输入串联输出并联双有源全桥DC-DC变换器多模块优化功率平衡控制方法
西南交通大学电气工程学院的研究人员安峰、王嵩等，在2018年第16期《电工技术学报》上撰文，通过分析电力电子变压器（PET）中的双有源全桥（DAB）DC-DC变换器的运行特征及所面临的问题，针对输入串联输出并联双有源全桥DC-DC变换器，基于三重相移（TPS）提出一种多模块优化功率平衡控制方法以同时提高变换器的效率及动态性能，并实现各个模块的传输功率均衡。
相比于传统的输入电压均衡控制方法，该方法在不需要增加额外传感器的情况下，可以进一步提高变换器的效率，加强变换器对于输入电压突变时的响应能力并实现各个DAB模块的传输功率平衡。最后，搭建以TMS320F28335+FPGA_6SLX45为核心控制器的三单元输入串联输出并联DAB变换器小功率实验样机，对所提多模块优化功率平衡控制方法与输入电压均衡控制方法进行对比实验研究，验证了所提算法的正确性与有效性。
随着化石能源消耗引起的环境问题日益突出，新能源发电、并网及传输等成为未来智能电网发展的关键技术[1]。电力电子变压器（Power Electronic Transformer, PET）由于具有体积小、质量轻、可实现电压调节、故障隔离、谐波抑制及无功补偿等诸多优点而被视为未来可再生能源传输与能量管理的关键设备之一[2]。
目前，被广泛采用的三级式PET拓扑[3]包括前级的级联多电平整流器（Cascaded H-Bridge, CHB）、中间级的输出并联双有源全桥（Dual-Active-Bridge, DAB）DC-DC变换器以及后级的三相逆变器，如图1所示。这种高度模块化PET拓扑的优点是其可以扩展应用至需要较高额定电压、额定功率的场合[4]。
图1 基于三级PET的级联多电平变换器拓扑
但在实际应用中，对于这种级联结构的PET，各个模块的主电路参数（如DAB中的储能电感参数）无法保证完全一致，使得各模块的输入阻抗存在差异，由此导致的传输功率不均衡现象难以避免[5]。对于传输功率偏大的模块，其电流应力也相应较大，进而使得该模块的功率器件在功率等级变化甚至正常工作时的故障率大大增加[6]。
为解决这一问题，文献[7]基于单相d-q模型提出了一种电压及功率平衡控制方法以控制CHB变换器的直流侧电压平衡及输出并联DAB变换器的传输功率平衡。然而该方法在每个DAB模块中都需要一个高频电感电流传感器以实时计算每个模块的平均传输功率，这无疑增加了系统成本。
文献[8]提出了一种无电感电流传感器的PET优化控制方法。其中，CHB采用传统的d-q解耦控制算法，通过各模块直流侧电压的比例积分（Proportional- Integral, PI）计算生成d轴有功分量以控制电压平衡；同时调节每个DAB模块的相移量使得相应CHB模块的动态有功分量相等以实现传输功率均衡。
但是，以上两种方法均需要调节CHB中各模块调制波的幅值来实现中间直流侧电压平衡，其交流输入电流的品质会受到一定影响[9]。文献[10]提出了一种输入电压均衡控制方法。其中，CHB中各模块使用相同幅度的调制波，即不进行平衡控制。此时中间级的DAB变换器可以等效为输入串联输出并联连接；通过调节DAB变换器中各模块的相移量来实现中间直流侧电压及功率平衡。
该方法不仅结构简单，同时可以兼顾交流侧的电流品质。但该方法在DAB变换器的控制过程中所采用的单重相移（Single Phase-Shift, SPS）控制会使得变换器在轻载及电压转换比较大时电流应力过大、效率降低[11]。
为了减小电流应力，提高变换器的效率，多种优化相移调制方法被相继提出，包括双重相移控 制[12]、扩展相移控制[13]以及三重相移控制（Triple Phase-Shift, TPS）。其中，三重相移控制包含三个可控自由度，因此其所能实现的优化范围最广。
文献[14]基于三重相移控制提出了一种适用于DAB变换器的电流应力优化及软开关运行方法。该方法可以在实现软开关的基础上减小变换器的电流应力，提高变换器的效率。但该方法的执行过程过于复杂，难以模块化推广。
文献[15]基于三重相移提出了一种简化的电流应力优化方法。该方法通过求解三个相移量之间的定量关系以实现变换器的电流应力最小、提高变换器的效率。然而在该优化控制方法下，所有的优化相移量均通过PI控制器获得，这无疑会使变换器的动态性能较差。
对于图1所示的典型三级式结构PET，其中间直流侧环节（即DAB变换器的输入端）总是会存在二倍频网侧的电压脉动，进一步将会导致逆变器输出电压畸变，影响供电电能质量[16]。
为了提高DAB变换器的动态响应速度，文献[17]通过建立DAB变换器的状态空间平均模型和小信号模型，初步研究了变换器的动态性能。文献[18]基于单重相移控制提出了一种直接功率控制方法以提高变换器对于输入电压突变时的响应能力。
文献[19]通过建立DAB变换器的线性动态谐波模型，并以此来设计自适应PI控制器以增加变换器对于负载突变的响应能力。文献[20]针对输入独立输出并联DAB变换器提出了一种基于单重相移的虚拟功率平衡控制方法。该方法能够显著地提高变换器的动态性能并实现各个DAB模块的传输功率平衡。
然而纵观现有文献，能够同时提高输入串联输出并联DAB变换器的效率及动态性能，并能实现各个模块的传输功率均衡的优化控制方法鲜有报道。
本文基于三重相移控制提出一种适用于输入串联输出并联双有源全桥DC-DC变换器的多模块优化功率平衡控制方法。首先分析变换器在三重相移控制下的功率特性；然后，结合拉格朗日乘子法与变换器的功率模型及电流应力模型进行优化计算；在此基础上，给出一种多模块优化功率平衡控制方法以同时提高变换器的效率及动态性能，并实现了各个DAB模块的传输功率均衡。最后，搭建小功率三单元实验样机，以输入电压均衡控制方法[10]为参考进行对比实验。
图8 三单元DAB变换器小功率实验样机
本文针对输入串联输出并联双有源全桥DC- DC变换器，提出了一种基于三重相移的多模块优化功率平衡控制方法。通过将电流应力优化与功率控制结合，可以同时提高变换器的效率与动态性能。同时，引入输入电压均衡调节器生成动态功率分量以控制各模块传输功率平衡。最后，搭建了以TMS320F28335+FPGA_6SLX45为控制器的三单元DAB变换器小功率实验样机进行了实验验证，理论分析和实验结果表明：
1）所提出的控制方法可以针对输入串联输出并联DAB变换器在各模块电路参数不一致的情况下实现输入电压均衡，并进一步实现各模块的传输功率平衡。
2）相比传统的输入电压均衡控制方法，所提出的控制方法可以显著地提高变换器对于输入电压突变时的响应能力。当输入电压突变时，输出电压几乎保持不变，其动态响应时间几乎为零。
3）相比传统的输入电压均衡控制方法，所提出的控制方法可以在电压转换比偏离1时显著地减小变换器的电流应力，提高变换器的效率。