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三端口隔离DC-DC变换器的暂态直流偏置机理及抑制策略
三端口隔离DC-DC变换器（TAB）作为分布式光伏接入直流配电系统的一种积极探索与尝试，具有控制灵活性高及供电可靠性好的优势。传统移相控制方法下，当移相角发生突变时，各端口电感的高频链电流及高频变压器的励磁电流中存在暂态冲击和直流偏置现象，进而可引起开关管电流应力增加，导致变压器单向饱和，威胁变换器的安全运行。
国家电能变换与控制工程技术研究中心（湖南大学）的研究人员余雪萍、涂春鸣、肖凡、刘贝，在2020年第9期《电工技术学报》上撰文，在量化TAB暂态直流偏置的基础上，从开关管驱动信号出发，剖析暂态直流偏置的形成机理，构建可抑制直流偏置分量的驱动信号数学模型，提出了两种典型的驱动信号组合方法。仿真及实验结果表明，该文所提方法不仅适用于移相角的多步阶跃跳变，在移相角连续变化的过程中也是有效的。
大力发展分布式光伏发电，是促进我国可再生能源开发利用、推进能源结构调整的重要举措。“PV阵列+蓄电池+母线负载”构成的三端口隔离式DC-DC变换器（Triple Active Bridge, TAB），每两个端口间均可实现功率的传输与变换，相较于双有源桥直流变换器（Dual Active Bridge, DAB）而言，控制灵活性更高、供电可靠性更好。
其中，高频变压器的应用不仅可以实现端口间的完全隔离与电压匹配，还可以极大地减小装置体积与重量，提升装置的整体变换效率。因此，TAB作为分布式光伏接入直流配电系统的一种积极探索与尝试，已成为新能源发电技术的关键研究热点之一。
目前有关TAB的研究工作基本还停留在初步的理论研究与探讨阶段，大量的理论与共性关键技术问题有待解决。和传统DAB类似，TAB也是通过改变端口间方波电压的移相角来调节输出功率的大小及方向。在暂态调节过程中，移相角的动态变化会打破电感的伏秒平衡，进而在变换器端口电感及变压器铁心上产生直流偏置电流。
电感的直流偏置电流会在开关器件中引入过大的峰值电流，增大开关损耗，严重时造成开关器件的损坏。变压器铁心的直流偏置电流会导致铁心工作时的磁化曲线不再关于原点对称，当偏磁严重时，铁心将进入单向深度饱和，磁化电流剧增，铁心损耗与温升增加，变换器效率降低。因此，探索TAB直流偏置的抑制方法对变换器及其关键部件的安全运行至关重要。
现有关于TAB/DAB直流偏置抑制方法的研究大多基于模态分析法，未能清晰地对其偏置机理进行剖析，或需增加额外的硬件设施，且无法同时解决串联电感及变压器励磁电感的直流偏置问题。
为避免直流偏置电流对TAB动态特性及整体变换效率的影响，确保功率器件及高频变压器的可靠运行，国家电能变换与控制工程技术研究中心（湖南大学）的研究人员提出了TAB暂态直流偏置的抑制策略，可在单位开关周期内同时抑制各端口高频链电流及变压器励磁电流的直流偏置分量，且无需增加额外的硬件设施。
首先，介绍了TAB的等效电路模型及移相控制下的稳态运行特性；然后，量化分析了TAB暂态直流偏置分量，并给出了移相角变化时直流偏置量的计算公式；最后，基于叠加定理深入剖析了直流偏置的形成机理，推导了暂态直流偏置抑制方法的数学模型，提出了两种典型的驱动信号组合方法。
图1 RT-LAB硬件在环测试平台
基于Matlab/Simulink的仿真分析及RT-LAB的实验结果验证了所提方法的正确性和有效性，可以得到以下结论：
1）在移相角恒定不变的稳态过程中，各端口串联电感及变压器漏感在一个开关周期内满足伏秒平衡关系，不存在直流偏置现象。但是随着移相角增大（减小），传输功率增加（减小），电感的伏秒平衡关系被破坏，进而产生直流偏置现象，导致开关管电流应力增大，高频变压器单向饱和，影响变换器的安全运行。
2）基于直流偏置形成机理的理论分析，改变各端口方波电压的占空比或加入与移相角相关的零电压阶段，可在一个开关周期内抑制各端口高频链电流的偏置现象。通过推导过程可以发现，该方法可以衍生出多种驱动信号的组合方式，且均独立于变换器的电路参数，无需增加额外的硬件设施，操作简单，具有较好的推广性和可移植性。
3）该方法不仅在移相角单步连续阶跃跳变时具有显著的效果，在输出电压动态调节过程中，移相角连续微小变化时同样具有明显的偏置抑制效果。当输出功率突变时，移相角发生暂态大幅突变，最终达到新稳态，在整个暂态及稳态过程中，各端口串联电感及变压器励磁电感均能保持伏秒平衡，无偏置分量。
以上研究成果发表在2020年第9期《电工技术学报》，论文标题为“三端口隔离DC-DC变换器的暂态直流偏置机理及抑制策略”，作者为余雪萍、涂春鸣、肖凡、刘贝。
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