陳宇，韓民曉，王皓界，盛萬(wàn)興

(1.新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京市 102206;2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市100192)

基于模塊化三電平方式的中壓直流配電網(wǎng)DC/DC換流器設(shè)計(jì)

陳宇1，韓民曉1，王皓界1，盛萬(wàn)興2

(1.新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京市 102206;2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市100192)

中壓直流配電網(wǎng)與直流負(fù)荷、直流微電網(wǎng)的互聯(lián)是實(shí)現(xiàn)直流配電網(wǎng)的關(guān)鍵，這將迫切需要一種適應(yīng)于中壓和低壓大跨度變比的直流變壓器(即DC/DC換流器)。三相雙主動(dòng)全橋(dual-active bridge, DAB)換流器具備可隔離、可實(shí)現(xiàn)雙向功率流動(dòng)、濾波器體積小等優(yōu)點(diǎn)，該文基于三相DAB換流器拓?fù)洌Y(jié)合中壓直流配電網(wǎng)DC/DC換流器高壓側(cè)電壓應(yīng)力大、低壓側(cè)電流應(yīng)力大等特性，設(shè)計(jì)了一種基于三電平方式的DC/DC換流器模塊，進(jìn)而采用輸入串聯(lián)、輸出并聯(lián)的模塊化級(jí)聯(lián)方式設(shè)計(jì)了中壓直流配網(wǎng)DC/DC換流器。最后，提出了換流器模塊高、低壓側(cè)協(xié)調(diào)控制方式以及模塊化DC/DC換流器的輸入電壓均分、輸出電流均分控制方式，并在MATLAB/Simulink里驗(yàn)證了其可行性。

中壓直流配網(wǎng)；直流變壓器；三相雙主動(dòng)全橋換流器；三電平；高頻變壓器；輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)

0 引 言

隨著環(huán)境污染和能源短缺等問(wèn)題的出現(xiàn)，具有節(jié)能環(huán)保、配置靈活、初始投資小、供電可靠性高和適合可再生能源開發(fā)等多種優(yōu)點(diǎn)的分布式電源得到了快速發(fā)展，尤其是隨著智能電網(wǎng)的迅速發(fā)展，分布式電源及儲(chǔ)能單元的靈活接入成為了智能電網(wǎng)建設(shè)中的重要發(fā)展目標(biāo)之一。功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(power conversion system，PCS)技術(shù)作為分布式電源并網(wǎng)和實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)快速靈活控制的重要手段應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。然而，隨著微電網(wǎng)、柔性直流配電網(wǎng)的發(fā)展，對(duì)PCS提出了新的要求，功能上要求功率轉(zhuǎn)換器能在不同電壓等級(jí)的配電網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率的靈活控制和智能管理。

中壓直流配電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換的DC/DC換流器作為PCS中的關(guān)鍵技術(shù)，需要適應(yīng)未來(lái)直流電網(wǎng)發(fā)展的多種電壓等級(jí)，研究一種適應(yīng)中低壓等級(jí)變化的DC/DC換流器，有利于直流微電網(wǎng)、直流負(fù)荷等與中壓直流配電網(wǎng)互聯(lián)。目前世界上對(duì)高壓直流輸電網(wǎng)和低壓直流微網(wǎng)中DC/DC換流器的研究比較成熟，對(duì)中壓直流配網(wǎng)中DC/DC換流器的研究有一定借鑒意義。文獻(xiàn)[2-3]基于模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)設(shè)計(jì)了高壓大功率DC/DC換流器，但是由于需要構(gòu)造復(fù)雜的動(dòng)、靜態(tài)均壓、均流電路，造價(jià)昂貴，不利于在中壓直流電配網(wǎng)中推廣。三電平技術(shù)包括二極管鉗位型、飛跨電容型三電平換流器，具備能承受高電壓等級(jí)、改善交流側(cè)電能質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)[4]，可以應(yīng)用于中壓直流配電網(wǎng)中[5-8]。

除了滿足能適應(yīng)多種高電壓等級(jí)的要求，中壓直流配電網(wǎng)DC/DC換流器還要求高效率，易控制，提供雙向功率流動(dòng)，并在需要的時(shí)候提供冗余，這些要求可以通過(guò)雙主動(dòng)全橋(dual-active bridge, DAB)換流器實(shí)現(xiàn)[9-10]。文獻(xiàn)[11]表明三相DAB換流器具備隔離、可實(shí)現(xiàn)雙向功率流動(dòng)、濾波體積小等優(yōu)點(diǎn)，相較單相DAB換流器可以提供最大傳輸功率，減少模塊化數(shù)目，有利于功率密度的提升。同時(shí)，三相DAB換流器結(jié)構(gòu)可以結(jié)合高頻變壓器實(shí)現(xiàn)DC/DC換流器的輕量化、小型化等目標(biāo)[12]。盡管受到變壓器鐵芯、繞組等材料的限制，高頻變壓器的功率只能達(dá)到MW級(jí)，但應(yīng)用于幾MW功率級(jí)別的中壓直流配電網(wǎng)綽綽有余。

