劉 闖，崔劍鋒，劉海洋，蔡國偉

（東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012）

0 引言

近年來隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，煤、石油等傳統(tǒng)化石燃料的短缺現(xiàn)象日益嚴重，世界各國都籠罩在能源危機的陰影下。為了應對不斷加劇的能源危機，人類要建立新的能源體系，著重利用地球的可再生能源。目前，我國可運用大型風力、光伏發(fā)電場將電能通過輸電網(wǎng)絡傳輸?shù)截摵芍行牡貐^(qū)，但對輸電網(wǎng)絡依賴過高，無法應對電網(wǎng)癱瘓所帶來的影響。為改善我國能源生產和供給的安全性、局部獨立性以及環(huán)境友好程度，在居民區(qū)及商業(yè)區(qū)附近大規(guī)模地采用分布式新能源發(fā)電將是一個新的發(fā)展趨勢。

同時，太陽能板發(fā)電系統(tǒng)、小型風力發(fā)電系統(tǒng)、電池能量儲備系統(tǒng)BESS（Battery Energy Storage System）、電動汽車的迅速發(fā)展，使得未來家庭及商業(yè)用戶用電更具靈活性、可控性。用戶側可將多余的風能、太陽能儲存并交易，電網(wǎng)故障時也可獨立運行。目前，用戶側新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)采用交流并網(wǎng)的系統(tǒng)結構，主要集中在微電網(wǎng)的研究［1-3］，用來解決電力系統(tǒng)與分布式發(fā)電系統(tǒng)之間的矛盾，提高分布式發(fā)電系統(tǒng)為電力系統(tǒng)和用戶所帶來的經(jīng)濟效益，并提高電力系統(tǒng)運行的靈活性、可控性和經(jīng)濟性［4-5］。

美國弗吉尼亞理工學院暨州立大學的電力電子系統(tǒng)研究中心（CPES）提出了將微電網(wǎng)概念應用到10～100 kW低功率等級的用戶配電系統(tǒng)，該系統(tǒng)稱為nano-GRID［6-10］。通過采取網(wǎng)絡測量、實時通信和遠程控制等技術，該nano-GRID可組成未來智能電網(wǎng)的基本單元。該系統(tǒng)可以建立在傳統(tǒng)交流網(wǎng)上，也可以建立在直流網(wǎng)上。相比于AC nano-GRID，DC nano-GRID［7-12］則具有很多優(yōu)點：

a.所需電力變換器較少，具有較高的整體系統(tǒng)效率，新能源系統(tǒng)接入直流網(wǎng)更簡單；

b.沒有頻率穩(wěn)定性及無功問題，無集膚效應及額外交流損耗；

c.對于家庭電子設備，直流供電更方便。

基于電力電子變壓器的概念［13-14］，美國北卡羅來納州立大學的FREEDM系統(tǒng)研究中心同時提出了一種在未來適用的配電系統(tǒng)結構［14］，可以為用戶提供2種即插即用型接口，分別為400 V直流母線接口和120 VRMS傳統(tǒng)交流母線接口。新能源發(fā)電系統(tǒng)可以通過400 V直流母線進行并網(wǎng)，組成DC nano-GRID；傳統(tǒng)交流負載接入120 VRMS母線上，組成AC nano-GRID；所有接入電網(wǎng)的設備都會被檢測到，通過分布式電網(wǎng)智能控制單元（DGI）統(tǒng)一管理。

可以看出整個系統(tǒng)的核心為固態(tài)變壓器（SST）［14-15］，也可稱為智能通用變壓器（IUT）［16-18］或電力電子變壓器（PET）［19-23］，它不僅在中壓交流網(wǎng)與低壓交流網(wǎng)之間起到電能變換的作用，同時也為不同類型的用戶設備提供了即插即用型直流和交流接口。電力電子變壓器被認為是未來智能電網(wǎng)的重要組成部分，是通過電力電子和高頻隔離技術來完成中壓交流網(wǎng)與低壓交流網(wǎng)之間的電能變換，既可以實現(xiàn)傳統(tǒng)變壓器電壓等級轉換和隔離功能，也可以抑制電網(wǎng)電壓跌落和頻率變化對負載側的影響并隔離來自負載側的無功電流和諧波對電網(wǎng)的污染。因此，電力電子變壓器是未來的發(fā)展方向。

