三有源桥DC-DC变换器的建模与控制技术

汪骁

（方大特钢科技股份有限公司 江西省南昌市 330000）

随着经济的不断发展，全球气候随着碳排量的不断上升日趋严峻，低碳甚至是无碳已经逐渐成为各国研究的目标。2020年，在这一大环境下，我国基于可持续发展的内在要求和推动人类命运共同体的大国担当，宣布了碳达峰和碳中和的目标愿景[1-2]。这一目标一经提出就引起全世界各个国家的关注，这一举措将引领我国按步骤、有计划的实施低碳转型，推动减污降碳协同增效，改善生态环境，实现高质量发展。在当下疫情肆虐，全球经济衰退，能源供应日趋紧张的大环境下，大力发展新能源无疑是这一场战役的关键破局点之一[3-4]。目前，已有不少国家在大电网中接入了新能源发电系统。截止到2020年底，全球累计可再生能源的装机容量接近2800GW，其中水电机组累计装机容量达到1210GW，占比43.21%，风能和太阳能发电累计装机容量分别达733GW、714GW，约占全部装机容量26%。本文需要在多种控制方式中确定可以拓展到三有源桥DC-DC 变换器的控制方式[5]，通过建立三有源桥DC-DC 变换器的功率方程，实现三有源桥DC-DC 变换器传输功率的控制，以下详细对三有源桥DC-DC 变换器的建模与控制技术进行分析。

1 基于单重移相控制的双有源桥DC-DC变换器建模

双有源桥DC-DC 变换器具有电压转换比大、能够实现电气隔离、易于实现软开关、功率流动方向灵活等优势，但也存在控制非线性、存在回流功率影响电源利用率等问题。针对双有源桥DC-DC 变换器的控制方法主要可以划分为对称占空比移相控制与对称占空比移相控制，其中后者又可以根据移相角的数量划分为单重移相与多重移相[6-7]。下文主要针对单移相控制下双有源桥DC-DC 变换器的工作原理、工作模式、数学模型进行分析和推导。

双有源桥DC-DC 变换器的拓扑结构如图1 所示，其主要由两个全桥变换器（S1-S4、S5-S8）、两个直流电容、一个高频隔离变压器和一个辅助电感L 组成，变换器工作频率为f。图1 中，U1，U2分别是双有源桥DC-DC变换器的输入侧和输出侧电压；输入侧全桥逆变的输出电压用UH1表示；输出侧全桥逆变输出电压用UH2表示。

图1：双有源桥DC-DC 变换器拓扑

单移相控制为双有源桥DC-DC 变换器的最基本的控制方式，当变换器运行于单移相控制时，变换器两侧的H 桥输出均为占空比50%的两电平电压，通过改变两电平电压间的移相角实现对传输功率的控制。

2 基于单移相控制的三有源桥DC-DC变换器建模

2.1 单移相控制基本原理

三有源桥DC-DC 变换器在SPS 控制下各端口均可实现能量双向流动，此时变换器的功率传输方向可以分为单输入双输出和双输入单输出两类，如图2 所示。由图可知，同时作为输入或输出的端口间存在功率流动[8-9]。由于三有源桥DC-DC 变换器具有对称性，本文以单输入双输出工况为例对变换器内部能量流动进行分析，双输入单输出同理。

图2：三有源桥DC-DC 变换器工作模式

如图3 所示，移相比D 表示两个端口电压的相位差，当端口电压V1的相位超前于V2时，0

图3：移相控制原理图

2.2 基于单移相控制的三有源桥DC-DC变换器模态分析

三有源桥DC-DC 变换器的各端口开关管驱动信号如图4 所示，位于同一桥臂的开关管驱动信号始终互补导通，防止变换器直通短路。

图4：SPS 控制下三有源桥DC-DC 变换器工作波形图

图4 中（t0～t6）为一个开关周期，根据电感电流在一个周期内流经变换器路径的不同，将三有源桥DC-DC 变换器划分出十二个工作模态。考虑到三有源桥DC-DC变换器前后半个周期的工作过程具有对称性，本文以前半个周期的工作模态为例，详细分析单移相控制下三有源桥DC-DC 变换器的工作过程。