本文基于三相DAB換流器的基本結(jié)構(gòu)，對(duì)傳統(tǒng)的單相雙主動(dòng)全橋換流器進(jìn)行優(yōu)化，高壓側(cè)采用三電平方式，低壓側(cè)采用整流器并聯(lián)方式，變壓器環(huán)節(jié)采用高頻變壓器，來(lái)設(shè)計(jì)中壓直流配電網(wǎng)DC/DC換流器模塊；然后，以此為基礎(chǔ)對(duì)模塊進(jìn)行輸入串聯(lián)、輸出并聯(lián)的模塊化級(jí)聯(lián)，設(shè)計(jì)中壓直流配電網(wǎng)DC/DC換流器，提出模塊層面的高低壓協(xié)調(diào)控制方法和DC/DC換流器層面的輸入電壓、輸出電流均分控制方法，并且在MATLAB/ Simulink里驗(yàn)證DC/DC換流器在穩(wěn)態(tài)、負(fù)荷投切、電壓躍變等多種工況下控制策略的可行性。

1 中壓直流配電網(wǎng)與HFI-PCS

典型的中壓直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，交流主網(wǎng)通過(guò)雙向并網(wǎng)換流器(grid voltage source converter, G-VSC)與中壓直流(medium voltage direct current, MVDC)配電母線相連，在并網(wǎng)狀態(tài)下G-VSC為MVDC配電母線提供電壓支撐，相當(dāng)于一個(gè)直流電壓源系統(tǒng)。MVDC配電母線通過(guò)直流固態(tài)變壓器，即電力電子變壓器(electronic power transformer, EPT)與低壓直流(low voltage direct current, LVDC)配電母線相連，與LVDC配電母線相連的分布式電源、交直流負(fù)荷和儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，或者直接給直流負(fù)荷供電。

圖1 中壓直流配電網(wǎng)架構(gòu)Fig.1 Framework of MVDC distribution network

目前，高輸入電壓應(yīng)用場(chǎng)合下的DC/DC換流器通常采用的思路是輸入串聯(lián)、輸出并聯(lián)(input-series-output-parallel, ISOP)，這種方式能夠降低開關(guān)管電壓應(yīng)力，同時(shí)可以通過(guò)將低壓低功率標(biāo)準(zhǔn)化的模塊相互連接組合實(shí)現(xiàn)各種大功率等級(jí)，滿足系統(tǒng)要求[13-16]。非隔離型變換器雖然結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，體積輕盈，但應(yīng)用于電壓傳輸比較大的場(chǎng)合時(shí)由于容易受極限占空比的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)較大變壓比，如果增加模塊數(shù)目，則不利于功率密度的提升[17]。因此，采用隔離變壓器的隔離型雙向DC/DC變換器更適合高電壓高功率場(chǎng)合。

本文研究的新型隔離型雙向DC/DC變換器，又稱為高頻隔離功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(high frequency isolation- power conversion system, HFI-PCS)如圖2所示。DC/DC換流器通過(guò)DC/AC/DC連接的方式將高壓端和低壓端通過(guò)變壓器隔離，高壓端采用多電平結(jié)構(gòu)降低開關(guān)器件電壓應(yīng)力，低壓端采用并聯(lián)形式限流，變壓環(huán)節(jié)采用高頻隔離(high frequency isolation, HFI)變壓器，該系統(tǒng)具有PCS體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，并可避免傳統(tǒng)工頻變壓器由于鐵心磁飽和造成系統(tǒng)中電壓電流波形畸變的問(wèn)題，同時(shí)提高開關(guān)頻率可極大地降低PCS運(yùn)行噪聲[1]。

圖2 ISOP DC/DC換流器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of ISOP DC/DC converter

同時(shí)，這種新型隔離型雙向DC/DC換流器是將多個(gè)DC/DC換流器模塊通過(guò)ISOP方式級(jí)聯(lián)，而傳統(tǒng)的ISOP方式的DC/DC換流器的交流環(huán)節(jié)采用單相變壓器連接方式，不利于大功率化的實(shí)現(xiàn)，隨著高頻變壓器輕型化和碳化硅(SiC)等新一代寬禁帶半導(dǎo)體器件的提出，三相變壓器連接方式有利于多臺(tái)甚至1臺(tái)DC/DC換流器高壓大功率的實(shí)現(xiàn)，且利用三相電壓、電流信號(hào)解耦控制優(yōu)化了控制方式。