傳統(tǒng)低頻變壓器作為當今電力系統(tǒng)的核心設備之一，具有制作工藝簡單、可靠性高等優(yōu)點，主要功能為電氣隔離、電能傳輸和不同電壓等級變換。但其存在體積、重量、空載損耗大，不能隔離負載處故障，無法消除電網(wǎng)與負載側的相互干擾和過度依賴電網(wǎng)等缺點，這些都增加了電力系統(tǒng)運行成本，不利于電網(wǎng)建設。

電力電子變壓器系統(tǒng)基本結構包含3個基本功率變換過程，分別為中壓工頻交流到中壓直流的AC-DC功率變換過程、中壓直流到低壓直流的DCDC功率變換過程（實現(xiàn)了高頻隔離、能量傳遞和降壓的功能）、低壓直流到低壓交流的DC-AC功率變換過程，來滿足不同類型負載的要求。電力電子變壓器具有體積小、重量輕，能為用戶提供直流母線接口，保證高品質供電和具有獨立性等特點，并且它可以作為中壓交流網(wǎng)與用戶側之間的能量緩沖器，減小相互影響，這些特點都使得電力電子變壓器更符合現(xiàn)代電網(wǎng)的要求。

另外，隨著插拔式混合電動汽車／插拔式電動汽車（HEV／EV）技術的發(fā)展，例如豐田公司的混合電動汽車Prius、尼桑的電動汽車LEAFTM和三菱的電動汽車i-MiEV等，電動汽車將是城市交通工具的一個新的趨勢［24］。對于電網(wǎng)而言，電動汽車的普及將給局部配電網(wǎng)提供巨大的潛在電力支持；電網(wǎng)與電動汽車之間的橋梁就是電池充電系統(tǒng)［19-25］，該小型系統(tǒng)可以稱為pico-GRID。因此，提供直流母線接口可省去充電系統(tǒng)前端的整流環(huán)節(jié)，節(jié)省汽車內部空間，提高系統(tǒng)變換效率，進而節(jié)約能源。

1 有源前端控制器概念的提出

從電力電子變壓器定義來看，變換的最終目的是低壓交流輸出滿足傳統(tǒng)用戶需求；但是隨著小型戶用直流系統(tǒng)概念的實行及電動汽車的普及，直流供電系統(tǒng)將慢慢取代交流供電系統(tǒng)；同時電力電子變壓器的前兩個功率變換過程和最后一個可以完全獨立開來。因此，本文將利用電力電子技術與高頻隔離技術來實現(xiàn)中壓交流配電網(wǎng)與低壓直流網(wǎng)之間功率相互變換的裝置作為有源前端控制器AFEC（Active Front-End Controller），如圖 1 所示；該控制器本質的功能是對低壓直流側母線進行電壓調節(jié)控制，達到中壓交流側與低壓直流側的功率平衡；同時根據(jù)不同的實際要求，可達到無功補償、有源濾波和功率雙向變換等功能。

圖1 AFEC結構Fig.1 Structure of AFEC

1.1 基于AFEC的直流配電系統(tǒng)

本文給出了一種基于AFEC的在未來適用的直流配電系統(tǒng)結構，如圖2所示。與美國北卡羅來納州立大學的FREEDM系統(tǒng)的基本區(qū)別在于所給出的配電系統(tǒng)結構已跳出了以電力電子變壓器為基本框架的概念，將AFEC作為能量控制中心ECC（Energy Control Center），同時供給360～400 V的直流配電網(wǎng)絡；通過直流電纜供給用戶側DC-AC逆變器來滿足傳統(tǒng)交流負載要求，因此AFEC與后端用戶側DC-AC逆變器已不再是統(tǒng)一的整體。

圖2 基于AFEC的未來適用的直流配電系統(tǒng)結構Fig.2 Architecture of DC distribution system based on AFEC

