田 杰，張 平，邢小平，李 銳

應(yīng)用研究

基于級(jí)聯(lián)DAB中壓高可靠直流變壓器的零回流功率調(diào)制策略

田 杰，張 平，邢小平，李 銳

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430205)

本文針對(duì)基于級(jí)聯(lián)DAB結(jié)構(gòu)的中壓高可靠直流變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了一種零回流功率調(diào)制策略。當(dāng)輸入側(cè)直流母線電壓波動(dòng)時(shí)，此策略通過(guò)調(diào)節(jié)高壓側(cè)H橋的開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比，實(shí)現(xiàn)不同輸入電壓波動(dòng)時(shí)高低壓直流電壓變比與中頻變壓器變比的匹配。并通過(guò)維持低壓側(cè)H橋的輸出電壓占空比與高壓側(cè)電壓輸出占空比的一致性，同時(shí)調(diào)節(jié)高壓側(cè)與低壓側(cè)H橋的移相角，實(shí)現(xiàn)不同功率條件下的零回流功率。可有效降低高可靠直流變壓器損耗，提高運(yùn)行效率。通過(guò)零回流功率調(diào)制策略與其他兩種調(diào)制策略的理論分析與仿真對(duì)比，驗(yàn)證了零回流功率調(diào)制策略的優(yōu)越性。

高可靠直流變壓器 零回流功率 級(jí)聯(lián)DAB 裝置損耗

0 引言

隨著分布式新能源、電動(dòng)汽車(chē)等直流源和負(fù)荷的快速發(fā)展，直流配電網(wǎng)已成為電力系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向。直流配電變壓器可實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)直流配電網(wǎng)的柔性連接，是直流配電網(wǎng)的重要組成部分，目前受到了廣泛的關(guān)注?；诩?jí)聯(lián)雙有源H橋（DAB）結(jié)構(gòu)的直流變壓器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，是直流變壓器典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一。

傳統(tǒng)基于級(jí)聯(lián)DAB結(jié)構(gòu)的直流變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]如圖1所示。其由多個(gè)DAB子模塊構(gòu)成，高壓側(cè)串聯(lián)，低壓側(cè)并聯(lián)。該直流變壓器具備不同電壓等級(jí)高低壓直流變換、高低壓隔離及功率雙向流動(dòng)的能力。但傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在以下不足：1）由于高壓側(cè)直流電容串聯(lián)，當(dāng)某個(gè)子模塊發(fā)生故障無(wú)法傳遞功率時(shí)，由于其高壓側(cè)直流電容無(wú)法被旁路，此直流電容電壓將一直上升，直到裝置過(guò)壓保護(hù)停機(jī)，降低了運(yùn)行可靠性。2）當(dāng)高壓直流母線短路故障時(shí)，高壓直流電容會(huì)迅速放電，故障清除后，還需對(duì)直流電容充電，無(wú)法實(shí)現(xiàn)裝置的外部故障快速自恢復(fù)。3）當(dāng)高壓輸入電壓波動(dòng)導(dǎo)致DAB子模塊高低直流電壓變比與高頻變壓器變比不匹配時(shí)，中頻變壓器回流功率變大，裝置損耗增加。

圖1 基于級(jí)聯(lián)DAB結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)直流變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了隔離基于級(jí)聯(lián)DAB結(jié)構(gòu)直流變壓器的故障模塊，不影響其他健康模塊的運(yùn)行，文獻(xiàn)[2]提出了一種新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。該直流變壓器每個(gè)子模塊在圖1的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)半橋升壓電路，當(dāng)輸入側(cè)直流電壓波動(dòng)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)半橋升壓電路占空比，維持DAB的高低直流電容電壓與中頻變壓器變比的匹配。當(dāng)外部高壓直流輸入母線發(fā)生短路故障時(shí)，通過(guò)關(guān)斷S阻止高壓直流母線快速放電，當(dāng)故障清除后，可快速恢復(fù)裝置的運(yùn)行；當(dāng)內(nèi)部子模塊發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)關(guān)斷S，導(dǎo)通S，旁路故障子模塊。但當(dāng)S出現(xiàn)短路故障或S出現(xiàn)開(kāi)路故障時(shí)，故障模塊將無(wú)法可靠切除。

圖2 一種開(kāi)關(guān)電容接入的改進(jìn)型直流變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[3]提出了一種改進(jìn)開(kāi)關(guān)電容接入的直流變壓器方案，如圖3所示。該直流變壓器每個(gè)子模塊在圖1的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)開(kāi)關(guān)管S。S、S～S和輸入電感L構(gòu)成了一個(gè)廣義的半橋升壓電路，實(shí)現(xiàn)了不同輸入直流電壓波動(dòng)時(shí)高低壓直流電容電壓變比與中頻變壓器變比的匹配。當(dāng)子模塊發(fā)生故障時(shí)，S關(guān)斷，高壓H橋任一橋臂直通，旁路故障模塊，維持其他子模塊的正常運(yùn)行。當(dāng)外部高壓輸入母線發(fā)生短路故障時(shí)，斷開(kāi)S，防止高壓側(cè)直流電容對(duì)外快速放電。相比于圖2，圖3所示結(jié)構(gòu)每個(gè)子模塊減少了1個(gè)開(kāi)關(guān)管，但此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同樣沒(méi)有解決某些內(nèi)部故障情況下的變壓器可靠運(yùn)行問(wèn)題，例如，當(dāng)S出現(xiàn)短路故障時(shí)，故障模塊將無(wú)法可靠切除。

