科研簡報：微電網系統雙向直流變換器的研究熱點進展

針對微電網系統中雙向直流變換器需同時具有良好的穩態特性和動態響應這一問題，福州大學電氣工程與自動化學院、青島大學電氣工程學院的研究人員王武、雷文浩、蔡逢煌、江加輝，在2022年第12期《電工技術學報》上撰文，提出一種結合電流應力最佳化的雙有源全橋（DAB）DC-DC變換器自抗擾控制方案，並對DAB變換器在擴充套件移相調製下的傳輸功率和電流應力數學模型、電流應力最佳化與自抗擾控制相結合等關鍵技術展開分析研究，最後設計並研製一套200W實驗樣機，對比不同控制方案的效能，樣機動穩態實驗結果驗證了所提出控制方案的可行性和先進性。

隨著環境汙染、能源短缺等問題的日益嚴重，可再生能源引起了廣泛關注，基於可再生能源的微電網系統得到了快速發展。這類微電網系統通常採用如圖1所示的電路架構，太陽能（Photovoltaic， PV）、風能（Wind Turbine Generator， WTG）等可再生能源輸出最大功率，蓄電池（Battery， BAT）、超級電容（Super Capacitor， SC）等儲能元件用以平抑輸入輸出的功率波動。

由於太陽能、風能的間歇性與隨機性強，直流母線功率波動大，則連線在儲能元件與直流母線之間的雙向直流變換器需要具有良好的穩態特性和動態響應效能。

圖1 基於可再生能源的微電網系統

雙有源全橋（Dual Active Bridge， DAB）DC-DC變換器因其具有功率密度高、電氣隔離易實現模組化串並聯、軟開關等優點，逐漸成為雙向直流變換器的研究熱點。傳統單移相（Single-Phase-Shift， SPS）調製策略具有控制簡單、易實現軟開關等優點，但存在電流應力大、迴流功率多等問題。

為了解決這類問題，有關學者進行了研究，但是均只針對變換器穩態效能進行最佳化，未論述變換器的動態效能。輸出電壓值僅透過單一PI控制器跟蹤，這使得變換器動態效能較差。

對此，福州大學電氣工程與自動化學院、青島大學電氣工程學院的研究人員考慮EPS調製電流最佳化效果與DPS、TPS相仿，同時僅增加變壓器一次側H橋內移相角，控制實現簡單。基於EPS調製，他們提出了一種結合電流應力最佳化的自抗擾控制（Active Disturbance Rejection Control, ADRC）策略，實現了DAB變換器電流應力全域性最優，同時結合自抗擾閉環控制，提升了系統的動態效能及魯棒性。

表1 不同文獻的控制策略對比

研究人員首先，推導了EPS調製下三種工作模式的功率及電流應力的數學模型；其次，對比分析了EPS調製下三種工作模式的電流應力並採用條件極值法求解變換器電流應力全域性最優解；構建自抗擾反饋閉環，將電流應力最佳化策略導致的功率波動、輸入電壓突變、負載投切等視作總擾動，透過擴張狀態觀測器（Extended State Observer， ESO）進行實時估算並補償，實現對系統動態效能的最佳化。

他們最後透過與單重移相傳統電壓環控制、擴充套件移相直接功率控制對比實驗驗證，理論和實驗一致性高，研究結果表明：

1）相比於單重移相調製，擴充套件移相調製在傳輸相同功率的同時，能夠對穩態目標進行最佳化。且變換器應避免工作在0＜D1＜1＜D2＜1+D1/2移相模式下，該結論可推廣至雙重移相與三重移相調製。

2）該電流應力最佳化演算法具有最小的電流應力，降低了對開關器件的耐流值要求，提高了變換器的安全性與可靠性，同時有效地提高了變換器效率。

3）所提出的結合電流應力最佳化的自抗擾方案在啟動過程、輸入電壓突變、負載突變時，均具有良好的動態響應。構建的自抗擾控制器無需物件精確模型，僅需取樣輸出電壓資訊，具有控制簡單、魯棒性與

適用

性強等優點。

本文編自2022年第12期《電工技術學報》，論文標題為“結合電流應力最佳化的雙有源全橋DC-DC變換器自抗擾控制”。本課題得到了山東省自然科學基金專案和福州市科技計劃專案的支援。