路灯车双向ＤＣ／ＤＣ变换器建模与阻抗分析,  中山出租路灯车, 中山租赁路灯车, 中山路灯车包月   路灯车稳定运行的首要条件是电气系统的稳定性，在混合动力路灯车中，双向ＤＣ／ＤＣ变换器是储能系统的重要组成部分，其与逆变器构成的级联系统的稳定性影响到整车运行性能，因此，明确双向ＤＣ／ＤＣ变换器结构并建立合理的理论模是后续稳定性研究的重要基础。本文首先介绍了双向ＤＣ／ＤＣ变换器拓扑及工作原理，然后对双向ＤＣ／ＤＣ变换器进行开关元件平均建模，并建立电压电流双闭环控制系统，基于闭环控制下的小信号系统框图，进行变换器的输入输出阻抗的推导。

       双向ＤＣ／ＤＣ变换器拓扑与工作原理, 混合动力动车沮牵引传动系统结构框，其中电池储能系统由双向ＤＣ／ＤＣ变换器和动力电池组构成，通过中间直流环节与逆变器－电机系统相连。 双向ＤＣ／ＤＣ变换器作为储能元件的驱动装置，用于不同等级的电压变换以及能量流控制，起到稳定中间直流环节电压的作用，是混合动力储能系统的核也元件，要求结构简单可靠，易于实现模块内部集成。双向ＤＣ／ＤＣ变换器拓扑可分为隔离和非隔离两种，由于隔离结构中使用了变压器，不仅増加了元件的数量，而且使整个系统的变换效率降低，同时导致成本的增加，难于满足体积和成本的要求，因此采用非隔离变换器。

       四种常见的非隔离双向ＤＣ／ＤＣ变换器的拓扑结构Ｐｗｑ，包括双向Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ、双向Ｃｕｋ、双向Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ、双向Ｓｑｊｉｃ－Ｚｅｔａ，这四种电路拓扑的比较。变换器拓林类ＩＧＢＴ／二极管电压应为器件数量输入输出极性双向Ｂｕｃｋ－ＢｏｏｓｔＵ、＋Ｕｉ相反双向ＣｕｋＵ、＋Ｕ，相反双向Ｓｅｐｉｃ－ＺｅｔａＵ、＋Ｕ三较多相同双向Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ，双向Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ拓化结构简单，器件数量少且器件所受电压应力小，适合大功率场合，其ＩＧＢＴ为桥臂式结构，与牵引变流器其余模块结构相似，利于变流器系统集成，故本文采用双向Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ电路作为双向ＤＣ／ＤＣ变换器的拓扑。  额定参数３３００Ｖ／１５００Ａ, 开关频率, 电感４ｍＨ,电容冲低压侧电压１１００Ｖ,高压侧电压１５００Ｖ／１７５０Ｖ,实际应用中，双向Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ电路的ＩＧＢＴ桥臂上下管单独控制、单独工作，在不同能量流动方向上分别工作在Ｂｕｃｋ和Ｂｏｏｓｔ两种独立模式。 双向Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ电路的工作原理。在Ｂｏｏｓｔ工作模式下，始终保持桥臂上管处于关断状态，通过控制桥臂下管的通断，使能量从电池流向中间直流侧，二极管Ａ起到续流作用；相应的，在Ｂｕｃｋ工作模式下，始终保持桥臂下管关断，通过控制桥臂上管的通断，使能量从中间直流侧流向电池，此时二极管到续流作用。

       双向ＤＣ／ＤＣ变换器是一个非线性、时变系统，动态分析较为复杂，现有的建模方法基本分为数值仿真法和解析建模法。解析建模法采用解析式表达，虽精确度较数値仿真法差，但物理意义明确，便于研究参数控制特性的变化，其中，状态空间平均法和开关元件平均模法较为常用ＰＵＳｌ，两者的基本指导思想都是求平均、分离扰动和线性化。与状态空间平均法相比，开关元件平均模法在不改变电路结构的基础上，直接对开关元件变量进行操作，既简化了分析过程，又保留了原电路结构，简便易行，概念清楚，因此本文采用开关元件平均法对双向ＤＣ／ＤＣ变换器进行建模。开关元件平均法建模的基本过程可归纳如下：（１）建立变换器的平均变量等效电路；（２）根据平均变量等效电路建立直流等效电路，进行稳态分析；（３）根据平均变量等效电路建立交流小信号等效电路，进行动态特性分析。

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       理想Ｂｏｏｓｔ变换器拓扑，输入端为电池电压化。输出端为直流电压Ｖ０，电路中包含０和1两个开关元件，首先求解开关元件的平均变量模。理想Ｂｏｏｓｔ变换器开关元件平均．为求解０的电流的平均变量与〇的电压Ｖｄ（的平均变量，就Ｂｏｏｓｔ变换器单个开关周期内的工作情况进行分析。１）在每个周期的时间内，０导通时截止，在每个周期的时间内，截止，在变换器满足低频假设和小纹波假设的前提下，近似认为一个开关周期内，状态变量的瞬时值与平均值相等，且平均值在一个开关周期内近似不变，得到一个开关周期内的平均变量．在等效电路中，可用平均电流为的受控电流源代替谷，用平均电压的受控电压源代替。受控电流源片和受控电压源分别可视为开关元件０和1的平均变量模。除了开关元件外，电路中其他元件的平均变量模可用平均变量伏安特性来表征。电阻、电感和电容的元件伏安特性的平均值形式与瞬时值形式相同；电压源在平均变量等效电路中用平均参数电压源代替即可。通过上述分析，得到平均变量等效电路，其电路结构与完全相同，此时电路变为时不变拓扑结构，但仍为非线性电路。

