移相控制雙有源橋直流變換器交流相量分析法及建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)與智能電網(wǎng)研究領(lǐng)域，尤其涉及一種基于相量法的移相 控制雙有源橋電路功率分析方法及建模。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，無工頻變壓器大功率電力電子變換器以其高效率、智能化、 低污染等特點越來越引起人們的關(guān)注。目前常見的無工頻變壓器大功率電力電子變換器采 用級聯(lián)式拓?fù)洌杉壜?lián)式多電平AC-DC整流模塊、雙向DC-DC變換模塊和多電平DC-AC逆變 模塊構(gòu)成。
[0003] 雙有源橋DC-DC變換器結(jié)構(gòu)由于具有電氣隔離、升降壓變換、雙向能量傳輸、高功 率密度等特點被雙向DC-DC變換模塊所采用。
[0004] 移相控制雙有源橋的傳統(tǒng)分析方法對功率特性分析主要是在分析移相控制原理 波形的基礎(chǔ)上，通過定積分計算得到功率數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而對傳輸功率和無功功率的特性進(jìn) 行分析。這種方法雖然能的得出比較準(zhǔn)確的結(jié)果，但也存在著明顯不足。其主要缺點在于 計算復(fù)雜，物理意義不明確，分析的結(jié)果也不能直觀反映傳輸功率與無功功率之間的關(guān)系， 而且對于多種移相方式傳統(tǒng)分析方法不能建立通用性模型。
[0005] [1]M. N. Kheraluwala, R. ff. Gascoigne, D. M. Divan, and E.D. Baumann, "Performance characterization of a high-power dual active bridge DC-t〇-DC converter, y, IEEE Trans. Ind. Appl. , vol. 28, no. 6, pp. 1294 - 1301, Nov. / Dec. 1992.
[0006] [2] R. ff. DeDonckerj Μ. H. Kheraluwala, and D. M. Divan, aPower conversion apparatus for DC/DC conversion using dual active bridges, ^U.S.Patent 5027264, Jun. 25, 1991.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對傳統(tǒng)分析方法的缺陷與不足，本發(fā)明的目的在于，提出一種基于相量法的移 相控制雙有源橋（雙有源H橋、雙三電平半橋或一側(cè)三電平半橋，另一側(cè)有源H橋等）直流 變換器功率分析及建模方法，建立一種能夠用于多種移相控制統(tǒng)一的分析模型并在此統(tǒng)一 模型的基礎(chǔ)上建立小信號模型。
[0008] 為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案：
[0009] 基于相量法的移相控制雙有源橋直流變換器功率分析及建模方法，該方法通過等 效的方法將有源橋兩端電壓等效為兩個方波電壓源，再將方波電壓通過傅里葉級數(shù)分解為 正弦電壓的疊加。通過相量法對基波和各次諧波的有功功率和無功功率進(jìn)行分析，用復(fù)數(shù) 的計算代替正弦量的計算，極大的簡化了計算。并提出了一種基于相量法的物理意義清晰、 分析結(jié)果準(zhǔn)確且運(yùn)算簡單的雙有源橋移相控制的分析方法，通過這種分析方法能夠建立雙 有源橋的統(tǒng)一小信號模型。
[0010] 基于交流相量法的移相控制雙有源橋電路分析方法及建模方法，包括以下步驟：
[0011] 1)雙有源橋直流變換器等效模型替換，得出第（2n+l)次分量的電壓與電感電流 的相量表達(dá)式；
[0012] 2)根據(jù)步驟1)中相量表達(dá)式，得到不同移相控制下對應(yīng)相量圖；
[0013] 3)根據(jù)步驟1)中相量表達(dá)式，得到等效電壓源的復(fù)功率表達(dá)式，分析不同移相控 制下有功功率與無功功率特性；
[0014] 4)根據(jù)步驟1)中相量表達(dá)式與變換器微分方程，得到雙有源橋穩(wěn)態(tài)模型時域的 傅里葉級數(shù)和表達(dá)式，采用小信號擾動技術(shù)，將小信號擾動引入穩(wěn)態(tài)模型，得到移相控制下 雙有源橋直流變換器的統(tǒng)一小信號模型。
[0015] 本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，步驟1)中，雙有源橋直流變換器可以用等效模型替代， 如圖1所示，每一個有源橋交流側(cè)電壓可以用方波電壓源V ab (t)、Ut)表示，且都可以表 示為不同頻率的正弦波信號的無限疊加。
[0018] 其中，Vab⑴是有源橋1交流側(cè)方波電壓，Ved⑴是有源橋2交流側(cè)方波電壓，V in 為輸入直流電壓，Vciut為輸出直流電壓，
為高頻隔離變壓器匝比，ω為交流角頻率，n = 1，2, 3. ..，a 有源橋1的內(nèi)移相角，α 2為有源橋1與有源橋2橋間移相角，α 4為有源 橋2的內(nèi)移相角，<13為有源橋2內(nèi)移相角α 4與橋間移相角α 2之和。