圖3 一種改進(jìn)的開(kāi)關(guān)電容接入的直流變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[4]提出了一種基于級(jí)聯(lián)DAB結(jié)構(gòu)的高可靠直流變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示。為了實(shí)現(xiàn)故障子模塊的可靠切除，高可靠直流變壓器每個(gè)子模塊在圖1的基礎(chǔ)上新增了一個(gè)開(kāi)關(guān)管S，在正常運(yùn)行時(shí)，S處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)子模塊故障后，根據(jù)裝置內(nèi)部子模塊故障位置與種類(lèi)的不同，故障子模塊切除策略可劃分為兩類(lèi)：

1) 非S開(kāi)路故障，關(guān)斷S，2導(dǎo)通，故障子模塊其余開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，旁路故障子模塊。

2)S開(kāi)路故障，關(guān)斷S，S、S、S導(dǎo)通，故障子模塊其余開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，旁路故障子模塊。

圖4 基于級(jí)聯(lián)DAB結(jié)構(gòu)的高可靠直流變壓器拓?fù)?/p>

此拓?fù)渥幽K只增加了一個(gè)開(kāi)關(guān)管，解決了圖2和圖3所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在某些故障情況下故障子模塊無(wú)法可靠切除的問(wèn)題，提高了直流變壓器的運(yùn)行可靠性。

本文針對(duì)基于級(jí)聯(lián)DAB結(jié)構(gòu)的中壓高可靠直流變壓器，提出了一種零回流功率調(diào)制策略。此調(diào)制策略通過(guò)匹配高低壓直流電容電壓變比與中頻變壓器變比，維持低壓側(cè)H橋輸出電壓占空比與高壓側(cè)H橋輸出電壓占空比的一致性，并調(diào)節(jié)高壓側(cè)與低壓側(cè)H橋的移向角，實(shí)現(xiàn)了不同輸入電壓與功率條件下的零回流功率控制。本文通過(guò)三種不同調(diào)制策略的對(duì)比分析與仿真驗(yàn)證，證明了所提調(diào)制策略的優(yōu)越性。

1 高可靠直流變壓器零回流功率調(diào)制策略

高可靠直流變壓器中，任一子模塊中的開(kāi)關(guān)管S、S與輸入電感L構(gòu)成了半橋升壓電路。當(dāng)輸入電壓波動(dòng)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)S和S的占空比，維持高壓側(cè)直流電容電壓的穩(wěn)定。設(shè)定S的開(kāi)通占空比為（S驅(qū)動(dòng)信號(hào)與S反向），則第個(gè)子模塊輸入電壓V與高壓直流電容電壓V的關(guān)系為

調(diào)制策略2：低壓側(cè)S～S開(kāi)關(guān)管采用變占空比控制，u的上升沿始終與u的上升沿保持一致。當(dāng)傳輸?shù)墓β首兇髸r(shí)，u的寬度變寬，反之變窄。當(dāng)u的下降沿和u的下降沿一致時(shí)，裝置不傳輸功率。其電壓電流信號(hào)如圖6所示。在策略2中，通過(guò)保持u和u上升沿的一致，消除了i中的電流尖峰。策略2中，低壓側(cè)仍然有回流功率產(chǎn)生，其回流電流的區(qū)域如圖6中的陰影部分所示。

式（2）中，m為MFT變比，VdcH和VdcL分別為高低壓側(cè)直流電容電壓，ls為MFT漏感，fs為開(kāi)關(guān)頻率，為低壓側(cè)H橋與高壓側(cè)H橋之間的移相角度。

圖6 調(diào)制策略2時(shí)子模塊開(kāi)關(guān)信號(hào)和電壓電流示意圖

高可靠直流變壓器正常運(yùn)行時(shí)子模塊控制框如圖8所示。高壓側(cè)直流均壓控制器作用在高壓側(cè)開(kāi)關(guān)管，通過(guò)調(diào)節(jié)每個(gè)子模塊S～S開(kāi)關(guān)管的占空比，調(diào)節(jié)高壓側(cè)直流電容電壓的大小，維持高低壓直流電容電壓變比與中頻變壓器變比的匹配。同時(shí)，不同高壓側(cè)H橋之間采用了載波移相調(diào)制策略，高壓側(cè)每個(gè)子模塊之間載波相差了360/度。H橋載波移相調(diào)制策略可增加裝置等效開(kāi)關(guān)頻率，有效降低輸入電流紋波和低壓電壓直流電容的開(kāi)關(guān)次紋波。圖8中，低壓側(cè)H橋控制策略根據(jù)調(diào)制方法的不同，分為調(diào)制策略1、調(diào)制策略2和零回流功率調(diào)制策略，每一種調(diào)制策略的原理圖分別如圖5 ～ 圖7所示。

