损耗型DAB变换器在储能系统中的频域功率流特性分析

阻隔型双有源桥(DAB)DC-DC变换器已成为电动汽车充电、固态变压器、电池储能体系、可再生能源功率转化等领域中重要的双向功率流变换器。然而DAB实践传输功率取决于其等效损耗重量，需进行准确表征。现有文献中DAB变换器的简化功率传输表达式均未考虑变换器损耗，导致其在90°移相角时出现最大功率传输特性。传统时域办法或许导致对储能电池所需电源功率的错误核算。本文提出了一种频域办法，用于推导考虑电池储能等效损耗重量的双有源桥(DAB)双向变流器中闭合方式有功功率流的表达式。该变流器剖析选用了根本线性体系理论和傅里叶扩展包。为简化功率流核算，使用了棣莫弗定理和多对数函数。有功功率传输的表达式被推导为无穷级数和显式闭合方式两种方式。根据最大功率传输的推导成果，可核算出所需的相移角，该视点取决于DAB中的体系参数和损耗重量。实践最大功率传输所需的相移角会超过抱负的90°。根据PSCAD/EMTDC软件的模拟与Spartan 3AN FPGA平台的试验数据被用于变流器运转剖析及成果验证，研讨标明向电池组传输额定功率需额定消耗8-10%的功率。

导言

根据高频变压器的双有源跨链桥(DAB)DC-DC变换器凭借其高频运转特性和双向大功率传输能力[1]，在电池充电使用中成为重要解决方案。针对DAB在不同工况下的损耗核算是其要害规划需求。现有研讨尝试选用包含零电压开关(ZVS)在内的多种技能来降低变换器损耗[2]，特别是在轻载条件下。许多高功能电动汽车(EV)选用DAB及其衍生拓扑结构，用于完成高压直流母线与电池充电电压之间的能量传输[3]。在大规模储能使用中，需要选用多DAB并联架构[4]。
选用大信号模型和频域小信号模型进行稳定性剖析对DAB稳定运转至关重要[5]。频率响应建模可在宽谐波范围内一起表征沟通与直流状况[6]。DAB变换器的建模及其剖析对操控器规划、体系参数挑选及全体体系规划具有重要价值。该变换器的小信号均匀模型有助于其操控器规划。DAB双向DC-DC变换器可选用离散时刻或连续时刻办法进行建模[7]。在DAB状况空间与均匀建模中，与变换器高频沟通链路级相关的状况变量带来了建模挑战，由于这些办法需满意小纹波近似条件。然而DAB中的电流沟通电链接转化阶段是朴实的沟通电其均匀直流值为零[8]。
根据傅里叶级数的建模办法在文献中已被研讨用于DAB变换器的小信号和大信号建模。文献[9]选用了根据一次谐波近似的傅里叶级数办法，但会导致大信号稳态差错。文献[10]尝试对DAB三相变换器进行无限级数电流与功率流特性描述。DAB变换器的主要功能是完成双向均匀直流有功功率传输，然而高频重量...沟通电- 非正弦电气变量及其对变换器功能的影响：Riedel等人[11]通过DAB沟通链路电压的谐波剖析，保证零电压开关(ZVS)运转并完成变换器损耗最小化。
文献中探讨的大大都案例均针对无损DAB变换器，这类研讨疏忽了开关器材、无源元件及高频变压器中损耗的重要性。现有研讨主要报道了DAB DC-DC变换器的时域剖析，用于表征功率活动及其与移相角的关系[9,12,13]，但均未考虑DAB中的损耗要素。
频域剖析有助于更深入地理解变换器的特性[14,15]。上述研讨中选用的办法根据Tsypkin剖析来表征逆变器的开关特性。该办法具备考虑损耗重量并推导DAB闭环功率流特性的潜力。
Zhao等学者[16]提出了用于表征高频沟通链路与功率流的频域剖析办法。然而该解决方案仅限于无限级数方式，且未考虑DAB变换器中的损耗。Shah等人[13]曾针对DAB DC-DC变换器提出功率流剖析办法，并在无损耗假定条件下进行了简化处理[13]。但实践使用中，电力电子变换器的运转会遭到器材寄生参数影响，导致损耗添加与功能劣化。双向潮流剖析的准确核算中，换流器损耗至关重要。开关器材的挑选对表征双有源桥（DAB）损耗具有重要影响，特别是在多活性跨链桥使用中[17]。
Xiao等人[18]提出选用高频沟通链路电气参数，将瞬时功率分解为均匀功率与动摇功率重量，用以描述DAB变换器的信号强度与能量特性。但该剖析仅限于无损变换器模型，且更侧重于不同调制技能的研讨。Cui等人[19]最近研讨了选用先进半导体和磁性元件的DAB变换器体系中高频振动的或许来源，并提出了高频振动最小化办法以提高变换器功能。特别是Pan Z.等人[20]在DAB中解决了二次谐波电流最小化问题。多种DAB变换器操控办法如反应操控、前馈操控、滑模操控和预测电流操控等已在文献[[21], [22]]中得到研讨，一起探讨了实践操控问题及或许的解决方案。大都操控办法通过相移改变来调节DAB变换器的功率活动。为完成从电源到储能电池的抱负功率传输，把握正确的相移角对操控器的有效规划至关重要。
文献中大大都DAB增强型模型都聚集于不同的调制技能，如扩展相移、双相移或三相移等[13]。同样，针对DAB损耗的各个组成部分也从不同视点进行了研讨，例如：用于稳定性研讨的小信号建模，以及用于动态功能剖析的大信号建模[7,8]。在DAB领域，频域剖析已被广泛使用于谐波近似和稳态剖析等[9,10,11]。目前，文献中已有关于有功功率的显式表征，但均疏忽了损耗的影响。本文提出了一种根据频域的DAB增强型建模办法，用于表征功率流，并考虑了其等效损耗组件。
在考虑等效损耗重量的情况下，本文选用频域办法推导了双有源桥（DAB）双向变换器中闭式有功潮流表达式。根据线性体系理论和傅里叶级数扩展包，通过稳态潮流剖析完成了功率传输的推导。运用棣莫弗定理和多对数函数，分别以无穷级数方式和限制级闭式方式导出了有功功率传输表达式。一起选用无穷级数表达式完成了潮流谐波特性的表征。根据闭式表达式推导出了完成最大功率传输所需的移相角数值。核算标明，为完成最大功率传输所需的移相角需大于90°，其具体数值取决于体系参数和等效损耗重量。模拟成果与试验数据验证了所提剖析定论的正确性。