[0019] 本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，步驟1)所提兩個正弦交流電壓源通過電感線路連接的 模型，建立開關(guān)函數(shù)的狀態(tài)方程：
[0020] 1)雙有源橋直流變換器交/交環(huán)節(jié)狀態(tài)微分方程：
[0022] 其中&為變壓器電阻，1^為變壓器漏感，U(t)為變壓器電流。
[0023] 2)將方波電壓源等效表達(dá)式⑴和⑵帶入式（3)中可以得到基于開關(guān)函數(shù)等效 的微分方程：
[0025] 本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，步驟1)中第（2n+l)次分量的電壓與電感電流的相量表 達(dá)式可以根據(jù)權(quán)利要求3中開關(guān)函數(shù)等效的微分方程得出穩(wěn)態(tài)相量表達(dá)式：
[0027] 進(jìn)而確定方波電壓與電感電流的（2n+l)次分量相量表達(dá)式：
[0031] 本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，根據(jù)步驟1)中所得出電壓、電感電流（2n+l)次分量相量 表達(dá)式以及變換器的穩(wěn)態(tài)相量表達(dá)式，可分別得出步驟2)中橋間外移相、單個有源橋內(nèi)移 相與橋間外移相，以及雙橋內(nèi)移相與橋間外移相控制下，雙有源橋直流變換器的相量圖。
[0032] 本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，根據(jù)步驟1)中所得出電壓、電感電流（2n+l)次分量相量 表達(dá)式可得出三種移相控制下，雙有源橋直流變換器第（2n+l)次分量中等效正弦電壓源 復(fù)功率以及高頻變壓器漏感1^無功功率：

[0037] 本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，步驟3)中復(fù)功率中有功功率在不考慮電路損耗情況下 等于直流輸出功率，則有源橋2側(cè)輸出電流第（2n+l)次分量+1>的相量表達(dá)式為：
[0039] 不考慮輸出直流側(cè)電容阻抗情況下，得出直流側(cè)輸出電壓、直流側(cè)電容電流與負(fù) 栽電流的穩(wěn)杰相量表伏式：
[0041] 其中匕tf(2?+i)輸出電壓第（2n+l)次分量，4>c(2n+u為有源橋2側(cè)輸出電流第（2n+l) 次分量，C為輸出端電容，為輸出端電容電流第（2n+l)次分量，為負(fù)載電流 第（2n+l)次分量。
[0042] 得到雙有源橋穩(wěn)態(tài)模型時域的傅里葉級數(shù)和表達(dá)式：
[0044] 在穩(wěn)態(tài)工作點附近施加一個小擾動并代入穩(wěn)態(tài)模型中，建立偏微分方程，得出移 相控制下雙有源橋直流變換器統(tǒng)一小信號模型：
[0047] 本發(fā)明的方法，通過相量法對雙有源橋電路進(jìn)行分析，計算方法簡單，得出了物理 意義清晰的分析模型，清楚的得出雙有源橋功率傳輸特性與移相角度之間的關(guān)系，并在此 基礎(chǔ)上提出了對雙有源橋電路建立小信號模型的方法。
【附圖說明】
[0048] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0049] 圖1為雙有源H橋直流變換器拓?fù)洌?br>[0050] 圖2 (a)為雙有源橋直流變換器等效電路；
[0051] 圖2(b)為雙有源橋直流變換器同步電機(jī)等效電路；
[0052] 圖3移相控制理想波形圖；
[0053] 圖4為雙有源橋在單移相控制策略的相量圖；
[0054] 圖5為擴(kuò)展移相在A方式控制策略的相量圖；
[0055] 圖6 (a)為擴(kuò)展移相B方式控制策略的相量圖；
[0056] 圖6 (b)為擴(kuò)展移相B方式控制策略，當(dāng)α 2= 〇時的相量圖；
[0057] 圖6 (c)為擴(kuò)展移相B方式控制策略，當(dāng)K =f時的相量圖；
[0058] 圖7(a)為雙重移相控制策略的相量圖；
[0059] 圖7(b)為雙重移相控制策略，當(dāng)α 2= 0, α 3= a 1時的相量圖；
[0060] 圖7(c)為雙重移相控制策略，當(dāng)，0?+%=吾時的相量圖。
【具體實施方式】
[0061] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】以圖1所示的雙有源H橋直流變換器拓?fù)錇槔?，?本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0062] 圖3所示為分別為三種移相控制策略：單移相、擴(kuò)展移相、雙重移相控制理想波形 圖；其中，V ab(t)、Ut)是兩個單相H橋交流側(cè)方波電壓，以驅(qū)動信號Sl的相位作為參考 相位，驅(qū)動信號S4與Sl之間的相位延遲稱為Hl的內(nèi)移相角α 1;驅(qū)動信號Ql與Sl之間的 相位延遲稱為外移相角α2;驅(qū)動信號Q4與Sl之間的相位延遲，即Η2的內(nèi)移相角α 4與外 移相角〇2之和稱為a 3( CX3= α 2+α4)。
[0063] 以Hl超前Η2為例，通過交流相量分析方法分別對三種移相控制策略進(jìn)行舉例分 析：
[0064] 由于電感電阻足夠小，可以忽略不計，電感的視在功率的推導(dǎo)如下：
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