西南交通大學(xué)侯聶,宋文勝等:雙向全橋DC-DC變換器的負(fù)載電流前饋控制方法

雙向全橋DC-DC變換器的負(fù)載電流前饋控制方法

侯聶,宋文勝,武明義

DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2016.09.021

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項目背景
  隨著電力電子器件的發(fā)展以及智能電網(wǎng)和電力電子變壓器機車等系統(tǒng)發(fā)展的需要,用新一代高功率隔離的變換系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)工頻變壓器成為了發(fā)展的熱點。其中,雙向全橋DC-DC變換器因具有電氣隔離、功率密度高、傳輸能量高、能量能雙向流動及模塊級聯(lián)容易等優(yōu)點,將被作為新一代隔離變換系統(tǒng)的核心電路。在隔離變換系統(tǒng)中,變換器需要優(yōu)良的動態(tài)響應(yīng)性能,因此提升變換器動態(tài)響應(yīng)速度,尤其是在負(fù)載發(fā)生變化的情況,是雙向全橋DC-DC變換器特性研究的一個關(guān)鍵點。本文正是基于上述問題,探討變換器在負(fù)載突變情況下的動態(tài)優(yōu)化控制?! ?/section>
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論文所解決的問題及意義
  為提高雙向全橋DC-DC變換器在負(fù)載突變情況下變換器的動態(tài)控制性能,本文基于變換器功率守恒原則提出一種適合于雙向全橋DC-DC變換器的負(fù)載電流前饋控制方法。該電流前饋控制方法對變換器電感參數(shù)無依賴性,提高了控制的兼容性和可移植性,且能顯著地提高變換器在負(fù)載發(fā)生突變情況下的動態(tài)響應(yīng)性能?! ?/section>
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論文重點內(nèi)容
  論文基于傳統(tǒng)單相移控制方法,提出了一種針對雙向全橋DC-DC變換器的負(fù)載電流前饋控制方法。傳統(tǒng)單相移控制方法是雙向全橋DC-DC變換器典型應(yīng)用的方法,如圖1所示。

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圖1 ?傳統(tǒng)移控制方法示意圖

該負(fù)載電流前饋控制方法結(jié)構(gòu)如圖2所示,在每個開關(guān)周期的起始時刻,控制系統(tǒng)同時采集輸出電壓Uo??和負(fù)載電流io?,輸出電壓給定值U*o?與其實際值Uo??的差值經(jīng)過PI控制器得到虛擬輸出電壓給定值U*p?,考慮到U*p?與輸出電壓Uo?的正相關(guān)性,可視之為虛擬輸出電壓給定值來保證輸出電壓的穩(wěn)定。然后,根據(jù)輸出電壓給定值U*o?、虛擬輸出電壓給定值U*p?、輸出電壓Uo?以及負(fù)載電流io?得到相移控制量D,其控制模型如式(1)所示。

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圖2 ?DAB DC-DC變換器負(fù)載電流前饋控制結(jié)構(gòu)示意圖

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為了驗證該電流前饋控制方法對變換器電感參數(shù)的無依賴性,搭建硬件在環(huán)半實物實驗平臺,設(shè)置負(fù)載每間隔0.1s突變一次,電阻由15Ω突變到20Ω,再由20Ω突變到15Ω,這樣循環(huán)切換負(fù)載。圖3(a)、(b)分別給出了電感為1.5 mH和1.75 mH時,在電流前饋控制方法下,輸出電壓Uo?、負(fù)載電流io?和電感電流iL的實驗波形圖。

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圖3 ?不同電感參數(shù)下負(fù)載突變Uo?、io??和iL?的實驗波形

為進(jìn)一步驗證在負(fù)載變化時,采用本文提出的負(fù)載電流前饋控制方法能提高雙向全橋DC-DC變換器的動態(tài)響應(yīng)性能,搭建基于TMS320F28335控制器的實物實驗平臺,其實物照片如圖4所示。

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圖4全橋隔離DC/DC變換器實物實驗平臺

基于圖4所示實驗平臺進(jìn)行實驗,圖5(a)、 (b)分別給出負(fù)載突增(負(fù)載電阻由20Ω變換到15Ω),負(fù)載突減(負(fù)載電阻由15Ω變換到20Ω)的實驗波形。

