DAB變換器控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

北方工業(yè)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院 王 鵬 魏耀全

本文根據(jù)DAB雙有源橋變換器有關(guān)電路仿真拓?fù)浠窘Y(jié)構(gòu)，了解其電路工作原理，以此依據(jù)推導(dǎo)設(shè)計(jì)出DAB雙有源橋變換器小信號(hào)模型，在Matlab/Simulink軟件中，搭建了以單移相調(diào)制的DAB雙有源橋變換器仿真控制算法模型，用電壓閉環(huán)控制來真實(shí)觀察其輸出電壓、負(fù)載電流以及額定輸出功率等信號(hào)波形，實(shí)現(xiàn)了輸入電壓DC400V，輸出電壓DC48V，功率500W以及輸出電壓誤差≤1%的技術(shù)指標(biāo)要求。

1 DAB雙有源橋變換器的數(shù)學(xué)模型

1.1 工作原理

DAB雙有源橋變換器由前后兩級(jí)構(gòu)成，前后都是H全橋電路，中間由變壓器連接，并在左側(cè)全橋電路輸出端串聯(lián)電感，DAB雙有源橋變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 DAB雙有源全橋變換器原理圖

圖2 DAB變換器單移相控制工作原理波形

圖1中：V1和V2分別為輸入和輸出側(cè)電壓源，C1為前級(jí)電路直流濾波電容，C2為后級(jí)直流濾波電容。DAB變換器前后兩級(jí)的電路是對(duì)稱全橋結(jié)構(gòu)。為了控制功率傳輸?shù)姆较蚝痛笮。ㄟ^控制開關(guān)管S1-S8并施加適當(dāng)?shù)拿}沖，可以交替打開和關(guān)閉開關(guān)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)雙向能量傳輸。

1.2 數(shù)學(xué)模型

忽略電路損耗，考慮前級(jí)的瞬時(shí)功率和后級(jí)瞬時(shí)功率等同，有以下方程式：

式中：v1是V1的瞬時(shí)值；v2是V2的瞬時(shí)值。

DAB雙有源變換器的輸入功率得到：

式中：d = to /T為占空比；to如圖2中所示。

則電流i1、i2分別為：

對(duì)電流i1、i2在施加擾動(dòng)于靜態(tài)工作點(diǎn)附近，這樣就得到了DAB小信號(hào)模型：

對(duì)式（2.3）進(jìn)行高等數(shù)學(xué)計(jì)算，得到：

根據(jù)上述公式即可得出DAB雙有源橋變換器的等效電路圖，如圖3所示。

圖3 DAB雙有源橋變換器等效電路

從圖3可知，傳遞函數(shù)Gvd以及Gvi分別為：

1.3 仿真參數(shù)（見表1）

表1 DAB變換器仿真模型參數(shù)

2 搭建仿真控制算法模型

2.1 閉環(huán)傳遞函數(shù)和控制框圖

為了輸出電壓保持長久穩(wěn)定，采用設(shè)計(jì)合適的控制器H(s)來調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)輸出控制量相移角δ的大小。本文采用如圖4所示的控制框圖進(jìn)行控制，采用這種控制框圖可以獲得穩(wěn)定的輸出電壓和輸出功率。

前向輸入通道的傳遞函數(shù)H(s)G(s)應(yīng)該同時(shí)滿足兩個(gè)基本條件，這是為了實(shí)現(xiàn)單環(huán)控制器效率的提高和控制系統(tǒng)性能的提升，這是由經(jīng)典單閉環(huán)控制系統(tǒng)理論的研究表明得到的：

（1）較大的截止頻率（大于穿越截止頻率）——并具備快速的截止暫態(tài)自動(dòng)響應(yīng)；

（2）低頻信號(hào)的高增益，將穩(wěn)態(tài)誤差降至最低。

控制器模型H(s)的模型在設(shè)計(jì)過程中需要考慮一級(jí)功率電路和二級(jí)控制器G(s)的動(dòng)態(tài)信號(hào)特性模型的描述方程，也就是雙有源橋DC-DC變換器的小功率信號(hào)控制器模型。

圖4 DAB雙有源橋變換器的基本控制框圖

2.2 仿真分析

2.2.1 仿真的搭建

如圖5為主開環(huán)電路仿真,這一部分與整流橋開環(huán)電路仿真的模型相同。圖6顯示了閉環(huán)調(diào)節(jié)后的相移驅(qū)動(dòng)信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)檢測到輸出與期望值之間的錯(cuò)誤時(shí)，它將自動(dòng)比較并執(zhí)行PID調(diào)整。最后，將獲得相移角以繼續(xù)控制轉(zhuǎn)換器。對(duì)于此輸出，執(zhí)行相同的調(diào)整步驟，直到最終穩(wěn)定在所需值。圖7顯示了相移后變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的交流電壓。兩個(gè)電壓波形之間的角度是相移角。

2.2.2 結(jié)果分析

由圖9和圖10可以看出在閉環(huán)移相的控制效果下，DAB雙有源橋變換器輸出電壓為DC48V，功率500W，輸出電壓誤差≤1%，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

從仿真波形圖8以及圖9分析得出仿真模型的結(jié)果與理論分析的結(jié)果相符，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

結(jié)論：本文通過了解DAB變換器的工作原理，推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型，主電路參數(shù)計(jì)算與設(shè)計(jì)控制策略及框圖等前期準(zhǔn)備工作，最后在Matlab/Simulink軟件中搭建仿真模型，驗(yàn)證了DAB雙有源全橋DC-DC變換器建模與控制策略的可行性和正確性。

隨著直流配電網(wǎng)的發(fā)展，DAB雙有源全橋變換器將存在著及其廣泛的應(yīng)用場景，而本文所做的工作可以為DAB雙有源全橋變換器的設(shè)計(jì)以及變換器參數(shù)計(jì)算提供參考，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

圖5 DAB變換器SPS控制仿真

圖6 移相驅(qū)動(dòng)信號(hào)

圖7 變壓器原副邊交流電壓

圖8 輸出電壓電流波形

圖9 輸出功率波形