所給出的配電系統(tǒng)結構中，各部分功能如下。

（1）AFEC：對低壓直流母線電壓進行調節(jié)控制，實現(xiàn)中壓交流網(wǎng)與低壓直流網(wǎng)之間的功率相互變換；作為ECC，與BESS有緊密的統(tǒng)一協(xié)作機制；隨著電動汽車的普及，與各電動汽車單元的能量互動也將日益頻繁，需要統(tǒng)一電動汽車能量管理機制進行協(xié)調控制；對于太陽能、風力分布式發(fā)電系統(tǒng)和DC-AC逆變器只需給予相應的上層命令，通過實時數(shù)據(jù)的交流來進行整個系統(tǒng)的優(yōu)化運行。

（2）用戶側DC-AC逆變器：滿足傳統(tǒng)交流負載要求，可以單相或三相運行；負載側的無功不再流入電網(wǎng)，由DC-AC逆變器獨立完成；當負載側接入非線性負載時，由后端DC-AC逆變器獨自承擔；當用戶側發(fā)生短路故障時，DC-AC逆變器具有自我保護功能，同時不影響AFEC的正常運行；采取并聯(lián)模塊組合可使得系統(tǒng)在不同負載條件下優(yōu)化運行，提高系統(tǒng)供電效率，節(jié)約能源。

（3）HEV／EV 車載電池充電器：HEV／EV 是一種新型負荷，在未來的配電系統(tǒng)中將占有特殊的位置，可為間歇新能源提供潛在的巨大支持。電動汽車與直流母線之間的接口為電池充電器，為了安全，要求采用隔離式DC-DC變換器。目前，該變換器僅是單一方向功率變換，但隨著社會發(fā)展需求，雙向將是必然的要求。

（4）分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)：太陽能變換器是一個單方向升壓式隔離型DC-DC變換器，工作在最大功率點跟蹤 MPPT（Maximum Power Point Tracking）模式下；風能變換器是一個三相有源整流器，同樣工作在MPPT模式下；在特殊情況下，太陽能、風能變換器都可對低壓直流側母線進行電壓調節(jié)。

（5）BESS：采取雙向 DC-DC 變換器，可工作在電流模式和電壓模式下；當AFEC進行調壓控制時，BESS工作在電流模式；該局部智能通用配電系統(tǒng)可以工作在獨立發(fā)電模式下，此時BESS主要負責低壓側直流母線的電壓調節(jié)。

（6）未來用戶直流負載：當直流負載得到應用時，傳統(tǒng)交流負載比重將逐漸減小，最后將被直流負載所取代。

鑒于AFEC在直流配電系統(tǒng)中具有關鍵性的作用，本文將對AFEC進行相關的論述及研究。

1.2 AFEC的基本類型及應用

針對不同類型的實際應用，AFEC可定義為5種基本類型，如圖3所示，例如AFEC-I型單向AFEC僅能對低壓直流側進行有功功率供給，而AFEC-Ⅱ型單向AFEC在保持對低壓直流側有功功率供給的同時還可以對電網(wǎng)進行無功補償及有源濾波。對于AFEC的系統(tǒng)結構，可根據(jù)不同實際應用類型來選擇前端AC-DC變換器和隔離式DC-DC變換器的拓撲結構，其中PMV和QMV分別為中壓交流網(wǎng)與高頻隔離之間有功與無功交換，PLV為高頻隔離與低壓直流網(wǎng)之間有功交換。

圖4展示了AFEC在并網(wǎng)功率變換器系統(tǒng)中發(fā)揮的重要作用。首先，在并網(wǎng)分布式發(fā)電系統(tǒng)中，如近海岸風力發(fā)電場、集中式光伏發(fā)電場等，可將電力功率變化系統(tǒng)與傳統(tǒng)升壓式變壓器一體化設計，可采取AFEC-Ⅲ型和AFEC-Ⅳ型。其次，在公共交通電力系統(tǒng)（地鐵、高速電氣化鐵路、電動汽車充電站）中，AFEC-I型和AFEC-Ⅱ型將會改善目前實際中遇到的問題，如瞬間電壓跌落、諧波污染等。最后，在未來智能配電網(wǎng)系統(tǒng)中，特別是在未來直流新能源用戶用／辦公微小直流用電系統(tǒng)和PHEV／PEV智能停車場／停車樓得到應用時，AFEC將具有更大的潛在應用價值。