2 DC/DC換流器模塊

2.1 模塊拓?fù)?/p>

DC/DC換流器模塊拓?fù)淙鐖D3所示，高壓端采用三相三電平NPC(neutral point clamped)結(jié)構(gòu)，每個(gè)功率器件僅承受1/2的母線電壓，可以用低耐壓的器件實(shí)現(xiàn)高壓大功率輸入，并且通過(guò)電平數(shù)的增加改善了輸入高頻變壓器的電壓波形，減少了電壓波形畸變(THD)。三電平NPC結(jié)構(gòu)通過(guò)LC濾波器與三相三繞組高頻變壓器相連，副邊2個(gè)繞組為低壓端提供兩路并聯(lián)結(jié)構(gòu)，變壓器采用Y/Δ/Δ接法，防止低壓端的三次諧波注入高壓端。低壓端采用2個(gè)三相全橋AC/DC變換器并聯(lián)到同一穩(wěn)壓電容上構(gòu)成整流電路為低壓側(cè)母線供電。高頻變壓器兩端采用三相結(jié)構(gòu)的目的是為了在并網(wǎng)狀態(tài)下可以對(duì)逆變側(cè)進(jìn)行DQ解耦控制，實(shí)現(xiàn)U/f控制以調(diào)節(jié)交流側(cè)電壓和頻率穩(wěn)定，且整流側(cè)采用雙閉環(huán)控制。

圖3 DC/DC換流器模塊拓?fù)銯ig.3 Topology of DC/DC converter module

2.2 變換器工作原理

2.2.1 三電平變換器

三電平變換器的一個(gè)橋臂可以等效為圖4(a)結(jié)構(gòu)，p、o、n分別代表橋臂工作在+1、0、-1狀態(tài)下，整個(gè)變換器的等效結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示，Lf為交流側(cè)濾波電感，Rs為逆變器交流側(cè)等效電阻。

由解析法可得abc靜止三相坐標(biāo)系下的等效模型[18]：

(1)

其中

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：C1、C2為直流側(cè)電容；ia、ib、ic為交流側(cè)三相輸出電流；uC1、uC2為直流側(cè)電容電壓；Sap、Sbp、Scp和San、Sbn、Scn分別表示各相對(duì)應(yīng)+1和-1的工作狀態(tài)。

圖4 三電平變換器等效結(jié)構(gòu)Fig.4 Equivalent structure of three-level converter

對(duì)abc靜止三相坐標(biāo)系下的等效模型進(jìn)行dq變換得到dq坐標(biāo)系下的等效模型：

(6)

其中

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：id、iq為ia、ib、ic經(jīng)過(guò)T3s/2r變換后的電流；Sdp、Sqp和Sdn、Sqn為Sap、Sbp、Scp和San、Sbn、Scn經(jīng)過(guò)T3s/2r變換后的開關(guān)量;ω為dq坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角頻率。

2.2.2 整流器并聯(lián)

單個(gè)PWM(pulse width modulation)整流器不存在環(huán)流回路所以沒(méi)有環(huán)流，而多個(gè)整流器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)為環(huán)流提供了通路，可能在模塊間形成環(huán)流，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。根據(jù)戴維南定理，PWM整流器模塊可以等效為一個(gè)理想電壓源和一個(gè)輸出阻抗串聯(lián)，2個(gè)PWM整流器模塊并聯(lián)組成的系統(tǒng)的等效電路如圖5所示，R1、R2分別為模塊1和模塊2的等效輸出阻抗，i1、i2分別為流過(guò)模塊1和模塊2的電流，udc為并聯(lián)模塊連接處的母線電壓，各模塊按照外特性曲線分配負(fù)載電流，單個(gè)模塊分別有以下關(guān)系：

udc=u1-R1i1=u2-R2i2

(11)

由圖3可知R1=R2，當(dāng)u1≠u2時(shí)，2個(gè)模塊的電壓電流曲線如圖6所示，可知，當(dāng)且僅當(dāng)u1=u2時(shí)使得i1=i2。因此，在DC/DC換流器設(shè)計(jì)中，將三繞組高頻變壓器的兩次級(jí)繞組匝數(shù)設(shè)計(jì)為相同匝數(shù)，使得u1=u2，從而實(shí)現(xiàn)兩路整流器均流。

圖5 并聯(lián)系統(tǒng)的等效電路圖Fig.5 Equivalent circuit diagram of parallel system

圖6 輸入電壓不同時(shí)電壓和電流關(guān)系Fig.6 Current-voltage diagram with different voltage input

