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合肥工业大学-基于动态矩阵控制的DAB变换器电流应力与回流功率优化方法

用户与研究成果简介:

合肥工业大学杨向真老师科研团队,针对双有源桥DCDC变换器存在的电流应力和回流功率现象,提出了双目标优化算法,旨在减小系统的导通损耗,提高系统整机效率;并提出了基于动态矩阵控制的DAB变换器输出电压闭环控制,该控制方法提高了变换器输出电压的动态响应性能,提高了系统的负载适应性和鲁棒性。


本研究利用上海远宽的StarSim电力电子小步长实时仿真器,并结合DSP控制器进行实验,通过实验结果验证了所提出的控制策略在提高变换器的动态响应性能、抑制电流应力和减小回流功率方面的有效性,并把成果总结发表于《电力系统自动化》:

杨向真,孔令浩,杜燕,苏建徽.基于动态矩阵控制的DAB变换器电流应力与回流功率优化方法[J].电力系统自动化,2021,45(17):153-160.


课题研究背景



DAB变换器的优化、控制研究意义与现状

移相控制是DAB变换器的主流控制方法。传统的单移相(single-phase-shift,SPS)控制在空载和轻载时变换器回流功率较大,当传输功率一定时,回流功率越大,所需正向传递的功率也越大,不仅导致变换器效率下降,也对功率器件有更高的要求。而且SPS控制中,当电压传输比偏离1时,会使电感电流增长加快,增大电流应力,导致电感磁芯失磁。因此,DAB变换器在非额定工况下工作时,系统效率下降。为了避免传统SPS控制的缺点,学者提出了高自由度的控制方式,扩展移相 (extended-phase-shift,EPS)、双重移相(dual-phase-shift,DPS)、三重移相(triple-phase-shift,TPS)相继被提出,但现有优化策略仅考虑单个目标,因此,能够同时减小系统的电流应力和回流功率在提升系统效率方面是十分有效的。


DAB变换器通常采用基于PI控制的电压闭环控制方法使输出电压达到给定值。该方法简单、有效,但属于滞后控制,且在负载、输入电压变化等情况下的动态适应性较差,PI参数也难以整定。因此,提出新的DAB变换器闭环控制策略以提高输出电压的动态响应性能,提高负载适应性和鲁棒性是十分有必要的。


研究重要内容和创新点



DAB变换器的拓扑结构及控制原理

DAB变换器拓扑由2个对称的H桥通过高频变压器连接而成,从而形成三级结构:高频逆变输入级、隔离级和整流输出级。同一桥臂上下两个管子互补导通,开关管S1与S3(S5与S7)之间的移相称为桥内移相比D1,开关管S1与S5之间的移相称为桥内移相比D2,通过控制桥间移相比和桥内移相比使得变换器满足传输功率要求,并控制系统的电流应力和回流功率。外移相比D2调节功率流的方向和大小,当D2>0时功率正向流动,当D2<0时功率逆向流动。


在此研究中,主电路模型如图所示:

 

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在此研究中,驱动波形及主要的电压电路波形如图所示:


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系统优化方法及闭环电压控制策略设计

对于系统优化方面:传统优化方法,要么仅对系统的电流应力进行优化,要么仅对系统的回流功率进行优化,本文首先分析了DPS控制下DAB变换器的2种工作模式,以及各自的电流应力和回流功率;建立了抑制电流应力和回流功率的双目标权重优化函数,求解出条件最优解,并设定了双目标权重优化函数中加权因子的选取原则。


对于系统闭环电压控制方面:本文采用动态矩阵控制作为变换器的闭环控制方法,DMC算法的独特性在于采用易于测量的受控对象的阶跃响应来建模,适用于渐近稳定的线性系统,具有算法简单鲁棒性强等特点。DMC算法包括预测模型、滚动优化、反馈矫正3个部分。其控制框图如下图所示。


注:其具体推导过程以及公式详细推导详见合肥工业大学杨向真老师科研团队发表的文章。


基于实时仿真器的算法验证



基于任意拓扑小步长实时仿真的优化及控制策略验证

对于DAB变换器系统来说,若要进行硬件实验,则需要搭建硬件实验平台,其开发周期较长,且当变换器系统应用于中低压直流微网时其实验安全性难以保证。而基于远宽能源(www.modeling-tech.com)提供的StarSim实时仿真器,不仅能够很好地保证实验安全性,而且还能避免搭建实物平台带来的开发周期较长等缺点,快速地进行算法验证。


远宽能源(www.modeling-tech.com)提供的StarSim实时仿真器,基于电力电子器件的细节模型,利用最新的FPGA技术,可以实现1微秒步长、任意拓扑、任意工况的电力电子系统实时仿真,被广泛应用于牵引供电系统故障诊断、控制策略验证、可再生能源并网、电机驱动等的实时仿真中;合肥工业大学的杨向真老师科研团队就采用了StarSim电力电子实时仿真器结合外部DSP控制器来进行所提出的系统电流应力和回流功率优化,以及基于DMC策略的系统输出电压闭环控制试验验证。  


下图是HIL+DSP测试平台示意图,其包括实时仿真系统HIL和外部数字信号处理器, 其中电力电子系统是利用StarSim FPGA Solver按1微秒的步长实时仿真;控制算法运行在DSP控制器上,实时仿真器和DSP控制器通过真实的物理IO互连。


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HIL+DSP测试平台示意图


本文在该实验平台上进行了DAB变换器启动、负载突变、输入电压突变以及输出电压参考值突变4组系统动态响应实验,验证了DMC方式下DAB变换器具有快速瞬态响应特性,在动态调整时输出电压的波动较小,大大提高了系统的动态响应速度和系统的鲁棒性。下图展示了在DMC控制方式下和传统基于PI控制器的直接功率控制下,系统的动态响应实验波形对比图。


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(a)    启动时


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(b)    负载突变时


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(c)    输入电压突变时


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(d)    输出参考电压突变时


同时,本文还验证了所提双目标权重优化算法在减小系统电流应力和回流功率方面的有效性。如下图所示展示了本文所提双重目标优化和传统单电流应力优化的系统优化对比实验图。从图中可以看出本文所提算法能够达到相同的电流应力优化效果同时能减小系统回流功率。


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负载为4Ω时


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负载为10Ω时

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