一種三有源橋變流器的建模和控制

摘要：在新能源日趨廣泛應用的前景下，微網和電動車輛的能源系統要求能連接不同的能源，因此多端口變流器在新能源發電和電動汽車等方面的應用得到了越來越多的關注。多端口變流器可容納不同的能源并結合它們各自的優點，尤其有利于實現能量系統內部的協調和優化控制。建立了三有源橋(TAB)變流器的平均狀態空間數學模型，并在此基礎上推導出小信號模型和等效電路，最后基于小信號模型對雙閉環控制系統的設計和優化進行了討論，并通過仿真和實驗驗證了所提出三有源橋變流器的性能。
關鍵詞：變流器；新能源發電系統；雙閉環控制系統

1 引言
近年來，國內外對于新能源發電系統進行了大量研究，研究表明有必要采用合適的儲能單元(例如蓄電池和超級電容器)與可再生能源集成，解決可再生能源間歇性和響應慢的問題。利用儲能單元補充不足能量或吸收過剩能量，不僅可加快整個系統的動態響應，而且可提高整個系統的可靠性和利用率。
電力電子變流器用于在混合儲能單元以及負載之間提供接口。相對于基于直流連接的多級功率變換結構，具有高頻交流連接的單級功率變換結構的多端口變流器近年來得到了越來越多的關注。這里提出一種新型基于高頻交流連接的三端口DC／DC變流器，由1個三繞組變壓器和3個采用移相控制的有源橋組成，又稱為三有源橋變流器。與其他多端口變流器相比，該變流器具有輸入電流紋波低、電氣隔離、軟開關，開關器件應力低，控制簡單等優點。主要建立平均狀態空間數學模型，并在此基礎上推導出小信號狀態方程，進行雙閉環控制系統的設計和優化。

2 工作原理
三有源橋變流器主電路拓撲如圖1所示。由3個高頻開關橋和1個三繞組變壓器組成，3個開關橋通過高頻變壓器耦合。每個開關橋工作頻率固定，分別產生方波電壓ur12，ur56和ur34，該拓撲可以實現三端口間的功率雙向流動。除具有電氣隔離之外，變流器還具有如下優點：①通過不同的繞組變比可以匹配不同的端口電壓等級；②其輸入端電流紋波小，適用于連接低壓蓄電池、超級電容器等儲能元件；③無需輔助電路實現軟開關；④開關器件應力低等。

電路中3個端口的開關橋頻率固定，占空比固定在0．5。三端口間的功率流動采用移相控制，其中與電源Uin1，Uin2連接的兩個全橋單元與負載側半橋單元電壓之間的移相角分別定義為：φ13，φ53。通過控制φ13和φ53，可改變3個端口之間功率流動的大小和方向，并且可實現兩個輸入電源單獨或同時向負載提供功率。
盡管全橋功率器件數量要比半橋多，但對于半橋，若電流較大時，會增加電容體積和成本。這里提出的三有源橋變流器的低壓側端口分別連接低壓蓄電池和超級電容器，由于電流較大，因此采用全橋開關單元更為合適。同時低壓側端口通過電感和電容連接低壓儲能單元，儲能單元的輸出電流紋波較小。高壓側為高電壓小電流，則采用半橋開關單元，同時電壓還可提升一倍。