2.2.3 高頻變壓器

高頻變壓器的高頻磁性元件主要是磁芯和繞組。高頻變壓器使用帶磁芯線圈，這樣可以使磁場(chǎng)集中充分利用，減少電感或變壓器尺寸，增加電感量或傳輸能量。磁芯材料要求飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高，較小的磁芯截面積就可以產(chǎn)生較大的磁通，特別是磁芯在通過(guò)較高頻率磁通時(shí)損耗仍較低，目前使用比較多的大功率高頻變壓器磁芯材料多為非晶合金或超微晶材料。

目前使用的繞組線包采用真空浸漆及環(huán)氧樹脂灌封工藝以保障安全可靠運(yùn)行，同時(shí)由于中高頻所產(chǎn)生的趨膚效應(yīng)明顯，電感線的電流密度要小，所以使用專用的高頻電感線。

設(shè)計(jì)的高頻變壓器應(yīng)工作在磁特性曲線的線性段，假設(shè)磁芯沒(méi)有漏磁，在理想情況下滿足：

(12)

式中：U1、U2分別為初、次級(jí)電壓；i1、i2分別為初、次級(jí)電流；W1、W2分別為初、次級(jí)繞組匝數(shù)。

2.3 控制和調(diào)制策略

DC/DC換流器模塊雖然通過(guò)高頻變壓器隔離，但是高低壓兩端還是相互聯(lián)系的，在協(xié)調(diào)控制策略的設(shè)計(jì)上應(yīng)該整體考慮。如圖8所示，在換流器模塊的正常運(yùn)行過(guò)程中，高壓母線的功率從高壓端模塊饋入，直流側(cè)電壓由電網(wǎng)提供剛性支撐，模塊采用U/f控制方式進(jìn)行并網(wǎng)。高壓側(cè)三電平變換器采用(space vector pulse width modulation，SVPWM)調(diào)制方式，這種調(diào)制方法除了具有電壓利用率高、開關(guān)損耗低、易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)、物理概念清晰等優(yōu)點(diǎn)之外，在三電平變換器中還能有效解決直流側(cè)電容均壓?jiǎn)栴}。

圖7 高頻變壓器模型Fig.7 High frequency transformer model

換流器模塊低壓側(cè)輸出與低壓母線相連，母線上主要為直流微網(wǎng)母線、直流負(fù)荷以及分布式電源等設(shè)備，調(diào)節(jié)母線電壓穩(wěn)定以保證母線上設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，2臺(tái)并聯(lián)的整流器共用同一電源與穩(wěn)壓電容，采用統(tǒng)一電壓外環(huán)、分別電流內(nèi)環(huán)的控制方式。

圖8 DC/DC換流器控制方式Fig.8 Control strategy of DC/DC converter

2.3.1 比例因子中點(diǎn)平衡調(diào)制

SVPWM調(diào)制方式下，只有小矢量和中矢量對(duì)中點(diǎn)有影響，大矢量沒(méi)有任何影響[20]，因此在SVPWM調(diào)制算法中利用小矢量成對(duì)的特點(diǎn)，調(diào)節(jié)正負(fù)小矢量作用時(shí)間，可以達(dá)到控制直流側(cè)中點(diǎn)平衡的要求。比例因子中點(diǎn)平衡控制的實(shí)現(xiàn)方法是根據(jù)直流側(cè)上下兩電容的電壓差的大小，實(shí)時(shí)分配正負(fù)小矢量作用時(shí)間。

比例因子計(jì)算公式為

(13)

式中：Udc1、Udc2分別為上下2個(gè)電容的電壓；U為期望得到的直流側(cè)兩電容的電壓差值；ρ限制在-1～1。

正負(fù)小矢量時(shí)間分配計(jì)算方法為

(14)

式中：T為小矢量作用時(shí)間；Tp為正小矢量作用時(shí)間；Tn為負(fù)小矢量作用時(shí)間。

當(dāng)ρ>0時(shí)，正小矢量作用時(shí)間變短，負(fù)小矢量作用時(shí)間變長(zhǎng)，使得Udc1變小，Udc2變大。當(dāng)ρ=1即ΔU>U時(shí)，正小矢量從矢量調(diào)制中去除，只有負(fù)小矢量作用以增大Udc2。同理，ρ<0或ρ=-1情況下也是如此，說(shuō)明這種調(diào)制方式對(duì)改善中點(diǎn)平衡問(wèn)題有效。

2.3.2 統(tǒng)一電壓調(diào)節(jié)并聯(lián)控制

目前應(yīng)用廣泛的并聯(lián)控制策略主要有外特性下垂并聯(lián)控制法、主從并聯(lián)控制法、最大電流并聯(lián)控制法等。由圖8低壓側(cè)控制策略可見(jiàn)，統(tǒng)一電壓調(diào)節(jié)并聯(lián)控制法是在通信情況下，通過(guò)保證2個(gè)整流器輸出相等的電壓以確保2個(gè)整流器都工作在同一工作狀態(tài)，避免一個(gè)整流一個(gè)逆變的嚴(yán)重后果發(fā)生。并且統(tǒng)一電壓外環(huán)給出的電流內(nèi)環(huán)參考信號(hào)可以將每個(gè)模塊簡(jiǎn)化為單閉環(huán)控制，提高了響應(yīng)速度，能實(shí)現(xiàn)精確的負(fù)載分配和電壓控制，有利于大功率模塊化的實(shí)現(xiàn)。