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圖5 負(fù)載突變時輸出電壓、電感電流和負(fù)載電流實驗波形

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結(jié)論
  本文提出的電流前饋控制方法能夠顯著提高變換器對負(fù)載突變的動態(tài)響應(yīng)性能,在輸出電流突變時,輸出電壓基本保持穩(wěn)定;本文提出的電流前饋控制方法實現(xiàn)了對電感參數(shù)無依賴性,控制系統(tǒng)無需準(zhǔn)確的電感參數(shù),這也提高了控制系統(tǒng)的兼容性和可移植性?!?/section>
引文信息

侯聶,宋文勝,武明義. 雙向全橋DC-DC變換器的負(fù)載電流前饋控制方法[J]. 中國電機工程學(xué)報,2016,36(9): 2478-2485.

Hou Nie, Song Wensheng, Wu Mingyi. A load current feedforward control scheme of dual active bridge DC/DC converters[J]. Proceedings of the CSEE, 2016,36(9): 2478-2485(in Chinese).

團(tuán)隊介紹

  西南交通大學(xué)列車控制與牽引傳動研究室建立于2000年,以國家重點(培育)學(xué)科“電力電子與電力傳動”為依托,以軌道交通行業(yè)為背景,重點開展“電力電子與電力傳動”、“軌道交通自動化與電氣化”博士點方向的教學(xué)和科研工作。主要研究方向為電力牽引傳動控制、列車運行優(yōu)化控制與仿真技術(shù)。自2000年以來,研究室針對列車牽引傳動與運行控制方面的關(guān)鍵技術(shù),對列車牽引傳動控制與調(diào)制、牽引傳動系統(tǒng)半實物建模與實時仿真、列車輔助駕駛與優(yōu)化操縱控制等進(jìn)行深入研究。近年來,先后主持國家自然科學(xué)基金項目4項、國家科技支撐計劃項目子課題5項,鐵道部重點項目以及企業(yè)技術(shù)開發(fā)項目30余項,發(fā)表論文150余篇,其中SCI/EI檢索80余篇;先后出版國家“十一五”規(guī)劃教材《電力牽引交流傳動及其控制系統(tǒng)》和學(xué)術(shù)專著《電力牽引交流傳動控制與調(diào)制技術(shù)》,申請專利受理20余項,已獲取專利授權(quán)4項,軟件著作權(quán)3項,已培養(yǎng)畢業(yè)博士10人,碩士80余人。

西南交通大學(xué)侯聶,宋文勝等:雙向全橋DC-DC變換器的負(fù)載電流前饋控制方法

侯聶(1990),男,碩士研究生,從事電力電子變換器的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)優(yōu)化控制方面研究及其應(yīng)用。

  宋文勝(1985),男,工學(xué)博士,講師,碩士生導(dǎo)師,西南交通大學(xué)首屆“雛鷹學(xué)者”計劃入選者。分別于2006、2011年獲得西南交通大學(xué)電子信息工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位、電力電子與電力傳動專業(yè)博士學(xué)位。先后于2009、2015年在美國加州大學(xué)歐文分校、加拿大阿爾伯塔大學(xué)訪問學(xué)習(xí)。近年來,主持國家自然科學(xué)(面上)基金1項、國家自然科學(xué)(青年)基金1項、企業(yè)技術(shù)開發(fā)項目3項;主研國家自然科學(xué)(面上)基金1項、主研完成國家科技支撐計劃子課題3項,企業(yè)合作技術(shù)開發(fā)項目3項。在《IEEE Trans. Power Electronics》、《IEEE Trans. Industrial Electronics》、《IET Power Electronics》、《中國電機工程學(xué)報》等國內(nèi)外期刊發(fā)表EI期刊論文50余篇,其中SCI收錄10篇。申請發(fā)明專利10余項。曾獲“2015年度《中國電機工程學(xué)報》優(yōu)秀作者”、“2015年度《Journal of Modern Power Systems and Clean Energy》期刊優(yōu)秀審稿人”。

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