鄭天奇，謝寶昌，b，蔡旭，b

(上海交通大學(xué) a.電子信息與電氣工程學(xué)院風(fēng)力發(fā)電研究中心 b.海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

0 引言

隨著高壓直流輸電和分布式電能利用技術(shù)發(fā)展，多端直流電網(wǎng)是未來分布式輸配電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)［1］。不同等級直流電網(wǎng)通過中頻變壓器隔離，采用DC/AC-中頻變壓器-AC/DC的拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)直流電網(wǎng)的互聯(lián)，故障容錯性好。對大功率DC/DC變換器的研究有很多，研究方向是諧振變換器，及變壓器的拓撲結(jié)構(gòu)［2］。本文從對變壓器的拓撲結(jié)構(gòu)和控制方法提出一些新的想法。

文獻［3］提出了一種雙有源半橋拓撲結(jié)構(gòu)，與全橋結(jié)構(gòu)相比精減了器件數(shù)目，還可以提高系統(tǒng)效率，控制方法也簡單，但是電路結(jié)構(gòu)需要兩個電容串聯(lián)，實際中會出現(xiàn)兩個串聯(lián)電容電壓值不平衡的現(xiàn)象。

正弦波中頻變壓器需要采用多電平移相控制技術(shù)，多電平控制電路拓撲結(jié)構(gòu)通常采用中性點二極管鉗位或飛跨電容均壓，以及H橋級聯(lián)方式，這些拓撲結(jié)構(gòu)和控制方法十分復(fù)雜，而且不同功率開關(guān)管的通斷電流大小和時間長短都不均衡［3］，造成功率開關(guān)管和續(xù)流二極管的損耗發(fā)熱不一樣，容易造成有些器件熱老化嚴重，影響系統(tǒng)可靠性。

本文提出一種單相多線圈中頻變壓器的雙向高壓DC/DC拓撲結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以有效地改善中頻變壓器繞組功率流的雙向控制過程中電壓和電流的時間變化率，自動實現(xiàn)對電容器電壓的均衡，控制靈活，可有效地避免功率控制器件觸發(fā)導(dǎo)通不同步引起的功率器件承受電壓不可控問題，有效抑制直流電容充電電流和直流電源的電流紋波。利用Simulink仿真模型逐步分析得出最終的變壓器控制方法，通過仿真實驗驗證了所提方法的有效性。

1 變壓器拓撲結(jié)構(gòu)

單相多線圈中頻方波變壓器的高壓DC/DC拓撲結(jié)構(gòu)是一種新型的變壓器結(jié)構(gòu)。變壓器繞組每個線圈單獨引線到控制器，控制器采用多級半橋控制單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)，每個半橋控制單元由兩條并聯(lián)支路組成，兩條支路的中間點分別連接變壓器繞組的一個線圈。變壓器同一繞組每組線圈的半橋控制單元順極性串聯(lián)起來，組成繞組控制拓撲，兩組控制拓撲經(jīng)濾波電感分隔后順極性串聯(lián)。這種結(jié)構(gòu)可以有效地改善功率器件電壓和電流應(yīng)力，能實現(xiàn)高于變壓器電壓的直流母線電壓變換。

變壓器的繞組排列結(jié)構(gòu)如圖1所示，這種結(jié)構(gòu)有別于傳統(tǒng)的工頻變壓器殼式結(jié)構(gòu)的繞組排列方式，主要是考慮到漏感對輸入輸出電壓相位差的影響，可以通過調(diào)整高低壓繞組的間距改變漏感的大小。兩組高壓繞組線圈夾在兩組低壓繞組線圈中間，相鄰線圈之間用絕緣板隔開。

圖2示出變壓器半橋控制單元拓撲結(jié)構(gòu)。圖3示出單側(cè)雙向DC/DC控制拓撲結(jié)構(gòu)。

圖1 變壓器繞組排列結(jié)構(gòu)圖

圖2 單線圈控制半橋拓撲結(jié)構(gòu)

圖3 雙向DC/DC控制拓撲結(jié)構(gòu)

2 變壓器二次側(cè)控制的實現(xiàn)

2.1 二次側(cè)線圈控制電路

圖4為二次側(cè)單線圈半橋控制單元的仿真電路，變壓器線圈作為電源對外輸出功率。將線圈感應(yīng)電勢(假設(shè)為正弦波)等效成電源，外加漏電感和電阻。為了測試輸出電壓和電容電壓波形的變動，在外部連接二極管和直流電源作為負載。

電容電壓較小時電路為不控整流狀態(tài)，線圈電源Us在正負半波分別經(jīng)二極管對上下兩個電容C1和C2充電。待電容電壓達到一定大小時，采用可控整流使兩電容電壓Uc1和Uc2之和快速達到外部負載直流電壓。通過控制開關(guān)使電容充放電達到動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)并輸出所需的功率。

圖4 二次側(cè)單線圈半橋控制電路圖

2.2 控制策略

為提高二次側(cè)輸出電流的大小，以提升整體輸出功率，采用如下控制方法:電容充電完畢后，當(dāng)電源處于正半周Us＞0時，控制IGBT1導(dǎo)通，這時電源Us和電容C2串聯(lián)，兩者電壓使線圈輸出的電流增強;當(dāng)電源處于負半周Us＜0時，控制IGBT2導(dǎo)通，這時電源Us和電容C1串聯(lián)，兩者電壓使線圈輸出的電流減小。