2.3.3 載波移相PWM調(diào)制

大容量整流器在提高功率因數(shù)的同時(shí)對(duì)輸出諧波和開關(guān)損耗也提出了更高的要求。換流器模塊低壓側(cè)的并聯(lián)即多重化對(duì)降低開關(guān)頻率，減少諧波含量有顯著效果，此時(shí)采用載波移相的PWM調(diào)制方式有利于將換流器模塊低壓端的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)為一個(gè)整體。如圖8所示，以二重化三相整流器的調(diào)制方式為例，2個(gè)整流器的三角載波相位差為π，第2臺(tái)整流器的三角載波相位滯后于第1臺(tái)整流器三角載波半個(gè)周期[21]。

3 ISOP DC/DC換流器

為了適應(yīng)MVDC高電壓場(chǎng)合，各個(gè)DC/DC換流器模塊的輸入需要串聯(lián)在一起，輸出需要并聯(lián)，以此來(lái)適應(yīng)LVDC對(duì)應(yīng)的電壓等級(jí)。由于各個(gè)模塊輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)，所以各個(gè)模塊的輸入電壓只承擔(dān)總輸入電壓的一部分，輸出電流只承擔(dān)總輸出電流的一部分，各個(gè)模塊的電壓、電流應(yīng)力大大降低，整個(gè)換流器的效率大大提高，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)還具有冗余特性。但是輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)的系統(tǒng)要面臨輸入電壓、輸出電流均分的問(wèn)題，如果輸入電壓不能均分，承擔(dān)電壓高的模塊將會(huì)損壞，同樣，輸出電流不均分對(duì)承擔(dān)電流高的模塊造成嚴(yán)重影響。因此，需要采取一定的控制方法實(shí)現(xiàn)輸入電壓、輸出電流的均分。

3.1 輸入電壓、輸出電流均分分析

ISOP DC/DC換流器的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)各個(gè)輸入電壓、輸出電流的均分和各個(gè)模塊功率的均分。圖9為兩模塊ISOP DC/DC換流器的等效電路拓?fù)?，?個(gè)如圖3所示的DC/DC換流器模塊構(gòu)成。

當(dāng)DC/DC換流器工作在穩(wěn)態(tài)下時(shí)，輸入電容電壓、輸出電流保持不變，假設(shè)2個(gè)模塊的效率均為100%，此時(shí)滿足：

iin=i1=i2

(15)

Uin1i1=Uin1iin=Pin1=Po1=Uoio1

(16)

Uin2i2=Uin2iin=Pin2=Po2=Uoio2

(17)

式中：iin為兩模塊的輸入電流；i1、i2分別為兩模塊的輸出電流；Uin1和Uin2為兩模塊的輸入電壓；Pin1和Pin2為兩模塊的輸入功率；Po1和Po2為兩模塊的輸出功率；Uo為換流器的輸出電壓。

要實(shí)現(xiàn)Uin1=Uin2，由式(16)、(17)可得io1=io2。同理要實(shí)現(xiàn)io1=io2，同樣可得Uin1=Uin2。所以，在各換流器模塊效率相同的條件下，實(shí)現(xiàn)ISOP輸入電壓均分就可以實(shí)現(xiàn)輸出電流的均分，反之亦然。

圖9 兩模塊ISOP DC/DC換流器拓?fù)銯ig.9 Topology of two module ISOP DC/DC converter

3.2 輸入電壓、輸出電流均分控制

文獻(xiàn)[15]表明，輸入分壓電容、濾波電感對(duì)輸入電壓、輸出電流均分的影響可以忽略，主要影響因素是隔離變壓器的匝數(shù)比。由于實(shí)際系統(tǒng)中變壓器的匝數(shù)比不可能完全相等，所以會(huì)導(dǎo)致各模塊的輸入電壓、輸出電流不均分。如果采用直接控制輸入電壓的方式，需要大量的輸入側(cè)電壓采樣，結(jié)合圖8中 DC/DC換流器模塊的控制策略，利用模塊輸出側(cè)的電流采樣，采用輸出電流均分控制方式，可以達(dá)到同樣效果，經(jīng)濟(jì)性更高。采用圖8中的輸出電流獨(dú)立控制方式不具備穩(wěn)定性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)輸入電壓均分，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)功率均分。設(shè)計(jì)如圖10所示的交叉電流反饋控制策略，可以保證ISOP DC/DC換流器輸出電流的均分[15]，圖中G=kp+ki/s，Vp是SPWM載波峰值。

