本文是一篇电气自动化论文，本文通过结合目前两电平与三电平DAB变换器拓扑结构的优缺点，提出了一种平衡目前两电平与三电平DAB拓扑结构优缺点的新型DAB变换器拓扑并以其为研究对象，分析了其在不同调制策略下的工作过程及工作特性，研究了工作传输效率及电感电流应力优化策略。
1. 绪论
1.1 课题研究背景与意义
近年来，社会经济高速发展，全球能源消耗巨大，环境问题凸显，世界各国都在大力提倡节能减排，而我国作为负责任的大国，提出了在“十四五”期间实现“碳达峰、碳中和”。降低对传统不可再生能源的依赖，增加可再生能源发电容量，是解决目前能源及环境等问题的关键手段[1-3]。 清洁能源，如太阳能、风能等，拥有一系列显著优势，包括资源广泛分布和可再生性，这些特性使它们成为未来能源结构转型的关键。然而，在发电及应用过程中，这些能源却面临不少技术挑战，如产出的不稳定性，通常表现为波动性和分散性，以及与传统电网兼容性的非线性问题[4-5]。鉴于这些特点，有效利用清洁能源并确保能源供应的稳定性，同时最小化在转换和分配过程中的能量损失，成为当前能源科技研究和发展的一个核心课题。
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1.2 国内外研究现状
当前，在全球范围内，对双向DC/DC变换器的技术研究主要聚焦于两个核心领域：一是变换器的拓扑结构设计，二是调制策略的开发。在拓扑结构方面，双向DC/DC变换器主要分为隔离型和非隔离型两大类。每种类型根据其输出电压的电平数，又可以细分为两电平和三电平拓扑结构。选择合适的拓扑结构对于降低制造成本、提升功率密度至关重要。两电平拓扑相对简单，但在高压应用中存在局限性；而三电平拓扑能够提供更高的效率和更低的开关应力，适合于高电压、大功率的应用。在调制策略方面，移相调制和脉宽调制（Pulse width modulation, PWM）是两种常见的控制技术。移相调制可以实现软开关操作，减少开关损耗，提高变换效率，而PWM调制策略因其灵活性和可靠性而被广泛应用。不同的调制策略不仅影响充放电效率，还直接关系到变换器的整体性能表现，如响应速度、稳定性和电磁兼容性等。通过优化拓扑结构和调制策略，不仅可以提升双向DC/DC变换器的性能，还能满足不同应用场景下对变换器的特殊要求。这些研究为直流微电网系统中的能量管理提供了坚实的技术支持，有助于实现更高效、更经济的能量转换和存储解决方案[11-13]。
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2. HSTL DAB变换器及参数计算
2.1 HSTL DAB变换器工作原理
如图2-1为混合对称三电平双有源桥DC-DC变换器主电路拓扑结构，由依次连接的原边三电平混合全桥、功率交换模块、副边三电平混合全桥组成。其中的原副边三电平混合全桥结构完全对称。三电平混合全桥由三电平NPC半桥和两电平半桥并联组成，功率交换模块由辅助电感Lr和变比为n:1的功率变压器T串联组成。原边三电平混合全桥中的三电平NPC半桥包括分压电容C1-C2，钳位二极管D11-D12，功率开关管S1-S4，两电平半桥包括功率开关管S5-S6。副边三电平混合全桥中的三电平NPC半桥包括分压电容C3-C4，钳位二极管D21-D22，功率开关管Q1-Q4，两电平半桥包括功率开关管Q5-Q6。其中Vi为变换器原边直流侧电压，Vo为变换器副边直流侧电压，vp为原边桥的交流侧电压，vs为副边桥的交流侧电压，iL为电感电流。
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2.2 HSTL DAB变换器工作特性
2.2.1变换器传输功率特性
通过图2-2可知，HSTL DAB变换器在单移相调制下，其电感电流与桥口电压波形均关于半周期时刻中心对称，故其单周期平均传输功率与回流功率等于半周期平均传输功率。因此只需分析其半周期即可得到变换器工作特性。
根据上述实验结果，电流、电压幅值对比仿真结果虽略有降低，但实验结果与理论分析和仿真结果一致，验证了所得结论的正确性。 在搭建的实验平台上，测试了HSTLDAB变换器单移相调制下不同负载情况的功率传输效率，根据测试结果绘制出2-16所示的效率曲线图。
本章主要以传统单移向调制对所提HSTLDAB变换器进行了验证，并搭建了硬件实验平台，主要内容如下：
（1）首先对单周期内各过程时刻的电感电流进行建模，推导了单移相调制策略下变换器输出功率、回流功率的数学模型，分析了ZVS范围，并讨论了移相比D0与电压比k对变换器输出功率和回流功率的影响。