基于該控制策略的電源輸出功率如圖5所示。由圖5可知每個周期內(nèi)都存在變壓器線圈吸收功率的時間。這是因為電容電壓波動和線圈電流連續(xù)條件下存在不完全可控的整流模式，即電源輸出的電流和電源電壓方向相反。為此需要采用新的控制策略，使得線圈的電源電壓和輸出電流同相位。

要保證電源電壓與電流同相位，采用電流滯環(huán)控制策略，如圖6所示。

圖6 電流滯環(huán)控制框圖

根據(jù)所需輸出功率，計算指令電流幅值，再結(jié)合電壓波形確定指令電流。公式如下:

式中P為輸出功率，u(t)、i(t)分別為電壓和電流的瞬時值，U、I和Um、Im分別為其有效值和幅值。

滯環(huán)控制方法采用瞬時值比較的方式，具有電流跟蹤精度高，動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點［5］.電流的指令值與實際值之差作為滯環(huán)的輸入，根據(jù)滯環(huán)控制的特性當(dāng)誤差絕對值超過滯環(huán)所設(shè)的閾值時改變IGBT的導(dǎo)通狀態(tài)，否則保持原來IGBT的控制狀態(tài)。

此控制方法也存在問題，如圖7所示，在一個周期內(nèi)，大部分時間電流可以完美跟蹤，同時存在不能跟蹤的時間區(qū)間，且這段時間內(nèi)實際電流值與理想值相差較大。通過觀察看出，這種狀態(tài)發(fā)生在電源電壓靠近峰值的時刻。這是因為電源電壓大于當(dāng)前的總電容電壓。如電壓在正半周時，實際的電流和理想電流差高于閾值，使IGBT2導(dǎo)通，希望減小電流，但此時Us＞Uc1，IGBT2不能導(dǎo)通，電流通過二極管續(xù)流繼續(xù)增大。

為了改善這種控制方法所帶來的缺陷，必須使電容電壓大于電源電壓峰值，進一步仿真結(jié)果如圖8所示，獲得比較理想的電流電壓同相位控制效果。

這種控制方法可以有效地改善電源吸收功率的問題，提高系統(tǒng)的效率。電源發(fā)出功率和輸出功率的波形如圖9所示。

圖7 不夠完美的電流跟蹤波形圖

圖8 比較理想的電流跟蹤波形圖

圖9 滯環(huán)控制策略的功率波形圖

3 變壓器雙側(cè)控制的實現(xiàn)

3.1 控制方法

在單側(cè)的輸出線圈單元模塊基礎(chǔ)上，搭建較為完備的變壓器雙側(cè)DC/DC控制系統(tǒng)。每一側(cè)的功率開關(guān)管按順序奇偶數(shù)編號。

輸入側(cè)各半橋控制單元的功率開關(guān)管奇數(shù)與偶數(shù)編號輪換導(dǎo)通，保持變壓器輸入側(cè)線圈同名端電壓極性相同，輪流將各半橋控制單元的兩個電容電壓加到變壓器輸入側(cè)對應(yīng)線圈，即形成方波電壓輸入線圈。這樣變壓器磁芯內(nèi)部形成耦合磁場，并在變壓器輸出側(cè)各線圈產(chǎn)生電壓，再通過變壓器輸出側(cè)各半橋控制單元的功率開關(guān)管奇數(shù)與偶數(shù)編號輪換導(dǎo)通，將變壓器輸出側(cè)的線圈電壓輸出，并輪流對各半橋控制單元的兩個電容器充電。概括來說，輸入側(cè)控制開關(guān)管產(chǎn)生方波輸入線圈，輸出側(cè)按3.2中的控制策略對開關(guān)管控制。

當(dāng)輸入端與輸出端的各串聯(lián)電容器形成的總直流電壓達到預(yù)期穩(wěn)定狀態(tài)后，根據(jù)輸入端和輸出端的總直流電壓穩(wěn)定要求進行功率控制。

3.2 仿真方法與結(jié)果

兩側(cè)各有兩個線圈控制單元串聯(lián)，與單個線圈仿真不同的是，線圈通過變壓器同一磁芯耦合，類似多繞組變壓器可以用相互耦合的多個線圈來示意表達［6］。通過仿真模塊設(shè)定各繞組的電阻、自感和互感值。測量輸入功率、輸出功率，如圖10所示。

圖10 輸入功率、輸出功率波形

電容電壓波動以及輸入和輸出側(cè)線圈上的方波電壓如圖11所示。當(dāng)電壓穩(wěn)定時，每個電容電壓的波動約為0.6%，測出輸入平均功率為4.241×105W，輸出平均功率為4.175×105W。一次側(cè)和二次側(cè)的控制信號波形如圖12所示。

圖11 兩側(cè)線圈電壓及電容電壓波形

圖12 一次側(cè)和二次側(cè)控制信號波形

在仿真過程中，輸入功率可能會出現(xiàn)小于0的時刻，可以通過提高電容的初始電壓值解決，串聯(lián)后的電容初始電壓要高于直流電源電壓，用以保證電容電壓在波動的情況下也不會超過電源電壓。

4 結(jié)束語

本文提出了一種單相多線圈中頻變壓器級聯(lián)DC/DC控制拓撲結(jié)構(gòu)及方法，與傳統(tǒng)控制方法相比，簡單且能均衡不同開關(guān)管的導(dǎo)通電流大小和通斷時間長短，功率開關(guān)器件能實現(xiàn)零電流導(dǎo)通，避免多電平控制器件因發(fā)熱不均或觸發(fā)不同步等引起的問題，直流母線各電容電壓具有自主平衡功能，減少電流紋波。

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