    令各平均变量等于其对应的直流分量，同时使电感短路、电容开路，即得到理想Ｂｏｏｓｔ变换器宣流等效电路。为得到交流小信号等效电路，首先对电压电流平均变量分离扰动，分别表示成对应的直流分量与交流小信号分量之和。对受控电流源的参数分离扰动，则有二阶非线性项，在满足小信号假设时可以忽略，同时消去直流项公，剰余两项，刮０为代表交流小信号作用的线性项。同理，对受控电压源分离扰动，忽略直流项和二阶非线性项后，得到其交流参数访；交流小信号等效电路，可用来分析理想Ｂｏｏｓｔ变换器的各种动态小信号特性。根据交流小信号等效电路，列出ＫＶＬ和ＫＣＬ回路方程.    考虑电感和动力电池等效电阻ｒ，只需对方程中ｓＬ项稍作改动，求解修正后的方程，得到非理想Ｂｏｏｓｔ变换器传递函数如下：输出电压（Ｓ）对输入Ｗ的传递函数,  输出电压。（５）对控制变量的传递函数Ｒ电感电流控制变量.  制动时，中间直流环节作为输入侧，输入电压，电池组作为输出侧，输出电压，双向ＤＣ／ＤＣ变换器等效为Ｂｕｃｋ变换器，Ｂｕｃｋ变换器电路拓拓扑.  参照理想Ｂｏｏｓｔ变换器的开关元件平均建模方法，先求解开关元件的平均变量，因此，在等效电路中可用平均电流为的受控电流源代替０，用平均电压为的受控电压源代替Ｄ，电阻、电感Ｉ、电容Ｃ和电压源的平均变量模与Ｂｏｏｓｔ变换器情况相同，得到理想Ｂｕｃｋ变换器平均变量等效电路。令各平均变量等于其对应的直流分量，使电感短路、电容开路，得到理想Ｂｕｃｋ变换器的直流等效电路。对受控源参数进行扰动分离，并消去直流分量和二阶非线性顶，则受控电流源的等效参数为公如），受控电压源的等效参数为饼，由此求得理想Ｂｕｃｋ变换器交流小信号等效电路。根据交流小信号等效电路，列出ＫＶＬ和ＫＣＬ回路方程．考虑电感等效电阻ｒ，对ｓＺ项进行修改，求解修正后的方程组，得到非理想Ｂｕｃｋ变换器各项传递函数如下：输出电压Ｗ对输入电压。双向ＤＣ／ＤＣ变换器闭环阻抗分析在实际应用中，双向ＤＣ／ＤＣ变换器多采用电压闭环控制，控制环节会对系统的输入输出阻抗产生影响，为便于下文应用阻抗判据分析稳定性，本节主要依据闭环控制下的小信号系统框图，对闲环输入输出阻抗进行推导。

         双向ＤＣ／ＤＣ系统常用的控制方法有单电压环控制和电压电流双环控制。单环控制结构简单、易于设计，但系统受到扰动时调节作用滞后，可用于对输出动态性能要求不高的场合；双环控制调节性能好、动态响应速度快，可实现过流保护，适用于对系统输出性能要求比较高的场合。本文在研究过程中采用基于电压外环、电流内环的双闭环控制方法，Ｂｕｃｋ和Ｂｏｏｓｔ模式共用一个ＰＩ控制系统，正负占空比自然换向，可实现ＩＧＢＴ桥臂上下管自然切换，双闭环控制框图。电压外环、电流内环控制器，占空比传递函数，直流电压、电感电流采样传递函数，成为延时环节。电流内环ＰＩ控制器的传递函数：电压外环ＰＩ控制器的传递画數：忽略延时环节的影响，，得到电流内环的开环和闭环传递函数，Ｇｖ的幅值裕度，相角裕度－９０°，Ｇｗ幅值裕度为无穷大，相角裕度９０°，故主电路电压环不稳定、电流环稳定；穿越频率分别为１１．６ｋＨｚ、５８．９ｋＨｚ，开关频率的扰动量对系统影响很大。加入电流环控制器，取ＰＩ参数分别为５、０１，得到电流环开环传递函数巧。斜率穿过增益交界频率，系统稳定，．开环穿越频率５０３Ｈｚ，为开关频率乂的１／２。取Ａ片）＝１，电压外环的开环传递函数表达式如下：取电压环ＰＩ控制参数为化０１３、００１６。相角裕度６１．３％电压外环稳定且开环截止频率，与电流内环相比响应速度慢，两者构成了一个内环响应速度快、外环稳定的控制系统。

    

    本文主要对混合动力系统双向ＤＣ／ＤＣ变换器进行了系统建模与阻抗分析。首先讨论了双向ＤＣ／ＤＣ变换器的拓扑结构及三作原理，选用双向Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ电路作为主电路拓扑，然后根据开关元件平均法分别对Ｂｕ浊模式和Ｂｏｏｓｔ模式变换器进行小信号建模及传递函数分析，最后介绍了电压电流双闭环控制系统，并基于闭环小信号结构框图，对Ｂｏｏｓｔ电路的闭环输出阻抗和Ｂｕ浊电路的闭环输入阻抗进巧分析推导，便于下一步对系统稳定性的研究。

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