DAB如何同时实现直流到直流的升压和降压转换

双有源桥(Dual Active Bridge，DAB)DC-DC变换器是一种先进的电力转换技术，具有双向能量流动能力，可以同时实现直流到直流的升压和降压转换。在移相控制策略中，DAB变换器的两个半桥的开关信号会相互错开一定的相位角，以有效控制输出电压和电流，提高效率，降低纹波。DPS(双移相)控制方法则进一步优化了电流应力，提高了系统的稳定性和效率。本研究旨在通过仿真验证DPS控制策略在DAB闭环控制中的有效性。DAB变换器由两个交错工作的半桥逆变器组成，每个半桥由两个开关器件(如IGBT或MOSFET)构成。通过改变开关频率和占空比，可以调节输出电压和电流。DAB变换器的显著特点是其双向能量流动能力，使得电源可以从一个电能域高效转换到另一个电能域。

DPS控制策略通过在DAB变换器的两个半桥之间引入两个移相角，即桥间移相角和桥内移相角，来实现对电流应力的最小化。通过调整这两个移相角，可以改变流经变压器的平均电流，进而调整输出电压。DPS控制策略的优势在于其能够降低开关器件的电流应力，减少功率损耗，提高系统效率。闭环控制系统是DAB变换器稳定运行的关键。本研究采用电压闭环和电流闭环相结合的双闭环控制系统。电压闭环控制通过检测输出电压并与设定值比较，然后调整移相控制器的相位差，以保持输出电压恒定。电流闭环控制则监测输出电流，并通过反馈机制调整开关频率或占空比，以维持期望的电流水平。

闭环控制是指控制论的一个基本概念。指作为被控的输出量以一定方式返回到作为控制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关系。带有反馈信息的系统控制方式。当操作者启动系统后，通过系统运行将控制信息输向受控对象，并将受控对象的状态信息反馈到输入中，以修正操作过程，使系统的输出符合预期要求。闭环控制是一种比较灵活、工作绩效较高的控制方式，工业生产中的多数控制方式采用闭环控制的设计。闭环控制是根据控制对象输出反馈来进行校正的控制方式，它是在测量出实际与计划发生偏差时，按定额或标准来进行纠正的。闭环控制，从输出量变化取出控制信号作为比较量反馈给输入端控制输入量，一般这个取出量和输入量相位相反，所以叫负反馈控制，自动控制通常是闭环控制。比如家用空调温度的控制。

双有源桥(Dual Active Bridge, DAB)直流变换器就是其中一种应用在大功率场合的双向DC-DC变换器。1991年，德国亚琛工业大学的R. W. De Doncker教授提出三相DAB直流变换器，这种拓扑结构在提出后的十几年时间里并没有成为电力电子领域研究的热点，但是随着大功率和高功率密度应用场合的增多以及电力电子器件和相关技术的不断发展，三相DAB直流变换器逐渐成为近年来研究的热点。国内外学者对于三相DAB直流变换器的主要研究方向集中于电路拓扑、调制策略、建模和控制方法等方面。

为了分析变换器的动态特性和设计闭环控制器，需要建立三相DAB直流变换器精确的动态模型。状态空间平均法(State Space Averaging, SSA)能够准确反映变换器的工作过程，该方法提出以来在变换器建模领域取得很大的成功。然而，由于在稳态运行时三相DAB直流变换器的三相电感电流是纯交流量，不满足小纹波假设，因此不能使用状态空间平均法对其进行建模。

为了解决这一问题，有学者提出了状态空间平均建模方法(State- Variable Averaging and State-Space Averaging, SVA- SSA)。这种方法可以将变换器的阶数从四阶降为一阶，但是需要对每种可能的开关模式进行讨论建模，因此无法得到统一的建模结果。

有学者提出的基频近似法(First-Harmonic Approximation, FHA)只考虑了控制变量和状态变量的基频成分，利用相量或空间矢量对变换器的大信号变量进行表示，虽易于判断变换器零电压开关(Zero Voltage Switching, ZVS)的实现情况，但是由于忽略了其他频次成分，所以当引入占空比作为控制变量时，FHA的建模精度较低。

传统的三相DAB直流变换器调制策略是单移相调制策略，该调制方法简单且易于实现，但会造成其在折算后两侧直流电压比值远离于1的情况，尤其是负载较轻时会导致DAB的效率较低。为了解决该问题，目前主要的方法是：降低由回流功率所引起的通态损耗，从而提高三相DAB直流变换器效率。

为此，已有相关文献提出了双重移相(Dual- Phase-Shift, DPS)控制和扩展移相(Extend- Phase-Shift, EPS)控制以及三重移相控制方式(Triple-Phase-Shift, TPS)控制策略，即在单移相控制的基础上，在两侧有源桥增加本身内移相控制，从而减小这段时间间隔。

根据相关学者分析可知，实际上EPS(或DPS)调制策略是TPS调制策略的一个特殊情况。但是，针对TPS控制下的最优控制量计算和选取问题，以上文献均没有给出详细的求解方法，而且，所设计的闭环控制结构常采用固定限幅，当目标值发生较大突变时，系统动态特性较差。

针对以上存在的问题，国家电网有限公司、西安交通大学电气工程学院等单位的研究人员，在分析了三相DAB直流变换器TPS调制策略下工作特性的基础上，采用电流有效值优化调制策略，使用多频分量法表示状态变量并应用内点法来求解出最优的控制变量组;然后，运用二阶广义状态空间平均法对三相DAB直流变换器进行建模，基于所采用的电流有效值优化调制策略，提出一种加入优化限幅模块的闭环控制方法;最后，采用Matlab/Simulink和PLECS联合仿真对二阶广义状态空间平均模型与有学者提到的SVA-SSA模型进行对比，得出二阶广义状态空间平均模型精确性更高的结论。

DAB作为DC-DC变换器夹在整流侧和逆变侧之间,高压直流侧和低压直流侧不可避免地都会有整流和逆变带来的二次纹波,降低输出电压质量。降低输出电压二次纹波最简单的手段是增大高压和低压侧滤波电容,但这样会增加硬件体积,不符合电力电子变换器小型化、轻量化的发展方向。拓扑抑制和控制策略抑制是解决该问题的主流手段,但无论是怎样的拓扑抑制,都会增大硬件体积,成本也会随之增加。文献通过拓扑抑制的方式降低纹波,有的增加了电感支路,有的增加了有源滤波器,都使得硬件体积增大。所以,本文选择控制策略抑制手段来降低输出电压二次纹波。

DAB闭环控制中,控制器多采取PI控制,但是PI控制由于带宽限制,对交流部分不能实现无静差跟踪,PIR控制相较于PI控制,弥补了PI控制在交流信号追踪上的不足。本文采用PIR控制实现二次纹波从高压侧到低压侧的稳定传输,并通过严谨的数学推导和合理的仿真验证,证明了本文所提方法的可行性和合理性。