2.1 模态I：t0～t10时段

t0时刻前，端口一开关管S12、S13导通，电源电流流出iL1<0，发出功率；端口二S22、S23导通，电源电流流出iL2<0，发出功率；端口三D32、D33导通，电源电流流入iL3>0，吸收功率。

t0时刻，S12和S13关断信号到来，此时iL1<0 方向为负，所以S11、S14触发信号到来时，其反并联二极管自然导通续流。端口一D11、D14导通，电源电流流入iL1<0，吸收功率；端口二S22、S23导通，电源电流流出iL2<0，发出功率；端口三D32、D33导通，电源电流流入iL3>0，吸收功率。

2.2 模态II：t10～t1时段

t10时刻，电感电流iL1由负变零到正。端口一S11、S14自然换流导通，电源电流流出iL1>0，发出功率；端口二S22、S23导通，电源电流流出iL2<0，发出功率；端口三D32、D33导通，电源电流流入iL3>0，吸收功率。

2.3 模态III：t1～t30时段

t1时刻，S22、S23关断信号到来，此时iL2<0 方向为负，所以S21、S24触发信号到来时，其反并联二极管自然导通续流。端口一S11、S14导通，电源电流流出iL1>0，发出功率；端口二D21、D24导通，电源电流流入iL2<0，吸收功率；端口三D32、D33导通，电源电流流入iL3>0，吸收功率。

2.4 模态IV：t30～t20时段

t30时刻，iL3由正变零到负，端口一S11、S14导通，电源电流流出iL1>0，发出功率；端口二D21、D24导通，电源电流流入iL2<0，吸收功率；端口三S32、S33自然换流导通，电源电流流出iL3<0，发出功率。

2.5 模态V：t20～t2时段

t20时刻，iL2由负变零到正，端口一S11、S14导通，电源电流流出iL1>0，发出功率；端口二S21、S24自然换流导通，电源电流流出iL2>0，发出功率；端口三S32、S33导通，电源电流流出iL3<0，发出功率。

2.6 模态VI：t2～t3时段

t2时刻，S32、S33关断信号到来，此时iL3<0 方向为负，所以S31、S34触发信号到来时，其反并联二极管自然导通续流端口一S11、S14导通，电源电流流出iL1>0，发出功率；端口二S21、S24导通，电源电流流出iL2>0，发出功率；端口三D31、D34导通，电源电流流入iL3<0，吸收功率。

3 仿真结果分析

为验证单移相控制策略的可行性和有效性，在MATLAB/Simulink 中搭建了含光伏、储能的三端直流系统仿真模型，其中三个端口通过三有源桥DC-DC变换器进行连接。当各端口移相比设置为D12=0.2、D13=0.1、D23=0.25 时，端口H 桥电压方波及电感电流仿真波形如图5(a)所示。当各端口移相比设置为D12=0.12、D13=0.18、D23=0.08 时，端口H 桥电压方波及电感电流仿真波形如图5(b)所示。

图5：各端口H 桥电压及电感电流波形

观察仿真波形，发现通过改变三有源桥DC-DC 变换器各侧开关管之间的移相角就能够改变各端口H 桥的输出电压，根据单移相控制的原理可知，改变H 桥的输出电压之间的相角即可改变传输功率的大小，即采用单移相控制可以控制三有源桥DC-DC 变换器各端口之间的功率流动情况。

4 结论

本文主要建立了三有源桥DC-DC 变换器的数学模型，并对基于单移相控制的三有源桥DC-DC 变换器进行了分析，从双有源桥DC-DC 变换器的现有成果出发，对双有源桥DC-DC 变换器及其等效电路进行叠加，得到了三有源桥的等效电路，进而建立了基于单移相控制的三有源桥DC-DC 变换器的模型，最后在Matlab/Simulink 中搭建了含三有源桥DC-DC 变换器的系统仿真模型，通过仿真验证了单移相控制策略的可行性。