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合肥工业大学-T型三电平双有源桥变换器ZVS优化策略

用户与研究成果简介:

合肥工业大学杨向真老师科研团队,针对双有源桥变换器(Dual-Active-Bridge,DAB)输入输出电压不匹配时,变换器无法在全功率范围内运行都实现零电压开通(Zero Voltage Switching,ZVS)的问题,提出了功率分段式ZVS (Power Segmented ZVS,PSZVS) 优化方法。以T型三电平双有源桥 (T-type Three-Level DAB,T3L-DAB) 变换器为研究对象(相比传统两电平DAB, 引入中间电平,增加了控制自由度),结合移相控制,能够灵活控制电感电流的方向,实现开关管在全功率范围内的ZVS。研究利用上海远宽的StarSim电力电子小步长实时仿真器结合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实现全功率范围内开关管ZVS的同时,兼顾了对电流应力和回流功率的优化,并把成果总结发表于《高电压》:

杨向真,孔令浩,杜燕,苏建徽,张徐进博.T型三电平双有源桥变换器ZVS优化策略[J].高电压技术,已录用.


课题研究背景



DAB变换器的ZVS控制研究意义与现状

对于高频双有源桥变换器系统,开关损耗占系统损耗的比重增大,因此开关管工作在零电压开通条件下是十分必要的。而单移相(single phase shift,SPS)控制因其控制方式简单,易于控制功率的双向流动,在传统两电平双有源桥(two-level dual-active- bridge,2L-DAB)变换器中广泛采用。然而,在某些场景中,如DAB变换器的输入侧或者输出侧为蓄电池,电池的电压在不同的充电、放电状态下可能会有很大的变化,容易造成输入输出电压不匹配,而低自由度的SPS控制方法,在低功率运行时,会造成DAB变换器开关管的ZVS无法实现,开关管不得不进行硬开通,增加了开关管的开关损耗,同时也增大了系统的电流应力和回流功率。


现有文献在扩大ZVS功率运行范围方面主要是通过提高自由度,进而控制电感电流方向来实现的,可以分为两大类,一类使用传统2L-DAB拓扑,采用高控制自由度的移相控制并结合功率分段的方法;另一类通过新的拓扑结构引入中间电平,在移相控制的基础上优化调节中间电平占空比。然而现有文献所提控制方法中难以实现全功率范围内的ZVS, 或无法对系统的电流应力和回流功率进行优化。


研究重要内容和创新点



DAB变换器的拓扑结构及控制原理

如图1所示,T3L-DAB的高频变压器原边侧逆变全桥H1是由一个两电平半桥和一个T型NPC三电平半桥组成,共输出±Ui、±Ui /2和0三种电平,相比于传统2L-DAB,T3L-DAB引入了中间电平(±Ui /2);高频变压器副边侧由整流全桥H2构成,当输出电压Uo稳定时,输入端可产生±Uo/2和0两种电平,另外,L为变压器漏感和辅助电感之和,Ci1、Ci2为输入侧钳位电容,C1~C6、CQ1~CQ2为开关管的结电容,Co为输出侧滤波电容。设k=Ui/nUo为电压传输比,在不失一般性的情况下,仅考虑k在1~1.5内变化,且功率正向流动的情况。


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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ZVS控制策略实现方法

本文首先分析了T3L-DAB的工作原理和开关管实现ZVS时电感电流的约束条件。接着,为了在输入输出电压不匹配条件下,开关管能够在全功率范围内实现ZVS,本文提出了一种功率分段软开关(Power Segment ZVS, PSZVS)优化控制策略,在不同的功率段内采用不同的控制策略,实现了电压不匹配情况下T3L-DAB全功率范围内开关管的ZVS控制,并且兼顾了对电流应力和回流功率的优化,其系统控制框图如下图所示:


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注:其具体功率分段方式以及各功率段内的优化控制方法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

本文在实验平台上进行了T3L-DAB变换器的启动以及输出电压参考值突变两组实验,验证了T3L-DAB在直接功率控制变换器具有快速瞬态响应特性和稳态性能。其动态响应波形如下图所示:


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为了验证所提PSZVS优化方法能够在输入输出电压不匹配时,实现全功率范围内开关管的ZVS,并在减小电流应力和回流功率方面具有明显优势,本文对比了电压传输比k=1.46时T3L-DAB在PSZVS控制和2L-DAB在SPS控制下的ZVS实现能力,以及对电流应力和回流功率的优化效果,本文设置了高中低三组功率实验,如下图所示,从实验波形可以看出:当输入输出电压不匹配时,T3L-DAB在本文所提PSZVS优化控制下,实现了全功率范围内的ZVS条件,且能够有效减小了开关管的开关损耗。


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低功率段运行实验波形


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中功率段运行实验波形


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高功率段运行实验波形


任意拓扑小步长实时仿真对于DAB变换器优化及闭环控制算法验证的重要性

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,能够很好地保证实验安全性,避免搭建实物平台带来的开发周期较长等缺点,能够快速地进行算法验证。同时在实物平台开发前期可通过该平台进行前期验证,以及软件开发,能够避免实验时的错误,减小开发难度。


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控制器验证了所提PSZVS优化算法在实现T3L-DAB变换器开关管ZVS及减小系统电流应力和回流功率的有效性。  


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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