一种三有源桥变流器的建模和控制

摘要：在新能源日趋广泛应用的前景下，微网和电动车辆的能源系统要求能连接不同的能源，因此多端口变流器在新能源发电和电动汽车等方面的应用得到了越来越多的关注。多端口变流器可容纳不同的能源并结合它们各自的优点，尤其有利于实现能量系统内部的协调和优化控制。建立了三有源桥(TAB)变流器的平均状态空间数学模型，并在此基础上推导出小信号模型和等效电路，最后基于小信号模型对双闭环控制系统的设计和优化进行了讨论，并通过仿真和实验验证了所提出三有源桥变流器的性能。
关键词：变流器；新能源发电系统；双闭环控制系统

1 引言
近年来，国内外对于新能源发电系统进行了大量研究，研究表明有必要采用合适的储能单元(例如蓄电池和超级电容器)与可再生能源集成，解决可再生能源间歇性和响应慢的问题。利用储能单元补充不足能量或吸收过剩能量，不仅可加快整个系统的动态响应，而且可提高整个系统的可靠性和利用率。
电力电子变流器用于在混合储能单元以及负载之间提供接口。相对于基于直流连接的多级功率变换结构，具有高频交流连接的单级功率变换结构的多端口变流器近年来得到了越来越多的关注。这里提出一种新型基于高频交流连接的三端口DC／DC变流器，由1个三绕组变压器和3个采用移相控制的有源桥组成，又称为三有源桥变流器。与其他多端口变流器相比，该变流器具有输入电流纹波低、电气隔离、软开关，开关器件应力低，控制简单等优点。主要建立平均状态空间数学模型，并在此基础上推导出小信号状态方程，进行双闭环控制系统的设计和优化。

2 工作原理
三有源桥变流器主电路拓扑如图1所示。由3个高频开关桥和1个三绕组变压器组成，3个开关桥通过高频变压器耦合。每个开关桥工作频率固定，分别产生方波电压ur12，ur56和ur34，该拓扑可以实现三端口间的功率双向流动。除具有电气隔离之外，变流器还具有如下优点：①通过不同的绕组变比可以匹配不同的端口电压等级；②其输入端电流纹波小，适用于连接低压蓄电池、超级电容器等储能元件；③无需辅助电路实现软开关；④开关器件应力低等。

电路中3个端口的开关桥频率固定，占空比固定在0．5。三端口间的功率流动采用移相控制，其中与电源Uin1，Uin2连接的两个全桥单元与负载侧半桥单元电压之间的移相角分别定义为：φ13，φ53。通过控制φ13和φ53，可改变3个端口之间功率流动的大小和方向，并且可实现两个输入电源单独或同时向负载提供功率。
尽管全桥功率器件数量要比半桥多，但对于半桥，若电流较大时，会增加电容体积和成本。这里提出的三有源桥变流器的低压侧端口分别连接低压蓄电池和超级电容器，由于电流较大，因此采用全桥开关单元更为合适。同时低压侧端口通过电感和电容连接低压储能单元，储能单元的输出电流纹波较小。高压侧为高电压小电流，则采用半桥开关单元，同时电压还可提升一倍。

3 动态建模
简化后变流器通用状态空间平均数学模型为：

在正向(升压)模式中，Ro为负载电阻，Rb1，Rb2分别为Uin1，Uin2的内阻。

根据式(3)，可以绘制出升压模式下的小信号等效电路，如图2所示。

4 控制系统设计
三有源桥变流器的控制策略如图3所示，其中有两个电流PID环和一个电压PI环。该控制策略用于调节输出电压Uo和输入电流iL1，iL2。图中Uo*为输出电压的参考值，经过PI调节器分别输出IL1*，IL2*作为电流环参考值，再由电流PID调节器分别产生移相角φ13，φ53，实现对输入电流iL1，iL2和输出电压Uo的控制。

三有源桥变流器的控制环框图如图4所示，其中反馈系数Ki1=Ki2=Kv=1。为取得较好的调节性能，调节器穿越频率必须小于变流器的开关频率。图中GiL1(s)，GiL2(s)分别为电流环PID调节器的传递函数，Gv(s)为电压环PI调节器的传递函数，可由图2小信号模型等效电路推出。

5 仿真和实验结果
5．1 仿真结果
搭建双闭环控制系统的仿真模型。双闭环控制系统在负载扰动时动态性能仿真结果如图5所示。由图可见，Uo在经过较小动态变化后，能很快稳定在200V。

5．2 实验结果
为验证变流器性能，搭建实验平台并进行实验，主电路参数如下：L1=L2=25 μH，Lr13=Lr53=Lr15=0．5 μH，fs=20 kHz，C1=C2=4．4 mF，C3=C4=330 μF，Co=660μF。图6为变流器双闭环控制下当电压环给定电压Uo*阶跃变化时Uo响应情况。

由图6可见，当给定电压突变时，输出负载电压能快速跟随变化，控制系统显示了良好的动态响应性能。

6 结论
这里提出的三有源桥变流器具有电气隔离、双向能量流动、输入电流纹波小以及匹配不同电压等级的电源等优点。通过建立三有源桥变流器的平均状态空间数学模型，并在状态空间模型的基础上推导出小信号状态方程，最后进行双闭环控制系统的设计和优化。仿真和实验结果验证了该变流器具有较好的动态响应性能。