一種三有源橋變流器的建模和控制

摘要：在新能源日趨廣泛應(yīng)用的前景下，微網(wǎng)和電動(dòng)車輛的能源系統(tǒng)要求能連接不同的能源，因此多端口變流器在新能源發(fā)電和電動(dòng)汽車等方面的應(yīng)用得到了越來(lái)越多的關(guān)注。多端口變流器可容納不同的能源并結(jié)合它們各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其有利于實(shí)現(xiàn)能量系統(tǒng)內(nèi)部的協(xié)調(diào)和優(yōu)化控制。建立了三有源橋(TAB)變流器的平均狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出小信號(hào)模型和等效電路，最后基于小信號(hào)模型對(duì)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化進(jìn)行了討論，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出三有源橋變流器的性能。
關(guān)鍵詞：變流器；新能源發(fā)電系統(tǒng)；雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

1 引言
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于新能源發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，研究表明有必要采用合適的儲(chǔ)能單元(例如蓄電池和超級(jí)電容器)與可再生能源集成，解決可再生能源間歇性和響應(yīng)慢的問(wèn)題。利用儲(chǔ)能單元補(bǔ)充不足能量或吸收過(guò)剩能量，不僅可加快整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而且可提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和利用率。
電力電子變流器用于在混合儲(chǔ)能單元以及負(fù)載之間提供接口。相對(duì)于基于直流連接的多級(jí)功率變換結(jié)構(gòu)，具有高頻交流連接的單級(jí)功率變換結(jié)構(gòu)的多端口變流器近年來(lái)得到了越來(lái)越多的關(guān)注。這里提出一種新型基于高頻交流連接的三端口DC／DC變流器，由1個(gè)三繞組變壓器和3個(gè)采用移相控制的有源橋組成，又稱為三有源橋變流器。與其他多端口變流器相比，該變流器具有輸入電流紋波低、電氣隔離、軟開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)器件應(yīng)力低，控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。主要建立平均狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出小信號(hào)狀態(tài)方程，進(jìn)行雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

2 工作原理
三有源橋變流器主電路拓?fù)淙鐖D1所示。由3個(gè)高頻開(kāi)關(guān)橋和1個(gè)三繞組變壓器組成，3個(gè)開(kāi)關(guān)橋通過(guò)高頻變壓器耦合。每個(gè)開(kāi)關(guān)橋工作頻率固定，分別產(chǎn)生方波電壓ur12，ur56和ur34，該拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)三端口間的功率雙向流動(dòng)。除具有電氣隔離之外，變流器還具有如下優(yōu)點(diǎn)：①通過(guò)不同的繞組變比可以匹配不同的端口電壓等級(jí)；②其輸入端電流紋波小，適用于連接低壓蓄電池、超級(jí)電容器等儲(chǔ)能元件；③無(wú)需輔助電路實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)；④開(kāi)關(guān)器件應(yīng)力低等。

電路中3個(gè)端口的開(kāi)關(guān)橋頻率固定，占空比固定在0．5。三端口間的功率流動(dòng)采用移相控制，其中與電源Uin1，Uin2連接的兩個(gè)全橋單元與負(fù)載側(cè)半橋單元電壓之間的移相角分別定義為：φ13，φ53。通過(guò)控制φ13和φ53，可改變3個(gè)端口之間功率流動(dòng)的大小和方向，并且可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)輸入電源單獨(dú)或同時(shí)向負(fù)載提供功率。
盡管全橋功率器件數(shù)量要比半橋多，但對(duì)于半橋，若電流較大時(shí)，會(huì)增加電容體積和成本。這里提出的三有源橋變流器的低壓側(cè)端口分別連接低壓蓄電池和超級(jí)電容器，由于電流較大，因此采用全橋開(kāi)關(guān)單元更為合適。同時(shí)低壓側(cè)端口通過(guò)電感和電容連接低壓儲(chǔ)能單元，儲(chǔ)能單元的輸出電流紋波較小。高壓側(cè)為高電壓小電流，則采用半橋開(kāi)關(guān)單元，同時(shí)電壓還可提升一倍。