基于DAB變換器并聯(lián)的多模塊IPOP雙有源全橋拓?fù)?/h1>
近年來，隨著電動汽車充電樁、儲能系統(tǒng)功率的不斷增加，采用單DC-DC變換器模塊已經(jīng)無法滿足指定功率或電壓輸出。在實(shí)際應(yīng)用中，通過將多個DAB變換器并聯(lián)的方式，可以滿足大功率輸出的要求。然而由于生產(chǎn)工藝，以及產(chǎn)品的不斷更新?lián)Q代等原因，各個模塊的參數(shù)，特別是輔助電感，會有一定的差異，從而導(dǎo)致運(yùn)行特性的不同，而讓電氣參數(shù)不同的模塊平均分配系統(tǒng)的功率并無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的效率最優(yōu)。
為此，上海交通大學(xué)新能源與汽車電子實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)通過研究多模塊DAB變換器并聯(lián)中輔助電感差異對電流有效值的影響，提出了一種基于遺傳算法的多模塊DAB變換器系統(tǒng)總電流有效值優(yōu)化策略。并且搭建樣機(jī)驗(yàn)證了策略的有效性。
研究背景
近年來，隨著化石能源的消耗，以及環(huán)境問題的日益突出，新能源發(fā)電、電動汽車、儲能技術(shù)已經(jīng)成為電力行業(yè)的研究重點(diǎn)。其中，DC-DC變換器作為電力電子系統(tǒng)中的重要組成部分，是充電樁、儲能系統(tǒng)、直流微電網(wǎng)中的關(guān)鍵部件。
目前，已經(jīng)有多種DC-DC變換器拓?fù)浔惶岢?，雙有源全橋(Dual Active Bridge, DAB)變換器是DC-DC變換器的熱門研究拓?fù)渲唬浼闪溯斎胼敵龆穗姎飧綦x、高電壓增益、較寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全體開關(guān)器件零電壓開通等優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)一步的，在大功率充電樁、儲能系統(tǒng)等對DC-DC變換器的功率指標(biāo)要求較高的應(yīng)用場景中，可以通過將多個DAB模塊并聯(lián)的方式使得DC-DC變換器系統(tǒng)滿足功率、載流要求。
然而，由于生產(chǎn)工藝，以及產(chǎn)品的不斷更新?lián)Q代等原因，輸入并聯(lián)輸出并聯(lián)(Input Parallel and Output Parallel, IPOP)DAB變換器系統(tǒng)中各個模塊的參數(shù)，特別是輔助電感，會有一定的差異，從而導(dǎo)致運(yùn)行特性的不同。這些差異將會導(dǎo)致變換器實(shí)際工作時模塊間電壓分配不均，各模塊輸出功率不均衡等問題，這將大大增加各獨(dú)立模塊的故障概率。
圖1 多模塊IPOP雙有源全橋拓?fù)?
論文所解決的問題及意義
對于模塊間存在參數(shù)差異的IPOP雙有源全橋變換器系統(tǒng)，近年來的研究主要集中于均流、均功率的研究。然而，由于模塊間的參數(shù)差異，尤其是電感參數(shù)的差異，讓每一個獨(dú)立模塊均分系統(tǒng)總功率，并不一定能使整個變換器系統(tǒng)效率以及各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。該差異導(dǎo)致的效率降低在重載工況會尤為明顯。因此，在系統(tǒng)總輸出功率一定的情況下，如何讓不同模塊承擔(dān)不同功率，從而使得變換器系統(tǒng)的總體效率最優(yōu)，對損耗減小、節(jié)約能源等方面具有重要意義。
論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)
1.輔助電感差異對電流有效值的影響
在基于單模塊電感電流有效值最優(yōu)TPS調(diào)制的基礎(chǔ)上，分析對比輔助電感大小不同時，各個模塊的電感電流有效值大小。經(jīng)過研究，無論DAB工作在升壓還是降壓模式中，輕載時相同輸出功率情況下輔助電感小的模塊電感電流有效值最大，而輔助電感大的模塊電感電流有效值最小。
相同功率下負(fù)載較重時，輔助電感大的模塊電感電流有效值最大，并且差異更加明顯?；谝陨弦?guī)律，在多模塊并聯(lián)的DAB變換器中，可以在總負(fù)載功率較輕時，讓輔助電感大的模塊分擔(dān)更多的負(fù)載，在總負(fù)載功率較重時，讓輔助電感小的模塊帶更多的負(fù)載。
圖2 不同電感差異比下電感電流有效值對比
2.基于遺傳算法的多模塊功率分配差異化控制策略