圖10 ISOP DC/DC換流器交叉輸出電流反饋控制方式Fig.10 Cross feedback output current sharing control strategy of ISOP DC/DC converter

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證ISOP DC/DC換流器的可行性，在MATLAB/ Simulink里搭建了換流器模塊和ISOP DC/DC換流器，驗(yàn)證DC/DC換流器在穩(wěn)態(tài)、負(fù)荷投切、電壓躍變等工況下的控制策略。模塊的主要設(shè)計(jì)參數(shù)：高壓直流母線電壓為2 000 V，低壓直流母線電壓為400 V，換流器最大功率為500 kW，高頻變壓器額定相電壓變比為650 V/150 V/150 V(Yg/Δ/Δ接法)，工作頻率為1 000 Hz，IGBT開關(guān)頻率為10 kHz。高壓側(cè)LC濾波電感為2 mH，濾波電容為630 μF，低壓側(cè)電感為0.5 mH，高壓側(cè)穩(wěn)壓電容3 000 μF，低壓側(cè)穩(wěn)壓電容為5 μF。ISOP DC/DC換流器是5個(gè)相同結(jié)構(gòu)的模塊用ISOP方式級(jí)聯(lián)，最大功率為 2.5 MW，高壓直流母線電壓為10 kV，低壓直流母線電壓為400 V。

4.1 穩(wěn)態(tài)工況

在換流器并網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下，相關(guān)波形如圖11所示。圖11(a)為高壓直流和低壓直流的電壓波形，可以看出直流電壓由10 kV變化至400 V，實(shí)現(xiàn)了較大跨度變比，且電壓波動(dòng)小，電壓值趨于穩(wěn)定。圖11(b)為5個(gè)模塊的高壓輸入側(cè)的電壓變化情況，可以發(fā)現(xiàn)由于模塊4、5的變壓器匝數(shù)比與模塊1、2、3的變壓器匝數(shù)比不同，初始電壓的變化情況有所差異，但是隨著控制方式的調(diào)節(jié)最終穩(wěn)定在2 kV附近，實(shí)現(xiàn)了輸入電壓的均分。圖11(c)為單個(gè)模塊高、低壓側(cè)電流，結(jié)合圖11(b)的電壓結(jié)論可以計(jì)算換流器的效率，高壓側(cè)功率約為23.640 kW，低壓側(cè)功率約為21.632 kW，所以換流器效率為91.5%，滿足要求。圖11(d)為換流器模塊高壓側(cè)三電平變換器交流側(cè)輸出線電壓和經(jīng)過(guò)LC濾波后線電壓的對(duì)比，可見(jiàn)SVPWM調(diào)制方式下直流側(cè)電壓利用效率高，且LC濾波器對(duì)輸出的三電平電壓中超過(guò)1 000 Hz的成份有一定的濾除作用。 圖11(e)為換流器模塊高壓側(cè)三電平變換器直流側(cè)上下電容的電壓差，電壓差為-12～7 V，可見(jiàn)在SVPWM調(diào)制中添加的中點(diǎn)平衡控制策略有效。

圖11 穩(wěn)態(tài)下相關(guān)波形Fig.11 Correlative waveform under steady state

4.2 負(fù)荷投切

低壓直流母線側(cè)負(fù)荷發(fā)生改變時(shí)，即直流側(cè)有功功率變化時(shí)，通過(guò)負(fù)荷電阻值的改變模擬有功功率變化。從t=0 s開始空載運(yùn)行，在t=0.002 s時(shí)投入80 Ω電阻負(fù)載，在t=0.01 s時(shí)投入40 Ω電阻負(fù)載，圖12(a)為換流器模塊高壓直流和低壓直流母線的電壓變化情況，由于低壓直流側(cè)電容有一定初始電壓，在空載狀態(tài)下直流電壓稍大，在t=0.002 s時(shí)投入負(fù)荷后電壓趨于穩(wěn)定，說(shuō)明低壓直流側(cè)定電壓控制有效，負(fù)荷的投切不影響輸出電壓。如圖12(b)所示，母線電流隨著負(fù)荷的投切增大，說(shuō)明直流側(cè)有功功率在增長(zhǎng)，直流母線上的電壓電流呈脈動(dòng)形式，但是偏差在允許范圍內(nèi)。

