雙有源橋DC-DC變換器虛擬仿真實驗平臺設計

李 梅，閆其路

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001）

雙有源橋（Dual Active Bridge，DAB）DC-DC 變換器具有電氣隔離、雙向能量流動、功率精準調節控制與快速動態響應等優點[1]，因此被廣泛應用于電力電子變壓器領域，如：高速列車電力牽引變壓器[2]、直流微電網的能量轉換和儲存系統、電動汽車中電能V2G 與V2H 等[3-5]。在面向DAB DC-DC 變換器的教學實驗或課程實踐中，由于受到實驗室資金投入高、設備維護維修困難、高電壓環境下的安全性及實驗結果的不確定性等客觀條件限制，實驗結果難以達到理想的教學預期目標。本文在響應教育部關于推進虛擬仿真實驗教學的要求下，以建設國家級一流專業為契機，使用計算機以Matlab軟件為依托，建立基于圖形用戶界面（Graphical User Interfaces，GUI）、Simulink 仿真工具箱、M 文件程序代碼為主體，設計出DAB DC-DC 變換器虛擬仿真實驗平臺，可開展變換器動態響應測試、穩態性能優化等綜合性、創新性實驗。該平臺不僅能完成各類驗證性的基礎教學實驗，學生還可通過GUI實現人機交互編寫控制程序，實現各類綜合性、創新性實驗的訓練，從而達到加深理解此變換器與探索創新控制方法的教學目的。

1 變換器建模

應用Matlab/R2016b 軟件，在GUI 中建立虛擬仿真實驗平臺。在Simulink 開發環境下搭建變換器系統仿真模型，變換器系統結構如圖1所示。

圖1 變換器系統結構

變換器工作原理為：運算控制器接收采集信號經控制程序產生移相信號D，由移相信號調制產生PWM驅動脈沖。D2為變壓器原邊側與副邊側開關管驅動信號的導通相位差，D1為原邊側開關管驅動信號的導通相位差，D3為副邊側開關管驅動信號的導通相位差。實驗時，D2進行動態響應測試，D1和D3進行穩態性能優化測試，三個移相信號的不同組合實現各類優化策略。

以圖1 拓撲為基礎建立Simulink 仿真模型，命名為：DAB.slx，其結構如圖2所示。

圖2 變換器仿真模型

為了實現操作者對實驗的控制，在仿真實驗平臺上可以對參數進行修改。模型參數分兩部分設置：固定不變參數直接在Simulink 模型中設置，可變參數由虛擬仿真實驗平臺給定。為了實驗在不同參數下、不同控制策略對變換器性能的影響，且為使實驗結果在可控范圍內，表1列出了主要參數的參考分配與設置。實驗者如果對實驗過程及實驗原理清楚，可以在創新性實驗中提出設計表1之外的合理參數，并自行驗證。

表1 變換器參數

表1 中控制策略Mode 值代表了變換器所使用的控制策略，具體描述如表2所示。

表2 變換器控制策略

系統閉環控制實現動態響應測試、穩態性能優化實驗，通過分析變換器數學模型，得到控制策略中優化目標與移相信號D的關系。圖2 中Control模塊使用Simulink 自定義函數塊中編寫控制程序實現D的輸出，其調用控制策略方法如圖3所示。

圖3 調用控制策略

通過賦予控制策略Mode 模塊不同的值，使變換器仿真系統將調用不同的控制策略。如Mode值為0，系統則為開環運行。

除實驗平臺給定的5種控制策略外，學生還可自行編寫自己設計的控制方法，通過給定Mode 值實現對控制策略的切換調用。

動態響應實驗中，需要觀測負載擾動時不同控制策略對變換器動態性能的影響。擾動負載可用圖4 所示的負載跳變模塊替代圖2 中的電阻R實現。通過設置Stair Generator 模塊控制Ideal Switch開通與關斷時間，切換不同阻值的R1、R2連接至主電路實現負載擾動的功能。

圖4 負載跳變模塊

2 變換器人機交互界面設計

虛擬仿真實驗平臺人機交互界面的設計具有兩種實現方式：一是完全通過底層代碼程序編寫，其復雜程度高，對開發者編程能力要求高；二是通過guide 命令創建GUI，直接拖拽相應控件至設計界面，再對控件編寫程序代碼，其界面簡潔，操作簡單。因此本虛擬仿真實驗平臺的界面采用第二種方法完成設計。

