移相控制双有源桥直流变换器交流相量分析法及建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力电子技术与智能电网研究领域，尤其涉及一种基于相量法的移相 控制双有源桥电路功率分析方法及建模。
【背景技术】
[0002] 随着智能电网的发展，无工频变压器大功率电力电子变换器以其高效率、智能化、 低污染等特点越来越引起人们的关注。目前常见的无工频变压器大功率电力电子变换器采 用级联式拓扑，由级联式多电平AC-DC整流模块、双向DC-DC变换模块和多电平DC-AC逆变 模块构成。
[0003] 双有源桥DC-DC变换器结构由于具有电气隔离、升降压变换、双向能量传输、高功 率密度等特点被双向DC-DC变换模块所采用。
[0004] 移相控制双有源桥的传统分析方法对功率特性分析主要是在分析移相控制原理 波形的基础上，通过定积分计算得到功率数学模型，进而对传输功率和无功功率的特性进 行分析。这种方法虽然能的得出比较准确的结果，但也存在着明显不足。其主要缺点在于 计算复杂，物理意义不明确，分析的结果也不能直观反映传输功率与无功功率之间的关系， 而且对于多种移相方式传统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.
【发明内容】
[0007] 针对传统分析方法的缺陷与不足，本发明的目的在于，提出一种基于相量法的移 相控制双有源桥（双有源H桥、双三电平半桥或一侧三电平半桥，另一侧有源H桥等）直流 变换器功率分析及建模方法，建立一种能够用于多种移相控制统一的分析模型并在此统一 模型的基础上建立小信号模型。
[0008] 为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
[0009] 基于相量法的移相控制双有源桥直流变换器功率分析及建模方法，该方法通过等 效的方法将有源桥两端电压等效为两个方波电压源，再将方波电压通过傅里叶级数分解为 正弦电压的叠加。通过相量法对基波和各次谐波的有功功率和无功功率进行分析，用复数 的计算代替正弦量的计算，极大的简化了计算。并提出了一种基于相量法的物理意义清晰、 分析结果准确且运算简单的双有源桥移相控制的分析方法，通过这种分析方法能够建立双 有源桥的统一小信号模型。
[0010] 基于交流相量法的移相控制双有源桥电路分析方法及建模方法，包括以下步骤：
[0011] 1)双有源桥直流变换器等效模型替换，得出第（2n+l)次分量的电压与电感电流 的相量表达式；
[0012] 2)根据步骤1)中相量表达式，得到不同移相控制下对应相量图；
[0013] 3)根据步骤1)中相量表达式，得到等效电压源的复功率表达式，分析不同移相控 制下有功功率与无功功率特性；
[0014] 4)根据步骤1)中相量表达式与变换器微分方程，得到双有源桥稳态模型时域的 傅里叶级数和表达式，采用小信号扰动技术，将小信号扰动引入稳态模型，得到移相控制下 双有源桥直流变换器的统一小信号模型。
[0015] 本发明进一步改进在于，步骤1)中，双有源桥直流变换器可以用等效模型替代， 如图1所示，每一个有源桥交流侧电压可以用方波电压源V ab (t)、Ut)表示，且都可以表 示为不同频率的正弦波信号的无限叠加。
[0018] 其中，Vab⑴是有源桥1交流侧方波电压，Ved⑴是有源桥2交流侧方波电压，V in 为输入直流电压，Vciut为输出直流电压，
为高频隔离变压器匝比，ω为交流角频率，n = 1，2, 3. ..，a 有源桥1的内移相角，α 2为有源桥1与有源桥2桥间移相角，α 4为有源 桥2的内移相角，<13为有源桥2内移相角α 4与桥间移相角α 2之和。
[0019] 本发明进一步改进在于，步骤1)所提两个正弦交流电压源通过电感线路连接的 模型，建立开关函数的状态方程：
[0020] 1)双有源桥直流变换器交/交环节状态微分方程：
[0022] 其中&为变压器电阻，1^为变压器漏感，U(t)为变压器电流。
