王世君，郝泉，李文龍

（國網冀北電力有限公司承德供電公司，河北 承德 067000）

近年來，隨著科技的不斷發(fā)展，電子設備的使用量不斷增多[1]，對電源系統(tǒng)供電質量要求越來越高。為了提供更高質量的電源，采用多個電源塊并聯(lián)式供電模式，在該模式中變換器必須保持均流運行，以保證正常的供電需求，但在此過程中，由于多種因素影響導致其無法均流運行[2-3]，嚴重影響供電質量的提升。因此，如何提升變換器均流控制成為該領域研究的熱點問題。

文獻[4]提出基于自適應虛擬阻抗的柔性變電站雙向DC-DC變換器自主均流控制方法。該方法首先基于變換器原理，對變換器系統(tǒng)環(huán)流特性進行分析，再利用自適應的虛擬環(huán)流阻抗對分析結果進行抑制，最后通過自適應虛擬阻抗匹配法計算變換器的抑制結果，實現自主均流控制。該方法由于未能通過計算獲取變換器的直流側電壓與交流側電壓之間關系，導致變換器內開關周期直流側電壓不穩(wěn)定，存在一定局限性。文獻[5]提出基于滑動平均的DC-DC變換器自主均流控制方法。該方法首先采用滑動平均濾波法對DCDC變換器中電感電流進行濾波處理，再對濾波后的電流值進行PID計算，以此確定調節(jié)變換器的開關管占空比，完成變換器的自主均流控制。該方法由于未能在變換器進行自主均流控制前對雙向DC-DC變換器內檢測到的電壓進行正弦調制，獲取電壓占空比誤差較大，導致負載能力差。

為解決上述存在的問題，本文提出基于三維調制的柔性變電站雙向DC-DC變換器自主均流控制方法。與傳統(tǒng)方法相比，所提方法可有效改善柔性變電站雙向DC-DC變換器自主均流控制效果，具有一定可行性。

1 變換器內電容電壓的平衡

為提升變換器自主均流控制效果，利用三維調制方法對DC-DC變換器內電容、電壓進行調制，使DC-DC變換器內的電容電壓能夠平衡[6]。

首先對柔性變電站雙向DC-DC變換器內的電壓進行檢測，再將檢測到的直流側電壓以及交流側電壓進行正弦調制，計算DC-DC變換器中各橋占空比，最后調節(jié)變換器內各橋之間的有功能量，從而使各路電壓趨于平衡。

1.1 三維調制方法

將DC-DC變換器中整流器交流側電壓表示為

式中：v1，v2，v3均為變換器中兩方交流側電壓；vcon為整流器交流側電壓總值。

其中，在[-vdci,vdci]范圍內任意值均可作為變換器中兩方交流側電壓v1，v2以及v3的平均值。

設vcon在v1的開關周期內平均值為Vcon1，Vcon1的取值范圍為[-(vdc1+vdc2+vdc3),(vdc1+vdc2+vdc3)]。將DC-DC變換器內的交流側電壓v1，v2以及v3放入一個三維空間內，并將其作為三維空間中的x,y,z軸，如圖1所示。

圖1 變換器的三維調制空間Fig.1 Three-dimensional modulation space of the converter

由圖1可知，三維空間坐標點（-1，1，-1），（1，-1，1），（0，0，0）內的（-1，0，1），其為雙向DCDC變換器中各橋占空比取值(D3，D2，D1)。設定此區(qū)域為雙向DC-DC變換器的三維調制區(qū)，超出該區(qū)域的值無效且不能合成三橋，由于雙向DC-DC變換器在運行時無法確定直流側電壓的高低，因此將變換器內直流側電壓最低的橋作為z軸，當vdc1＜vdc2＜vdc3時，各橋為1=z,2=x,3=y；當vdc1＞vdc2＞vdc3時，各橋為1=y,2=x,3=z。設定三維調制是在vdc1＜vdc2＜vdc3情況下進行，所以DC-DC變換器的三橋負載R1＜R2＜R3。

由于雙向DC-DC變換器的開關頻率較高，在整個橋開關周期內直流側電壓可維持穩(wěn)定，雙向DC-DC變換器的直流側與交流側的電壓關系為

式中：V1，V2，V3分別為雙向DC-DC變換器的直流側與交流側的不同電壓值。

此時，由式（1）可知雙向DC-DC變換器中Vcon的值如下式：

由上述計算結果可知，三維調制空間內x,y,z軸垂直于α平面內所有調制點，且α=x+y+z=Vcon。α平面能夠與Vcon的取值對應，在雙向DCDC變換器的工頻周期內，Vcon按正弦規(guī)律變化，α平面上的（1，1，1）與（-1，-1，-1）之間也跟隨正弦規(guī)律進行周期循環(huán)。作為α平面內的α曲線，可直接將雙向DC-DC變換器內開關周期與三維調制點進行連接[7]。

DC-DC變換器內交流電源頻率遠低于整流橋的開關頻率，開關周期內的調制波Vconm保持穩(wěn)定不變，而Vcon值為

此時，選擇α平面上任意三維調制點合成vcon，選取調制點在x,y,z=0平面的投影V3,V2,V1中值，再利用式（2）計算DC-DC變換器中三橋占空比。

DC-DC變換器中各橋開關周期的有功功率為

式中：is為額定電流值。

同一個α平面不同調制點合成的Vcon相同。由于V3,V2,V1的取值不同，雙向DC-DC變換器中三橋有功能量也不盡相同，通過三維調制點調節(jié)雙向DC-DC變換器中各橋之間的有功功率，從而使直流側電壓電容得到平衡[8]。

