- 頭條三端口隔離DC-DC變換器的暫態直流偏置機理及抑制策略2021-05-30 作者：余雪萍 涂春鳴 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語三端口隔離DC-DC變換器（TAB）作為分布式光伏接入直流配電系統的一種積極探索與嘗試，具有控制靈活性高及供電可靠性好的優勢。傳統移相控制方法下，當移相角發生突變時，各端口電感的高頻鏈電流及高頻變壓器的勵磁電流中存在暫態沖擊和直流偏置現象，進而可引起開關管電流應力增加，導致變壓器單向飽和，威脅變換器的安全運行。 國家電能變換與控制工程技術研究中心（湖南大學）的研究人員余雪萍、涂春鳴、肖凡、劉貝，在2020年第9期《電工技術學報》上撰文，在量化TAB暫態直流偏置的基礎上，從開關管驅動信號出發，剖析暫態直流偏置的形成機理，構建可抑制直流偏置分量的驅動信號數學模型，提出了兩種典型的驅動信號組合方法。仿真及實驗結果表明，該文所提方法不僅適用于移相角的多步階躍跳變，在移相角連續變化的過程中也是有效的。
大力發展分布式光伏發電，是促進我國可再生能源開發利用、推進能源結構調整的重要舉措。“PV陣列+蓄電池+母線負載”構成的三端口隔離式DC-DC變換器（Triple Active Bridge, TAB），每兩個端口間均可實現功率的傳輸與變換，相較于雙有源橋直流變換器（Dual Active Bridge, DAB）而言，控制靈活性更高、供電可靠性更好。
其中，高頻變壓器的應用不僅可以實現端口間的完全隔離與電壓匹配，還可以極大地減小裝置體積與重量，提升裝置的整體變換效率。因此，TAB作為分布式光伏接入直流配電系統的一種積極探索與嘗試，已成為新能源發電技術的關鍵研究熱點之一。
目前有關TAB的研究工作基本還停留在初步的理論研究與探討階段，大量的理論與共性關鍵技術問題有待解決。和傳統DAB類似，TAB也是通過改變端口間方波電壓的移相角來調節輸出功率的大小及方向。在暫態調節過程中，移相角的動態變化會打破電感的伏秒平衡，進而在變換器端口電感及變壓器鐵心上產生直流偏置電流。
電感的直流偏置電流會在開關器件中引入過大的峰值電流，增大開關損耗，嚴重時造成開關器件的損壞。變壓器鐵心的直流偏置電流會導致鐵心工作時的磁化曲線不再關于原點對稱，當偏磁嚴重時，鐵心將進入單向深度飽和，磁化電流劇增，鐵心損耗與溫升增加，變換器效率降低。因此，探索TAB直流偏置的抑制方法對變換器及其關鍵部件的安全運行至關重要。
現有關于TAB/DAB直流偏置抑制方法的研究大多基于模態分析法，未能清晰地對其偏置機理進行剖析，或需增加額外的硬件設施，且無法同時解決串聯電感及變壓器勵磁電感的直流偏置問題。
為避免直流偏置電流對TAB動態特性及整體變換效率的影響，確保功率器件及高頻變壓器的可靠運行，國家電能變換與控制工程技術研究中心（湖南大學）的研究人員提出了TAB暫態直流偏置的抑制策略，可在單位開關周期內同時抑制各端口高頻鏈電流及變壓器勵磁電流的直流偏置分量，且無需增加額外的硬件設施。
首先，介紹了TAB的等效電路模型及移相控制下的穩態運行特性；然后，量化分析了TAB暫態直流偏置分量，并給出了移相角變化時直流偏置量的計算公式；最后，基于疊加定理深入剖析了直流偏置的形成機理，推導了暫態直流偏置抑制方法的數學模型，提出了兩種典型的驅動信號組合方法。
圖1 RT-LAB硬件在環測試平臺
基于Matlab/Simulink的仿真分析及RT-LAB的實驗結果驗證了所提方法的正確性和有效性，可以得到以下結論：
1）在移相角恒定不變的穩態過程中，各端口串聯電感及變壓器漏感在一個開關周期內滿足伏秒平衡關系，不存在直流偏置現象。但是隨著移相角增大（減小），傳輸功率增加（減小），電感的伏秒平衡關系被破壞，進而產生直流偏置現象，導致開關管電流應力增大，高頻變壓器單向飽和，影響變換器的安全運行。
2）基于直流偏置形成機理的理論分析，改變各端口方波電壓的占空比或加入與移相角相關的零電壓階段，可在一個開關周期內抑制各端口高頻鏈電流的偏置現象。通過推導過程可以發現，該方法可以衍生出多種驅動信號的組合方式，且均獨立于變換器的電路參數，無需增加額外的硬件設施，操作簡單，具有較好的推廣性和可移植性。
3）該方法不僅在移相角單步連續階躍跳變時具有顯著的效果，在輸出電壓動態調節過程中，移相角連續微小變化時同樣具有明顯的偏置抑制效果。當輸出功率突變時，移相角發生暫態大幅突變，最終達到新穩態，在整個暫態及穩態過程中，各端口串聯電感及變壓器勵磁電感均能保持伏秒平衡，無偏置分量。
以上研究成果發表在2020年第9期《電工技術學報》，論文標題為“三端口隔離DC-DC變換器的暫態直流偏置機理及抑制策略”，作者為余雪萍、涂春鳴、肖凡、劉貝。