本虛擬仿真實驗平臺人機交互界面主要由4個區域構成，分別為：電路拓撲結構顯示區、可變參數設置區、實驗命令區以及波形結果顯示區。設計時，為了讓每個區域內的控件協調聯動，方便布局，均添加一個面板panel控件作為顯示區域的底層。通過對區域內控件的回調函數編寫程序代碼完成人機交互界面的設計，各區域主要控件組成與程序代碼如下：

（1）電路拓撲結構顯示，用1 個坐標軸axes 控件實現，Tag 標識為axes_picture。該控件回調函數編寫程序代碼如下：

axes（handles.axes_picture）;

picture=imread（‘DAB，jpg’）;

imshow（picture）;

（2）可變參數設置，包括9 個靜態文本text 控件，直接輸入可變參數的名稱與單位；5 個可編輯文本edit控件，將可變參數值傳遞至Simulink模型，以輸入電壓U1為例編寫程序，其Tag 標識為edit_U1。程序代碼為：

U1=num2str（get（handles.edit_U1，‘string’））;

set_param（‘DAB/U1’，‘amplitude’，U1）;

（3）實驗區域，由兩個按鈕pushbutton 控件組成，點擊按鈕可以調看Simulink模型與開始仿真實驗。調看模型按鈕的Callback函數程序代碼為：

open（‘DAB.slx’）;

開始仿真按鈕的程序代碼為：

options=simset（‘SrcWorkspace’，‘current’）;

sim（‘DAB.slx，[]，options’）;

（4）仿真波形結果，由6 個坐標軸axes 控件用來顯示需要觀測Simulink 模型中示波器的波形。以輸出電壓Uo為例，坐標軸axes控件Tag標識為axes_Uo，示波器數據輸出設置為Log data to workspace，變量名為Uo，保存格式為Structure With Time，則輸出電壓Uo波形的程序代碼為：

global Uo;

axes（handles.axes_Uo）;

plot（Uo.time，Uo.signals.values）;

ylabel（‘Uo/V’）;

grid on;

當需要清晰的顯示某一區間段波形時，可添加如下程序代碼：

axis（[xmin xmax ymin ymax]）;

人機交互界面其余控件的程序代碼可按上述方法一一完成。

3 虛擬仿真實驗

虛擬實驗平臺可完成的基礎實驗有負載擾動、電流應力和回流功率優化，其內置5 種控制策略。人機交互界面完成表1中平臺給定參數值的寫入，變換器控制策略選擇以開環運行與閉環穩態優化兩種方法為例。

為對比兩種控制策略的結果，對實驗的可變參數均設為一致，圖5、圖6 左下角可變參數設置模塊，點擊“開始仿真”按鈕分別進行實驗。實驗結果分別如圖5、圖6 中右側仿真波形所示，其中Uo和io分別為輸出電壓和輸出電流波形，iL和Pbf分別為電感電流應力和回流功率波形。

圖5 虛擬仿真實驗平臺開環運行界面

圖6 虛擬仿真實驗平臺閉環穩態優化界面

分析圖5 和圖6，看出不同控制策略對變換器性能影響如下：

（1）由輸出電壓、電流波形知：動態響應方面，閉環控制相對開環控制能夠快速達到電壓穩定輸出；當負載在0.1s時刻發生擾動，開環控制無法穩定輸出電壓，而閉環控制能夠快速維持輸出電壓穩定。

（2）由電感電流應力與回流功率波形知：穩態性能優化方面，開環控制變換器存在回流功率，且峰值約為1600W，電感電流應力約為18A；采用優化策略時，變換器回流功率基本為0，電感電流應力約為13A，相比開環控制，變換器性能明顯改善。

4 結語

虛擬仿真實驗平臺基于Matlab 軟件中Simulink、GUI、M 語言程序代碼三者聯動，設計出雙有源橋DC-DC 變換器仿真實驗平臺。由仿真實驗，證明了所設計的虛擬仿真實驗平臺是可行的，能進行雙有源橋DC-DC 變換器的基礎實驗。同時，該平臺給學生提供了對變換器進行創新控制方法的渠道，學生在掌握該變換器知識后，可自行設計其他控制策略進行實驗驗證，克服了對于實驗設備的依賴性。