2 級聯(lián)型AFEC的系統(tǒng)結構

圖3 AFEC的5種基本類型Fig.3 Five basic types of AFEC

AFEC包含2個基本功率變換過程，分別為中壓工頻交流到中壓直流的AC-DC功率變換過程和中壓直流到低壓直流的DC-DC功率變換過程，實現(xiàn)了高頻隔離、能量傳遞和降壓的功能。為了能夠充分地發(fā)揮AFEC的潛在價值，應使其具備較高的可靠性和系統(tǒng)效率，并且其構成元件容易獲得?；谳斎氪?lián)輸出并聯(lián)的系統(tǒng)拓撲結構得到了更多重視，該AFEC具有較好的模塊性并可滿足不同電壓等級要求，稱此類控制器為級聯(lián)型AFEC，如圖5所示。其中，fMV為中壓頻率；uMV為中壓電壓；iMV為中壓電流；UMV，DC為中間直流側電壓之和；Udci（i=1，2，…，n）為各項中間直流電壓；Idc為低壓直流母線電流；Idci（i=1，2，…，n）為各模塊流入低壓直流母線的電流；Ucom為低壓直流母線電壓。

首先，級聯(lián)型變換器完成中壓交流電能與直流電能之間的相互轉換，同時將中壓直流側等效分成多個等級，達到了降低每個模塊電壓應力的功能。其次，輸出并聯(lián)的DC-DC變換器組合將低壓直流側與級聯(lián)型變換器相互獨立的各直流側建立成統(tǒng)一整體。目前，對于級聯(lián)型AFEC的研究僅處于初步的理論探討與實驗驗證階段，主要難點如下。

圖4 AFEC在智能配電網(wǎng)結構下的應用Fig.4 Applications of AFEC in smart distribution grid

圖5 基于輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)的AC-DC變換器系統(tǒng)結構Fig.5 Topology of AC-DC converter system with series inputs and parallel outputs

2.1 系統(tǒng)拓撲結構方面

如何保證前端級聯(lián)型AC-DC變換器和后端DC-DC變換器組合具有較高的可靠性、運行效率高、模塊化等優(yōu)點，同時可實現(xiàn)高頻化，來降低系統(tǒng)體積？

（1）前端級聯(lián)型AC-DC變換器模塊。

采用傳統(tǒng)H橋變換器和3電平中點箝位變換器［1］模塊，存在的主要問題是：每個橋臂上存在串聯(lián)主動開關，因此存在著直通問題；雖然開關等效頻率隨著級聯(lián)模塊數(shù)增加而增加，但是每個模塊的開關頻率還是受到限制，因為隨著頻率增加，死區(qū)時間的比重將越來越大，進而導致直流電壓利用率降低；不能簡單地直接采用MOSFET，因為高壓MOSFET的寄生二極管的特性非常差，因而失去了MOSFET的較低開關損耗、電阻性導通特性、高頻化等優(yōu)點。

（2）后端輸出并聯(lián)型DC-DC變換器。

采用2電平／3電平雙有源全橋變換器［12］，由于其必須采取閉環(huán)控制移相角來保證電壓輸出特性，因此存在著低載穩(wěn)定控制等難題；同時也可采用基于變頻控制的諧振變換器，如串聯(lián)諧振變換器［13］等，但是多模塊的變頻控制實現(xiàn)具有一定的復雜性。

2.2 系統(tǒng)控制策略方面

如何簡化級聯(lián)型AFEC的雙級控制系統(tǒng)方案［14］，在保持對低壓直流側有功功率調節(jié)的同時，自然地達到前端級聯(lián)型AC-DC變換器直流側的均壓控制和后端輸出并聯(lián)DC-DC變換器組合的均流控制？

（1）AFEC前端級聯(lián)型AC-DC變換器的控制策略基本功能。

中壓交流側正弦電流控制，同時使得中壓交流側與各獨立直流側達到整體功率平衡，并實現(xiàn)各級聯(lián)模塊直流側電壓平衡控制。

當n個模塊串聯(lián)連接時，期望各模塊能夠獨立地調節(jié)自身功率，同時通過n個模塊的共同作用來控制交流側輸入電感電流iL；由于串聯(lián)關系，流通各模塊的電流是相同的，所以各模塊的功率傳遞又不是相互獨立的。因此，對于級聯(lián)型結構控制的主要難題是通過n個模塊的開關組合來控制n+1個變量，分別為交流側輸入電感電流iL和n個直流側電壓Udci（i=1，2，…，n）。