[0023] 2)将方波电压源等效表达式⑴和⑵带入式（3)中可以得到基于开关函数等效 的微分方程：
[0025] 本发明进一步改进在于，步骤1)中第（2n+l)次分量的电压与电感电流的相量表 达式可以根据权利要求3中开关函数等效的微分方程得出稳态相量表达式：
[0027] 进而确定方波电压与电感电流的（2n+l)次分量相量表达式：
[0031] 本发明进一步改进在于，根据步骤1)中所得出电压、电感电流（2n+l)次分量相量 表达式以及变换器的稳态相量表达式，可分别得出步骤2)中桥间外移相、单个有源桥内移 相与桥间外移相，以及双桥内移相与桥间外移相控制下，双有源桥直流变换器的相量图。
[0032] 本发明进一步改进在于，根据步骤1)中所得出电压、电感电流（2n+l)次分量相量 表达式可得出三种移相控制下，双有源桥直流变换器第（2n+l)次分量中等效正弦电压源 复功率以及高频变压器漏感1^无功功率：
[0037] 本发明进一步改进在于，步骤3)中复功率中有功功率在不考虑电路损耗情况下 等于直流输出功率，则有源桥2侧输出电流第（2n+l)次分量+1>的相量表达式为：
[0039] 不考虑输出直流侧电容阻抗情况下，得出直流侧输出电压、直流侧电容电流与负 栽电流的稳杰相量表伏式：
[0041] 其中匕tf(2?+i)输出电压第（2n+l)次分量，4>c(2n+u为有源桥2侧输出电流第（2n+l) 次分量，C为输出端电容，为输出端电容电流第（2n+l)次分量，为负载电流 第（2n+l)次分量。
[0042] 得到双有源桥稳态模型时域的傅里叶级数和表达式：
[0044] 在稳态工作点附近施加一个小扰动并代入稳态模型中，建立偏微分方程，得出移 相控制下双有源桥直流变换器统一小信号模型：
[0047] 本发明的方法，通过相量法对双有源桥电路进行分析，计算方法简单，得出了物理 意义清晰的分析模型，清楚的得出双有源桥功率传输特性与移相角度之间的关系，并在此 基础上提出了对双有源桥电路建立小信号模型的方法。
【附图说明】
[0048] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[0049] 图1为双有源H桥直流变换器拓扑；
[0050] 图2 (a)为双有源桥直流变换器等效电路；
[0051] 图2(b)为双有源桥直流变换器同步电机等效电路；
[0052] 图3移相控制理想波形图；
[0053] 图4为双有源桥在单移相控制策略的相量图；
[0054] 图5为扩展移相在A方式控制策略的相量图；
[0055] 图6 (a)为扩展移相B方式控制策略的相量图；
[0056] 图6 (b)为扩展移相B方式控制策略，当α 2= 〇时的相量图；
[0057] 图6 (c)为扩展移相B方式控制策略，当K =f时的相量图；
[0058] 图7(a)为双重移相控制策略的相量图；
[0059] 图7(b)为双重移相控制策略，当α 2= 0, α 3= a 1时的相量图；
[0060] 图7(c)为双重移相控制策略，当，0?+%=吾时的相量图。
【具体实施方式】
[0061] 下面结合附图和【具体实施方式】以图1所示的双有源H桥直流变换器拓扑为例，对 本发明做进一步说明。
[0062] 图3所示为分别为三种移相控制策略：单移相、扩展移相、双重移相控制理想波形 图；其中，V ab(t)、Ut)是两个单相H桥交流侧方波电压，以驱动信号Sl的相位作为参考 相位，驱动信号S4与Sl之间的相位延迟称为Hl的内移相角α 1;驱动信号Ql与Sl之间的 相位延迟称为外移相角α2;驱动信号Q4与Sl之间的相位延迟，即Η2的内移相角α 4与外 移相角〇2之和称为a 3( CX3= α 2+α4)。
[0063] 以Hl超前Η2为例，通过交流相量分析方法分别对三种移相控制策略进行举例分 析：
[0064] 由于电感电阻足够小，可以忽略不计，电感的视在功率的推导如下：
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