圖12 負(fù)荷投切時(shí)的相關(guān)波形Fig.12 Correlative waveform during load switching

4.3 直流電壓躍變

為了驗(yàn)證低壓直流側(cè)適應(yīng)多種電壓等級(jí)的直流負(fù)荷及直流微網(wǎng)母線的能力，在t=0.005 s時(shí)引入400 V到750 V的直流電壓躍變，觀察直流側(cè)電壓的跟蹤能力。圖13為換流器模塊高、低壓側(cè)電壓波形，可以看出低壓側(cè)直流電壓穩(wěn)定在750 V，電壓最大波動(dòng)為6.67%，在±10%誤差范圍內(nèi)，說(shuō)明低壓側(cè)直流電壓能可靠跟蹤。

圖13 高、低壓側(cè)電壓波形Fig.13 Voltage waveform of high and low voltage side

5 結(jié) 論

(1)總結(jié)了現(xiàn)階段中壓大容量DC/DC換流器的類型，基于中壓配電網(wǎng)直流變壓器對(duì)大容量、雙向功率流動(dòng)、具備隔離、變壓器輕型化、濾波體積小等特性提出的要求，提出了采用三相雙主動(dòng)全橋換流器結(jié)構(gòu)的基本思路。

(2)在此基礎(chǔ)上調(diào)研分析使用逆變器方式實(shí)現(xiàn)DC/AC/DC變換的可行性，設(shè)計(jì)了中壓直流配電網(wǎng)DC/DC換流器模塊，進(jìn)而通過(guò)輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)的模塊化級(jí)聯(lián)方式設(shè)計(jì)了適用于中壓直流配電網(wǎng)的ISOP DC/DC換流器。

(3)設(shè)計(jì)了換流器模塊的協(xié)調(diào)控制方式和ISOP DC/DC換流器的輸入電壓、輸出電流均分控制方式，最后在MATLAB/Simulink里驗(yàn)證了這種DC/DC換流器的電壓變換能力和控制方式的有效性。

此課題未來(lái)需要研究的方向是DC/DC換流器模塊的效率、損耗問(wèn)題和采用軟開關(guān)降低損耗的設(shè)計(jì)以及效率對(duì)整臺(tái)換流器輸入電壓、輸出電流均分控制的影響研究，并將結(jié)合所承擔(dān)的863項(xiàng)目和正在開展的物理模型機(jī)的研發(fā)，進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

[1]宋強(qiáng), 趙彪, 劉文華,等. 智能電網(wǎng)中的新一代高頻隔離功率轉(zhuǎn)換技術(shù)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2015, 34(36):6369-6379. SONG Qiang, ZHAO Biao, LIU Wenhua. Next-generation high-frequency-isolation power conversion technology for smart grid[J].Proceedings of the CSEE,2015,34(36):6369-6379.

[2]袁藝嘉, 許建中, 趙成勇, 等. 一種新型模塊化多電平 DC-DC 變換器[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 42(4): 8-14. YUAN Yijia, XU Jianzhong, ZHAO Chengyong. A new modular multilevel DC-DC converter[J]. Journal of North China Electric Power University(Natural Science Edition),2015,42(4)：8-14.

[3]索之聞, 李庚銀, 遲永寧, 等. 一種基于子模塊混合型模塊化多電平換流器的高壓大功率 DC/DC 變換器[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2015, 35(14):3577-3585. SUO Zhiwen, LI Gengyin, CHI Yongning. A cell-hybrid modular multilevel converter based high-voltage high-power DC/DC converter[J]. Proceedings of the CSEE,2015,34(14):3577-3585.

[4]管敏淵. 基于模塊化多電平換流器的直流輸電系統(tǒng)控制策略研究[D]. 杭州：浙江大學(xué), 2013. GUAN Minyuan. Control strategies for modular multilevel Converter based HVDC transmission system[D]. Hangzhou: Zhejiang University,2013.

[5]龐輝, 溫家良, 賀之淵, 等. 大功率 IGBT 串聯(lián)電壓不平衡機(jī)制研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2011, 31(21): 1-8. PANG Hui, WEN Jialiang, HE Zhiyuan. Unbalancing voltage of high power series connected IGBT valve[J]. Proceedings of the CSEE,2011,31(21):1-8.

[6]杜翼, 朱克平, 尹瑞,等. 基于分布式電源的直流配電網(wǎng)建模與仿真[J]. 電力建設(shè), 2014, 35(7):13-19. DU Yi, ZHU Keping, YIN Rui. Modeling and simulation of DC power distribution network based on distributed generation [J]. Electric Power Construction, 2014, 35(7):13-19.

[7]鄧旭, 沈揚(yáng), 王東舉,等. 基于模塊化多電平換流器的多端柔性直流系統(tǒng)接地方式[J]. 電力建設(shè), 2014, 35(3):24-30. DENG Xu, SHEN Yang, WANG Dongju. Grounding methods of multi-terminal VSC-HVDC system based on modular multi-level converter[J]. Electric Power Construction.2014.35(3):24-30.

[8]謝小榮, 姜齊榮. 柔性交流輸電系統(tǒng)的原理與應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 2006.