圖7 零回流功率調(diào)制策略時(shí)子模塊開(kāi)關(guān)信號(hào)和電壓電流示意圖

2 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證所提零回流功率調(diào)制策略的有效性，在MATLAB/Simulink中搭建了10 kV/750 V基于級(jí)聯(lián)DAB結(jié)構(gòu)的高可靠直流變壓器仿真模型，其仿真參數(shù)如表1所示。仿真將重點(diǎn)驗(yàn)證零回流功率調(diào)制策略，同時(shí)仿真策略1和策略2，以驗(yàn)證零回流功率調(diào)制策略的優(yōu)越性。

表1 10 kV/750 V高可靠直流變壓器仿真參數(shù)表

工況1：采用零回流功率調(diào)制策略，高壓側(cè)輸入電壓為額定值時(shí)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行波形如圖9所示。

圖中，V～V分別為六路高壓側(cè)直流電壓中的三路直流電壓，V為低壓側(cè)直流電壓，V為高壓側(cè)輸入電壓。u，u和i分別為第一路子模塊高壓側(cè)H橋輸出電壓、低壓側(cè)H橋輸出電壓及中頻變壓器高壓側(cè)電流。從圖中可以看出，u和u的占空比相同，兩者之間通過(guò)改變移相角實(shí)現(xiàn)有功功率的傳輸。圖9中，i～i分別為六路中頻變壓器高壓側(cè)電流，由于采用了載波移相調(diào)制策略，六路電流依次相差60度。

工況2：采用零回流功率調(diào)制策略，高壓側(cè)輸入電壓為0.9倍額定值時(shí)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行波形如圖10所示。由于輸入電壓降低，高壓側(cè)逆變電壓占空比增大，在傳輸相同功率時(shí)，流經(jīng)中頻變壓器的電流減小。

工況3：采用零回流功率調(diào)制策略，高壓側(cè)輸入電壓為1.1倍額定值時(shí)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行波形如圖11所示。

從圖9至11中可以看出，當(dāng)輸入直流電壓在0.9倍 ～ 1.1倍額定電壓波動(dòng)時(shí)，裝置高低壓直流電壓變比與中頻變壓器變比始終保持匹配狀態(tài)。零回流功率調(diào)制策略可有效消除中頻變壓器原副方回流電流，提高了裝置效率，降低了裝置損耗。

工況4：采用調(diào)制策略1，高壓側(cè)輸入電壓為額定值時(shí)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行波形如圖12所示。圖12中，由于電流尖峰的存在，電流應(yīng)力增大，中頻變壓器副方回流功率增加，裝置損耗增加。

工況5：采用調(diào)制策略2，高壓側(cè)輸入電壓為額定值時(shí)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行波形如圖13所示。圖13中，采用調(diào)制策略2時(shí)，中頻變壓器低壓側(cè)仍然會(huì)產(chǎn)生回流功率，但數(shù)值遠(yuǎn)小于調(diào)制策略1的回流功率。

3 結(jié)論

本文針對(duì)基于級(jí)聯(lián)DAB結(jié)構(gòu)的中壓高可靠直流變壓器提出了一種零回流功率調(diào)制策略。此調(diào)制策略通過(guò)調(diào)節(jié)高壓側(cè)H橋開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比，實(shí)現(xiàn)高壓直流輸入波動(dòng)時(shí)變壓器高低壓直流電容電壓比值與中頻變壓器變比的匹配。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)節(jié)低壓側(cè)H橋輸出電壓占空比及高低壓側(cè)H橋移相角，實(shí)現(xiàn)不同功率條件下的高可靠直流變壓器零功率回流，可有效降低高可靠直流變壓器損耗，提高運(yùn)行效率。文中通過(guò)三種調(diào)制策略的理論分析與仿真對(duì)比，驗(yàn)證了所提策略的有效性。

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[4] 田杰, 王丹, 毛承雄, 官志濤, 鄔瑋晗．一種基于級(jí)聯(lián)DAB結(jié)構(gòu)的直流變壓器[P]. 公開(kāi)號(hào): CN201900180227.0.

A Zero Backflow Power Control Strategy for the Medium-voltage High Reliability DC Transformer Based on Cascaded DABs

Tian Jie, Zhang Ping, Xing Xiaoping, Li Rui

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China）

TM911

A

1003-4862（2021）09-0017-06

2021-06-15

田杰(1989-)，男，博士。研究方向：大功率電力電子裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。E-mail：280330371@qq.com