針對AFEC中的級聯(lián)型系統(tǒng)控制，文獻［8］提出了一種將級聯(lián)型系統(tǒng)進行解耦的無源控制策略，該策略的難點在于需要設計合理的無源控制器對各模塊負載電導進行實時估計；文獻［9］提出一種采取n個PI控制器對每個H橋模塊進行單獨控制的可行方法，即1個PI控制器通過控制整體直流側電壓來產生電流內環(huán)參考值，再通過電流內環(huán)控制器產生整體等效調制比命令，而其他n-1個PI控制器直接產生n-1個對應模塊的調制比命令，可看出2個PI控制器具有不同動態(tài)反應特性，需要獨立設計；文獻［10］提出一種模塊化控制策略，其中采取模擬控制器來調節(jié)整體直流側電壓，隨后基于混合調制技術的電壓平衡策略采取數(shù)字控制器來合成所需的整體交流電壓并達到均壓功能，可以看出該策略判斷復雜，需要大量計算。

（2）后端輸出并聯(lián)型DC-DC變換器組合控制策略基本功能。

公共直流側電壓的調節(jié)控制，同時實現(xiàn)各輸出并聯(lián)型DC-DC變換器組合之間均流控制。文獻［26］提出了一種可行的控制策略，該策略的主要思想為每個電流內環(huán)控制器的電流參考信號由共同的電壓外環(huán)比例積分微分（PID）控制器來產生，進而達到各模塊間功率平衡的目的。另外，電壓外環(huán)PID控制器通過補償負載側的變化來達到對輸出直流電壓調節(jié)控制的目的。

因此可以看出，AFEC的雙級控制系統(tǒng)方案要通過多模塊的協(xié)調控制才能實現(xiàn)公共直流側電壓的調節(jié)控制，同時具有采集變量多、控制變量多及控制目標多等特點。隨著級聯(lián)模塊數(shù)增加，系統(tǒng)控制復雜程度越大，將無法真正實現(xiàn)公共直流側電壓的調節(jié)控制。

3 基于雙升壓／降壓全橋變換器+CLLC諧振變換器模塊的AFEC

AFEC作為未來直流配電的核心技術，提出將雙升壓／降壓全橋式變換器與CLLC諧振變換器模塊作為AFEC本體拓撲結構的核心組成部分，如圖6所示，采取輸入串聯(lián)、輸出并聯(lián)方式組合而成。串聯(lián)而成的前端AC-DC變換器是級聯(lián)型雙升壓／降壓全橋式變換器，相比于傳統(tǒng)級聯(lián)H橋變換器，該變換器仍然是電壓源型逆變器，但是具有特殊拓撲結構和運行方式，極大地避免了直通的可能性，在一定程度上增加了系統(tǒng)的可靠性；同時，無需設置死區(qū)時間，實現(xiàn)高頻化的同時可以實現(xiàn)占空比最大化，更好地提高了直流側電壓利用率。輸出并聯(lián)型CLLC諧振變換器組合將公共低壓直流側與級聯(lián)型雙升壓／降壓全橋變換器相互獨立的直流側建立成統(tǒng)一整體，通過采取零電壓開關（ZVS）-零電流開關（ZCS）控制，很好地解決了能量雙向流動及均流控制難題。

3.1 基于單級控制系統(tǒng)概念的AFEC

基于單級控制系統(tǒng)概念的AFEC的控制策略框圖如圖7所示。采取輸出并聯(lián)型CLLC諧振變換器組合將公共低壓直流側與級聯(lián)型變換器相互獨立的直流側建立成統(tǒng)一整體，利用諧振變換器自身工作特性達到均流及中間直流側電壓箝位作用來實現(xiàn)單級控制系統(tǒng)方案，通過忽略AFEC中各諧振變換器自身及相互的高頻動態(tài)調節(jié)過程，可將一個多模塊的高階系統(tǒng)化簡為簡單低階系統(tǒng)。由于DC-DC諧振變換器可工作在近似正弦高頻交流模式下，可采取鐵氧體、納米晶等高頻磁芯材料制作高頻變壓器，使其工作在40～100 kHz下來降低變壓器體積與重量等，同時高頻可以提高諧振變換器自身動態(tài)調節(jié)的反應速度。