[9]DE DONCKER R W, DIVAN D M, KHERALUWALA M H. A three-phase soft-switched high power density DC/DC converter for high power applications[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1988, 27:1(1):63-73.

[10]SU G J, TANG L. A three-phase bidirectional DC-DC converter for automotive applications[C]// Industry Applications Society Annual Meeting, 2008. IAS ’08. IEEE. IEEE, 2008:1-7.

[11]ENGEL S P, SOLTAU N, STAGGE H, et al. Improved instantaneous current control for the three-phase dual-active bridge DC-DC converter[C]// ECCE Asia Downunder (ECCE Asia), 2013 IEEE. IEEE, 2013:855-860.

[12]楊佳樂(lè). 高頻變壓器在光伏逆變電路中的應(yīng)用[D]. 北京：華北電力大學(xué), 2013. YANG Jiale. The application of high-frequency transformer in photovoltaic inverter circuit[D]. Beijing: North China Electric Power University,2013[13]GIRI R, CHOUDHARY V, AYYANAR R, et al. Common-duty-ratio control of input-series connected modular DC-DC converters with active input voltage and load-current sharing[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2006, 42(4):1101-1111.

[14]SHI J, LUO J, HE X. Common-duty-ratio control of input-series output-parallel connected phase-shift full-bridge DC-DC converter modules[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2011, 26(11):3318 - 3329.

[15]沙德尚. 輸入串聯(lián)模塊化電力電子變換器[M]. 北京：科學(xué)出版社, 2014.

[16]JUNG-WON K, YON J S, CHO B H. Modeling, control, and design of input-series-output-parallel-connected converter for high-speed-train power system[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2001, 48(3):536-544.

[17]蔣群. 應(yīng)用于直流微網(wǎng)系統(tǒng)的移相控制DC-DC變換器[D]. 杭州：浙江大學(xué), 2015. JIANG Qun. Phase shift controlled DC/DC converters for DC-based microgrid[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2015.

[18]何湘寧 ，陳阿蓮. 多電平變換器的理論和應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.

[19]劉鳳君. 現(xiàn)代高頻開關(guān)電源技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2008.

[20]伍超. 三相三電平PWM整流裝置控制策略的研究[D]. 西安：西安理工大學(xué), 2008. WU Chao. Research in the Control strategy of three phase tri-level PWM rectifier[D]. Xi’an：Xi’an University of Technology. 2008.

[21]屈克慶, 靳希, 董立駿,等. 基于載波移相技術(shù)的PWM多重化整流器[J]. 上海電力學(xué)院學(xué)報(bào), 2008, 24(3):282-285. QU Keqing, JING Xi, DONG Lijun. A multiple PWM rectifier based on carrier-shifting technology[J]. Journal of Shanghai University of Electric Power， 2008.24(3):282-285.

(編輯 張小飛)

DC/DC Converter Design of MVDC Distribution Network Based on Modular Three-level

CHEN Yu1, HAN Minxiao1, WANG Haojie1, SHENG Wanxing2

(1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

The interconnection of medium-voltage DC (MVDC) distribution network with DC load, DC micro grid is the key to realize DC distribution network. Therefore, it is an urgent demand for a DC transformer which is adaptable to MVDC and LVDC (low-voltage DC) with a large voltage change (DC/DC converter). The three-phase dual-active bridge (DAB) converter has advantages of galvanic isolation, bidirectional power flow and small filter size, etc. Based on the three-phase DAB converter topology, considering the high voltage stress of high voltage side and the high current stress of low voltage side in DC/DC converter of MVDC distribution network, this paper designs a three-level DC/DC converter module. And then this paper uses a modular input-series-output-parallel (ISOP) connection to design DC/DC converter of MVDC distribution network. Finally, this paper presents a coordinate control method of high voltage side and low voltage side of converter module and a control method for the equipartition of input voltage and output current, whose feasibility is verified in MATLAB/Simulink.

medium voltage direct current (MVDC) distribution network; DC transformer; three-phase dual-active bridge (DAB) converter; three-level; high frequency transformer (HFT); input-series-output-parallel (ISOP)

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2015AA050102)；國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目

TM 732

A

1000-7229(2016)05-0069-09

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.05.016

2016-01-22

陳宇(1993)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮釉陔娏ο到y(tǒng)中的應(yīng)用；

韓民曉(1963)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮釉陔娏ο到y(tǒng)中的應(yīng)用等；

王皓界(1989)，男，博士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮釉陔娏ο到y(tǒng)中的應(yīng)用；

盛萬(wàn)興(1965)，男，教授級(jí)高工，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄芘潆娋W(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃與高性能控制技術(shù)。

Project supported by National High Technology Research and Development Program of China(863 Program) (2015AA050102)