow power and phase-shift ratios and the input/output voltage conversion ratio. This strategy is aiming to minimize the backflow power. The optimal phase-shift ratios were calculated by using the segmentation optimization algorithm in different ranges of transmission power and input/output voltage conversion ratio. The backflow power curves under the proposed DPS and SPS control conditions were analyzed and compared. Then an optimization control algorithm and a system control scheme of the IBDC were presented, furthermore an experimental prototype was developed based on this strategy. The experimental results verify the effectiveness and feasibility of the proposed control strategy. KEY WORDS: bi-directional DC-DC converter; phaseshifting control; backflow power; optimal control; high frequency transformer 摘要：隔离式双向全桥 DC-DC 变换器(isolated bidirectional dual-active-bridge DC-DC converter，IBDC)采用单移相控制 时会产生较大的回流功率和电流应力， 导致损耗增加。 该文 通过建立 IBDC 采用单和双重移相控制时的输出功率及回
基金项目：国家自然科学基金项目(51177095，51277115)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51177095, 51277115).
流功率数学模型，推导出回流功率与移相比及输入/输出电 压调节比之间的数学关系， 提出一种以回流功率最小为目标 的双重移相回流功率优化控制策略。 该控制策略根据传输功 率及输入/输出电压调节比所处的不同范围，采用分段优化 方法，得出各范围内的最优内移相比。通过仿真计算，对比 研究该优化策略与单移相控制下的回流功率曲线。 文中给出 详细的优化控制算法和系统控制方案， 并基于该方案设计制 作实验样机。 实验结果验证了所提出双重移相回流功率最优 控制策略的有效性与可行性。 关键词：双向 DC-DC 变换器；移相控制；回流功率；最优 控制；高频变压器
2 变换器回流功率分析
由图 2 知， 在每两个时间段之间电感电流 iL 都 存在如下关系：
1092
中
国
电
机
工
程
学
报
第 36 卷
diL uh1 − uh2 = dt L
内，iL 的平均值为零。 对 DPS 控制有：
(1)
当变换器工作在稳定状态时，在一个开关周期
pSPS = 4 D2 (1 − D2 ) [k + (2 D2 − 1)]2 q = SPS 2(k + 1)
第4期
张勋等：双向全桥 DC-DC 变换器回流功率优化的双重移相控制
S1 U1
+ −
1091
Q1 Q DQ1 3 DQ3 C2 Q4 DQ2 DQ4
+ U2 −
分别从 硬件 电路和 控制 方式上 进行 了改进 。文 献 [15-16] 在全桥电路的基础上增加了相关电路来 提高系统特性，取得了一定的效果，但同时引出新 的问题，如器件花费增多、新增器件引起损耗、硬 件电路及控制方式变得复杂等。在不增加硬件电路 的基础上，文献[17]提出一种可以实现功率流动方 向瞬时转换的电感电流控制模型，通过给定输出电 流平均值信号来判断变换器功率传输带额大小和 方向，从而控制两个全桥间的移相关系；在实现变 换器功率方向切换时，该控制方法可以提高系统的 动态性能。文献[18-19]首先提出并分析了一种双重 移相(dual-phase-shifting，DPS)控制方式，该控制方 式同时调节两个移相角，即全桥间移相角及两个全 桥内的移相角，由于增加了一个控制变量，扩大了 传输功率的调节范围。针对该双重移相控制，文 献[20]对系统回流功率、电感电流应力、电感电流 有效值特性及各特性下的软开关实现范围进行了 对比分析，并采用查表法获得各特性最小时移相角 的选取，但该方法不具有一般适用性。文献[21]提 出一种电感电流应力最优的控制策略，减小了电感 电流应力，降低了系统回流功率，扩大了软开关实 现范围。文献[22]提出一种三移相控制方式，该控 制方式有 3 个控制变量，即两个全桥间移相角、变 压器原边全桥内移相角及变压器副边全桥内移相 角；由于变量较多，该控制方式需要对多种工作状 态进行分析，较为复杂。 区别于文献 [18-20] 中采用的 DPS 控制，文 献[23]提出的 DPS 控制只在两个全桥之间及一侧全 桥内有移相角，这种控制方式同样能够减小系统回 流功率和电流应力。为了使变换器工作在回流功率 最小状态，本文在文献[23]的基础上，分析 DPS 控 制下回流功率最小时两个移相角的选取方法，提出 一种回流功率最优控制策略，并进行实验验证。
An Optimized Strategy Based on Backflow Power of Bi-directional Dual-active-bridge DC-DC Converters With Dual-phase-shifting Control
ZHANG Xun1, WANG Guangzhu1, SHANG Xiujuan1, WNAG Ting2
(7)
由式(6)、(7)可以得到 SPS、DPS 控制方式的
第 36 卷 第 4 期 1090 2016 年 2 月 20 日
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE
报
Vol.36 No.4 Feb. 20, 2016 ©2016 Chin.Soc.for Elec.Eng. 中图分类号：TM 46
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2016.04.023
Fig. 2 Fig. 1
DS1 L
+
S3
DS3 T
C1 S2
uh1 + uh2 − n :1 Q S4 2 DS2 DS4
图1
双向全桥 DC-DC 变换器
Bi-directional full-bridge DC-DC converter
uh1 D T 2 hs D1Ths U1 Ths
−U1 uh2 nU2 −nU2
文章编号：0258-8013 (2016) 04-1090-08
双向全桥 DC-DC 变换器回流功率优化的 双重移相控制
张勋 1，王广柱 1，商秀娟 1，王婷 2
(1．电网智能化调度与控制教育部重点实验室(山东大学)，山东省 济南市 250061； 2．秦皇岛供电公司，河北省 秦皇岛市 066000)
1 双重移相控制工作原理
典型的双向全桥 DC-DC 变换器的拓扑结构如 图 1 所示，由一个高频变压器 T、电感 L(外串电感 加变压器漏感)、变压器两边的有源全桥及电容 C1、 C2 和电源 U1、U2 组成。可以根据变换器两边能量 的需求关系来控制功率的传输方向，下面以功率由 U1 侧传输到 U2 侧为例进行分析。 变换器的工作波形如图 2 所示，图中：U1 和 U2 为变换器两端电压；uh1 为 U1 侧全桥的逆变输出