摘要：基于双主动全桥变换器（Dual active bridge,DAB）的直流变压器是联结中压和低压直流电网的主要设备。本文针对DAB建立小信号模型，并进一步建立其小信号输入阻抗模型。在此基础上，分析带有输入LC滤波器和DAB的级联系统的稳定性和动态特性，说明DAB的传递功率和输出电压对级联系统稳定性的影响。
关键词：双主动全桥变换器；输入阻抗；双闭环反馈
0 引言
近年来，随着电力电子技术和用户需求的快速发展，直流配电网得到了进一步的应用。基于双主动全桥的直流变压器是联结中压直流电网和低压直流电网的重要设备，为直流配电网稳定性及其用户的用电质量提供坚实的基础[1]。
在传统的双主动全桥直流变压器中，输出特性的研究和分析是为用户提高用电质量的重要方式。然而，当前的研究缺乏对输入侧的性能进行分析。文献[2]表明，在单机状态下可以稳定工作，在级联工作情况下却由于其负阻抗特性，可能出现动态特性变差，甚至系统不稳定的现象。因此，为进一步提高系统的稳定性，有必要针对直流变压器的输入阻抗进一步分析。
本文选择了基于单移相调制策略的双主动全桥直流变压器研究，分析其工作原理和控制环路，建立了双主动全桥直流变压器的输入阻抗模型。并采用LC输入滤波器和双主动全桥直流变压器构成级联系统，分析输出电压等级和输出功率等级对级联系统稳定性的影响规律。
1DAB拓扑及工作原理
双主动全桥隔离型双向DC-DC变换器的基本拓扑如图1所示，其中n为隔离变压器变比；Uin、i1分别为电源侧电压及电源侧输入电流；Lr、iL分别为辅助电感和变压器原边电流；Uab、Ucd分别为变换器两端H桥输出电压；i2为变压器副边向负载侧输出的电流；C2负载侧支撑电容，iC2为C2上流过的电流；Uo、io分别为输出电压和负载电流；R为变换器负载电阻；LI和C1构成输入滤波器；U1为直流电源。
图1 传统DAB-IBDC拓扑
根据图1，传统DAB-IBDC的状态方程如式(1)所示。
（1）
2单移相调制策略工作原理
单移相调制策略是目前应用最为广泛的调制策略。该调制策略中，H1和H2桥臂中的占空比均为50%，表现在电压Uab和Ucd上则为无0电压时间。而H1和H2桥臂之间的存在外移相角D，即二者的开通时刻不一致，存在相移时间，但导通时间一致。根据该调制策略，由于电感电流iL是周期性变化的，并以2T为一个周期，因此，等效频率可设为fs=1/T，则传输的功率为
（2）
2 输入阻抗建模及分析
根据前文分析，当考虑输出负载时，输出电压的小信号可表现为：
(3)
式中，Zo=RL/(1+sC2RL)，为移相角至输出电流传递函数；为输入电压至输出电压传递函数。
双主动全桥变换器的控制采用了输出电压环和输出电流环，产生用于单移相调制的移相角，实现输出电压稳定的控制。
为了进一步验证输入LC滤波器和DAB之间的相互作用，本文分析二者在输出电压和传输功率变化下的动态和稳态性能，如图2和3所示。LC滤波器的输出阻抗为ZLC(s)= sL1 /(s2 L1C1+1)。
图2 变换功率减小时DAB输入阻抗及LC滤波器特性.
图3 输出电压增加时DAB输入阻抗及LC滤波器特性.
在图2-3中，Zorg表现为负阻抗特性，这将严重影响级联系统的稳定性。在图2中，当传递功率下降时，DAB的幅值也将下降，这使系统存在潜在的不稳定或振荡。在图3中，当输出电压提高时，DAB的幅值也将下降，由于Zorg的负阻抗特性，级联系统将发生振荡或不稳定。
结论
本文建立了DAB基于输出电压和输出电流双闭环反馈控制的输入阻抗，并分析该输入阻抗在输出电压和传递功率变化时的阻抗特性。进一步分析DAB与输入LC滤波器构成的级联系统的动态和稳态特性。分析表明，当输出电压升高或传递功率下降时，输入LC滤波器和DAB的级联系统将发生振荡或不稳定的现象。
参考文献
[1] 宋强，赵彪，刘文华，等．智能直流配电网研究综述[J]．中国电机工程学报，2013，33(25)：9-19.
[2] 祁晓敏，裴玮，李鲁阳，等.基于DAB直流变压器的多电压等级交直流混合配电网故障特性分析[J].中国电机工程学报，2019，39[6]：1582-1591.
论文作者:丘映丹
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/16
标签：电压论文; 变换器论文; 滤波器论文; 变压器论文; 特性论文; 主动论文; 系统论文; 《当代电力文化》2019年第16期论文;