本文在回顧前人工作的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個基于遺傳算法(Genetic Algorithm, GA)的多模塊功率分配優(yōu)化模型。該模型以系統(tǒng)總電感電流有效值最小為優(yōu)化目標(biāo)，計(jì)算系統(tǒng)總功率一定時，各個模塊的最優(yōu)功率分配占比。
在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，根據(jù)該模型的計(jì)算結(jié)果，讓輔助電感不同的模塊分配不同的功率，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總效率最優(yōu)。圖3展示了三模塊并聯(lián)系統(tǒng)中，輔助電感最小模塊的功率分配占比隨電壓增益和輸出功率變化的3維圖，在輸出功率和電壓增益不同時，其在系統(tǒng)中總功率的分配占比均會變化。
圖3 輔助電感較小模塊功率分配比在多種增益及功率下的變化三維圖像
在實(shí)際控制中，為了減小數(shù)字電源中央控制芯片的存儲負(fù)擔(dān)，需要使用結(jié)合公式擬合的查表控制方法。通過GA優(yōu)化得出各電壓增益下各個模塊隨總功率變化的功率分配比。用多項(xiàng)式對功率分配比與總功率標(biāo)幺值之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合后單模塊得到的系數(shù)在不同增益下不同。
將這些系數(shù)存儲在數(shù)字電源的單片機(jī)中，控制中根據(jù)電壓比來對這些系數(shù)進(jìn)行查表，代入到這些公式，最終得出相應(yīng)的功率分配比。因此，多模塊功率分配優(yōu)化控制策略框圖如圖4所示。
圖4 多模塊功率分配優(yōu)化控制策略框圖
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為了驗(yàn)證本文提出的IPOP多模塊DAB總電流有效值優(yōu)化控制策略，設(shè)計(jì)搭建了3模塊并聯(lián)的DAB實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖5所示。實(shí)驗(yàn)對比了升壓模式和降壓模式下本文提出的多模塊功率分配差異化控制策略與均功率控制策略之間系統(tǒng)總電感電流有效值與效率。降壓工況下,平均效率提升大約1.2%;升壓工況下，平均效率大約提升0.84%，而優(yōu)化算法的峰值效率最高能達(dá)98.8%。
圖5 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)
結(jié)論
本文針對多模塊IPOP的雙有源全橋變換器系統(tǒng)，分析了每個模塊的電感電流有效值與移相角的關(guān)系，通過GA，先對單個模塊一定功率下的電感電流進(jìn)行優(yōu)化，并且從模塊間的電感參數(shù)差異出發(fā)，提出了一種系統(tǒng)總功率一定的情況下讓不同參數(shù)的模塊分別承擔(dān)不同功率的控制策略。
功率差異控制策略相比于傳統(tǒng)的多模塊均功率控制策略，無論是在升壓還是降壓的工況下，均能有效降低IPOP系統(tǒng)總電感電流有效值，并且隨著輸出功率的增加，相比于均功率控制策略的電感電流有效值減小的更多。功率差異控制算法使得整個系統(tǒng)的效率得以提高，峰值效率可達(dá)98.8%，降壓工況下，平均效率提升約1.2 %，升壓工況下，平均效率提升約0.84%。
上海交通大學(xué)電氣工程系新能源與汽車電子實(shí)驗(yàn)室長期致力于光伏儲能系統(tǒng)功率變換器、電動汽車先進(jìn)充電技術(shù)、儲能變流器方面的研究與應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人為王勇教授。主要涉及整流變換器與并網(wǎng)逆變器的先進(jìn)控制策略、雙向DC-DC變換器的效率優(yōu)化策略、多端口DC-DC變換器的優(yōu)化控制策略、儲能變流器構(gòu)網(wǎng)應(yīng)用等方向研究。團(tuán)隊(duì)的核心理念是做能落地的前沿基礎(chǔ)性研究。
近年來，該團(tuán)隊(duì)已與國內(nèi)多家知名企業(yè)合作完成科研項(xiàng)目，并且發(fā)表了多篇IEEE Transactions論文以及中文頂刊論文。
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