王樂+楊用春+陶建業(yè)+王澤軒

摘 要：本文基于PSIM搭建了移相式全橋型逆變電路，構(gòu)建直流變壓器的仿真模型。在電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，采用多模塊串并聯(lián)相結(jié)合的方式，解決了電力電子器件耐壓值低的問題。[1]同時采用開關(guān)觸發(fā)信號移相的方式，減少開關(guān)的損耗。并且，避免在換相時上下兩開關(guān)同時導(dǎo)通而損壞開關(guān)。在電路的控制策略上，采用基于PI控制的閉環(huán)控制策略。通過改變開關(guān)的觸發(fā)信號的移相角，達(dá)到改變輸出電壓的目的。

關(guān)鍵詞：直流變壓器、開關(guān)移相、閉環(huán)控制

1引言：

與交流輸電相比，直流輸電可以有效減小損耗，并且傳送距離更遠(yuǎn)。而隨著微網(wǎng)的快速發(fā)展以及直流電網(wǎng)深入研究，直流電壓改變以及功率交換的應(yīng)用情況越來越多，因而需要類似于傳統(tǒng)交流變壓器的裝置去進(jìn)行直流的功率交換。直流變壓器由美國弗吉尼亞電力電子中心Fred C.Lee為首的學(xué)者們提出，屬于DC-DC變換器中的一種不調(diào)壓形式，具有快速的動態(tài)響應(yīng)能力、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，適合用于功率傳輸?shù)葓龊?。[2]

2.全橋直流變壓器原理介紹

全橋直流變壓器由高頻逆變部分、高頻變壓器、高頻整流部分和控制四個部分構(gòu)成。其中逆變部分電路由4個開關(guān)組構(gòu)成。

如圖，橋臂V1、V4作為一對，橋臂V2、V3作為一對，兩對橋臂交替導(dǎo)通，將直流電壓Ud逆變成交流電壓U1，并加在變壓器一次側(cè)，經(jīng)過高頻變壓器的變壓過程，變壓出交流電壓U2，最終，經(jīng)過橋式高頻整流電路，將交流電壓U2整流成直流電壓。

由于變壓器的為阻感特性，直流側(cè)需要并聯(lián)電容起緩沖無功能量，提供無功功率的作用。由于逆變側(cè)電流不能突變，因此在逆變橋各橋臂都并聯(lián)了反饋二極管，在開關(guān)不導(dǎo)通時構(gòu)成回路。

假設(shè)施加于開關(guān)管的觸發(fā)信號為正負(fù)半波各為180°的方波，并且VT1、VT3柵極信號互補(bǔ)，VT2和VT4柵極信號互補(bǔ)，VT2的信號比VT1落后 。

在一個周期內(nèi)，電路共經(jīng)過四種狀態(tài)，設(shè)在0～t1時刻，VT1和VT4同時導(dǎo)通，輸出電壓為Ud，t1～t2時刻V4截止，由于i0不能突變，VT3不能立刻導(dǎo)通，所以通過VD3二極管續(xù)流。由基爾霍夫電壓定律可知輸出電壓為零。t2～t3時刻，V1截止，V2不能立即導(dǎo)通，VD2和VD3二極管一起構(gòu)成電流通路，輸出電壓為-Ud。至負(fù)載電流過零并開始反向時，VD2和VD3截止，V2和V3同時導(dǎo)通，輸出電壓認(rèn)為-Ud. t3～t4時刻V3截止，V4不能立刻導(dǎo)通，電路通過VD4二極管導(dǎo)通續(xù)流。同理，輸出電壓為零。因此可以通過改變移相角 來調(diào)節(jié)輸出電壓。[3]

在控制策略的選取上，我們選用了基于PI調(diào)節(jié)器與維持阻塞邊沿D觸發(fā)器的閉環(huán)控制策略。PI調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它可根據(jù)定值與實(shí)際輸出值的偏差，通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制。

維持阻塞邊沿D觸發(fā)器由CMOS傳輸門電路構(gòu)成。當(dāng)CP施加二倍頻率的D的時鐘信號時，會對原D的信號產(chǎn)生一定相角的偏移，因此可利用此來設(shè)計閉環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)對電壓的控制。

3.仿真研究

利用PSIM搭建了移相式全橋型DC/DC閉環(huán)變換電路，構(gòu)建直流變換器的仿真模型。在電路的結(jié)構(gòu)上，采用4模塊串并聯(lián)相結(jié)合的方式，每級模塊參考電壓設(shè)置為25kv。原理圖與仿真結(jié)果如圖所示：

可見，通過設(shè)置參考電壓，經(jīng)閉環(huán)負(fù)反饋調(diào)節(jié)，可通過改變不同的移相角θ，來調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值u0，并最終與參考電壓幅值u*一致。輸出電壓有效值與移相角θ符合下面關(guān)系式：

其中：u0輸出電壓的有效值

θ移相角

u2變壓器二次電壓有效值

k變壓器變比

4.結(jié)論

基于多模塊串并結(jié)合思想和閉環(huán)控制策略，本文給出了一種適合高電壓直流電輸入的直流變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）通過輸入直流電，根據(jù)直流變壓器的變比，可以改變輸入電壓的幅值，實(shí)現(xiàn)直流電壓等級的升高或降低。

（2）引入基于PI控制的閉環(huán)控制策略，可以通過設(shè)定參考電壓，負(fù)反饋控制觸發(fā)脈沖的移相角來調(diào)節(jié)輸出電壓幅值，實(shí)現(xiàn)與參考電壓匹配。

（3）采用多模塊串并聯(lián)相結(jié)合的方式，解決電力電子器件耐壓值低的問題。提高了輸出電壓等級。

參考文獻(xiàn)：

[1]王子龍，肖嵐，趙鵬. 全橋直流變壓器/變換器ISOP組合式系統(tǒng)的研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報，2014，（33）：5819-5826.

[2]陳曦. 模塊化高壓輸出直流電源的研究[D].南京航空航天大學(xué)，2011.

[3]石新春，王毅，孫麗玲. 電力電子技術(shù)[M].第二版.北京.中國電力出版社.2013年：107

作者簡介：

王樂， 1995出生，男，河北保定人，華北電力大學(xué)，電氣工程及其自動化專業(yè)學(xué)生；

楊用春，1982出生，男，河北保定人，華北電力大學(xué)，講師，主要研究方向為高壓直流輸電與FACTS技術(shù)。