（2）其次从变压器和电感的磁芯材料，磁芯骨架的选型，原、副边的匝数及线径等计算进行了详细地介绍。并根据变换器设计参数对变换器器件的选取进行了说明。
（3）最后通过搭建SIMULINK仿真模型和实验平台验证了HSTLDAB变换器的基本工作原理及传输功率特性，同时印证了HSTLDAB变换器单移相调制的ZVS范围，实验结果表明HSTLDAB变换器在单移相调制下全开关ZVS范围较窄且在宽电压比时传输效率低，电压比k越大，传输效率越低，当k=4时，传输效率峰值仅有约80.5%左右。
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3.HSTL DAB 变换器变脉宽移相调制策略 ..................... 29
3.1 HSTL DAB 变换器变脉宽移相调制工作原理 ............................ 29
3.2 HSTL DAB 变换器变脉宽移相调制工作特性 ............................ 32
4.HSTL DAB 变换器电感电流应力全模式全功率范围优化策略 ...... 47
4.1 HSTL DAB 变换器电感电流应力分析 .................... 47
4.2 HSTL DAB 变换器电感电流应力优化调制 ................................ 47
5.总结与展望............................ 65
5.1 结论 ............................................ 65
5.2 展望 .................................... 65
4. HSTL DAB变换器电感电流应力全模式全功率范围优化策略
4.1 HSTL DAB变换器电感电流应力分析
根据公式（3-14），图4-1给出了在不同电压比k的情况下，电感电流应力与移相比D1、D2关系的三维曲线。通过观察可以发现，在D1、D2不变的情况下，电感电流应力随着电压比k的增大而增大；在电压比k不变的情况下，D1的增大或者D2的减小都会造成电感电流的增大。
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5. 总结与展望
5.1 结论
随着分布式直流微网功率变换器的发展，DAB变换器性能提升已逐渐成为研究热点。本文通过结合目前两电平与三电平DAB变换器拓扑结构的优缺点，提出了一种平衡目前两电平与三电平DAB拓扑结构优缺点的新型DAB变换器拓扑并以其为研究对象，分析了其在不同调制策略下的工作过程及工作特性，研究了工作传输效率及电感电流应力优化策略。得出以下结论：
（1）针对目前三电平DAB变换器的不足，本文提出了一种新型HSTL DAB变换器。基于HSTLDAB变换器的基本工作原理和单移相调制策略：1）验证了变换器的工作过程，但HSTL DAB变换器在单移向调制下不能发挥出钳位二极管的续流和钳位三电平结构的作用；探究了移相比对变换器输出功率的影响，变换器输出功率关于D0=0.5对称，且D0=0.5时，变换器的输出功率最大。2）分析了ZVS范围，当电压比k=1时，可以在全移相比范围内实现ZVS，k=5时，变换器ZVS范围缩小至移向比D0大于0.4。3）设计并搭建了实验平台，实验结果表明，HSTL DAB变换器在单移相调制下在宽电压比时传输效率低，且电压比k越大，传输效率越低，当k=4时，传输效率峰值仅有约80.5%左右。
（2）针对HSTLDAB变换器单移向调制传输效率低的问题，提出了一种单周期四电平变脉宽移相调制策略：1）提出了变换器在单周期四电变脉宽移相调制下四种工作模式，分别对各个模式进行了数学建模推导，得到了各个模式的电感电流应力、传输功率及回流功率表达式以及四种模式的功率传输范围，其中模式1到模式4功率传输范围分别为[0，64/65]、[0，1/10]、[0，1]、[0，5/8]。2）分析了其ZVS范围，并与单移相调制下的ZVS情况进行了对比，当电压比k=1时，同样可以在全移相比范围内实现ZVS，当k=5时，本文所提调制方法的ZVS范围从D1大于0.4拓宽到D1大于0.2。3）通过实验表明，所提单周期四电平变脉宽移相调制相较单移相调制可明显地提高变换器传输效率，且在高电压比和轻载时提升效果愈加明显。
参考文献（略）