圖6 所提出的雙升壓／降壓全橋變換器+CLLC諧振模塊Fig.6 Dual Boost／Buck full bridge converter and CLLC resonance module

圖7 基于單級控制系統(tǒng)概念的AFEC統(tǒng)一控制策略框圖Fig.7 Block diagram of unified AFEC control strategy based on single-stage control system

3.2 級聯(lián)型AFEC的實驗驗證

為了進行實驗驗證，實際研制了一臺帶高頻隔離型直流變壓器模塊，容量為20 kV·A，頻率為48 kHz，變比為直流900 V／400 V。該模塊利用CLLC諧振電路結構實現(xiàn)了逆變器ZVS和整流器ZCS，大幅降低了開關損耗。圖8為該高頻變壓器模塊在不同負載（2 kW、10 kW、20 kW）條件下高頻變壓器一次側交流方波電壓upri、一次與二次側高頻變壓器交流電流（ipri、isec）、二次側直流輸出電壓 uo的主要實驗波形圖，其最高溫度分別為50.44℃、59.63℃和89.06℃，驗證了該模塊在不同功率條件下的運行特性和可靠性。

對于兩模塊雙升壓／降壓全橋變換器+CLLC諧振模塊AFEC實驗系統(tǒng)，實驗系統(tǒng)參數(shù)為：開關工作頻率為20 kHz，因采用載波移相控制技術，故該兩模塊級聯(lián)型系統(tǒng)的等效開關工作頻率為40 kHz；電網(wǎng)電壓為120 V RMS，50 Hz；直流側電壓參考命令值Uoref為 215 V。

圖8 900 V輸入電壓實驗波形Fig.8 Experimental waveform of 900 V input voltage

圖9 純有功模式下的穩(wěn)態(tài)實驗波形Fig.9 Experimental waveforms under steady-state condition in pure active power mode

圖9給出了在穩(wěn)態(tài)條件下單向雙模塊級聯(lián)型AFEC的純有功模式的實驗波形，此時系統(tǒng)功率大約為830 W，取決于直流側公共端的電阻；圖9（a）為交流網(wǎng)側電壓uac、電流iac和中間直流側電壓Udc1、Udc2的實驗波形；圖9（b）為交流網(wǎng)側電壓uac及電流iac、直流側電壓Ucom和某一高頻變壓器一次側電流ihac2的實驗波形。從圖9中可以看出基于諧振變換器的單級控制策略在純有功模式下能夠有效地控制2個雙升壓／降壓變換器模塊的中間直流側電壓Udc1和Udc2，此時 Udc1=194.70 V，Udc2=195.42 V，uac=119.46 V（RMS），iac=7.07A（RMS），Ucom=214.4 V。

當?shù)蛪褐绷鱾入妷簠⒖济頤LV，DCref發(fā)生變化時，2個中間獨立直流側電壓（Udc1、Udc2）的變化動態(tài)實驗波形如圖10所示，可以看出輸出并聯(lián)型DC-DC諧振模塊起到了相應自然調節(jié)的作用，同時能夠實現(xiàn)均流及中間直流側電壓箝位的功能，驗證了基于諧振變換器的單級控制策略的正確性和有效性。

圖10 基于單級控制系統(tǒng)概念的兩模塊AFEC實驗波形Fig.10 Experimental waveforms of two-unit AFEC based on single-stage control system

4 結論

本文以直流配電系統(tǒng)為研究對象，提出了一種以AFEC為基礎的未來適用的直流配電系統(tǒng)結構。該系統(tǒng)以用戶側直流電網(wǎng)為基礎，主要包含AFEC、用戶側DC-AC逆變器、電動汽車車載充電器、BESS、分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)及未來用戶直流負載。通過基于雙升壓 ／降壓全橋變換器與CLLC諧振型直流變換器模塊的級聯(lián)型AFEC小型實驗系統(tǒng)驗證了整體系統(tǒng)結構的可行性和單級控制策略的有效性。

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