1.2 調節(jié)軌跡選取

當DC-DC變換器中三橋的直流側電壓相同時，要同時使三橋占空比達到一致，以此保持三橋的直流側電壓的平衡，利用曲線z=x=y計算DC-DC變換器中的三橋占空比，即

若雙向DC-DC變換器中三橋的負載R1＜R2＜R3，將雙向DC-DC變換器開關周期內三橋的有功能量進行調節(jié)，以此維持直流側電容電壓的平衡。在三維調制空間中，若調制點發(fā)生位移，那么雙向DC-DC變換器占空比ΔD1增量會隨之加大，獲取的有功能量也增多，所以橋1的增量會保持在最大狀態(tài)。三維調制的軌跡則如圖2所示。雙向DC-DC變換器中三橋調制波形如圖3所示。

圖2 三維調制軌跡曲線圖Fig.2 Three dimensional modulation trajectory curve

圖3 各橋中調制波廝圖Fig.3 Modulation waveforms in each bridge

2 自主均流控制實現

利用DPS法實現柔性變電站雙向DC-DC變換器的自主均流控制。其控制原理如圖4所示。

圖4 自主均流控制原理Fig.4 Principle of independent mean flow control

從圖4可以看出，通過設置的并聯(lián)模塊，將其中電流較大的部分作為主要部分，通過均流的主電路中的電壓展示了最大的電流，正常運行情況下其均流較為均衡，但運行過程中每個模塊由于多因素影響導致出現異常，因此，通過對這些異常行為進行三維調制，完成其自主均流控制。

2.1 電流應力特性分析

雙向DC-DC變換器的傳輸功率表示為

式中：n為變換器傳輸次數；fs為電壓放大倍數；l為傳輸的距離。

對于DC-DC變換器在均流控制時，不僅要對變換器中各結構部分進行控制，還要調節(jié)變換器輸出時電流以及輸入時電壓的平衡[9]。依據上述計算結果可知，傳輸功率在輸入與輸出端的功率相等。若設定DC-DC變換器中每一結構模塊的變換效率為1，依據功率守恒可計算出輸出電壓及輸入電壓，即

式中：Vinm為雙向DC-DC變換器的輸入電壓；Ain為輸入電壓抗干擾因子。

DC-DC變換器中結構模塊的輸入與輸出電壓一致，所以為保證柔性變電站雙向DC-DC變換器能夠正常運行，要保證變換器中各個結構模塊的輸出電流進行均流控制。

計算DC-DC變換器的第i個結構模塊的傳輸功率，過程如下式所示：

再依據傳輸功率結果，獲取DC-DC變換器的輸出電流結果，即

2.2 外移相角計算

2.3 均流控制

3 實驗分析

3.1 實驗環(huán)境

為驗證所提方法的整體有效性，搭建了STM32F207實驗平臺進行實驗分析，其中輸入電壓為600 V，最大輸出電壓為500 V，功率為4 kW，工作頻率為20 kHz。實驗用雙向DC-DC變換器如圖5所示。

圖5 實驗用雙向DC-DC變換器Fig.5 Bidirectional DC-DC converter for experimental use

3.2 實驗參數

實驗參數如下：共用負載10 Ω，輸出電阻0.1～0.4 Ω，電壓調節(jié)器參數0.02～0.06，慣性延遲0.1，電流100～300 A。

3.3 實驗方案

分別采用基于三維調制的柔性變電站雙向DC-DC變換器自主均流控制研究（方法1）、基于自適應虛擬阻抗的柔性變電站DC-DC變換器自主均流控制方法（方法2）以及基于滑動平均的柔性變電站DC-DC變換器自主均流控制方法（方法3）進行測試，以電流運行波形、變換器輸出電流應力以及瞬時減載為測試指標，驗證所提方法的有效性。

3.4 實驗結果分析

在上述實驗環(huán)境下，對方法1、方法2以及方法3的雙向DC-DC變換器運行波形進行測試，測試結果如圖6所示。

圖6 不同方法電流運行波廝變化分析Fig.6 Analysis of current operation waveforms change in different methods

依據圖6可知，隨著雙向DC-DC變換器運行時長的不斷變化，三種方法電流運行的波形存在一定變化。其中，方法1運行波形要比方法2及方法3穩(wěn)定均衡，并且在電流應力上具有明顯優(yōu)勢，這主要是由于方法1在進行自主均流控制前，利用三維調制法將DC-DC變換器中的電容電壓進行調制使其達到平衡，從而保證了變換器自主均流控制時運行波形的穩(wěn)定。

實驗中，利用方法1、方法2以及方法3對雙向DC-DC變換器的輸出電流應力進行測試，測試結果如圖7所示。

圖7 不同方法輸出電流庫力測試結果Fig.7 Output current stress test results of different methods

依據圖7可知，隨著功率的不斷變化，采用三種方法輸出的電流應力測試結果存在一定差距。其中，采用方法1雙向DC-DC變換器輸出電流應力要低于其余兩種方法。方法1能夠將電流應力維持在最佳水平，并能夠隨著雙向DC-DC變換器功率的增大隨之發(fā)生改變。這是由于方法1通過計算獲取了雙向DC-DC變換器的直流側電壓與交流側電壓之間的關系，從而維持了變換器內的開關周期直流側電壓的穩(wěn)定，以此降低雙向DCDC變換器的電流應力，平衡輸出的電流。

根據上述測試結果，對方法1、方法2以及方法3的負載瞬時波動進行測試，測試結果如圖8、圖9所示。

圖8 瞬時加載測試結果Fig.8 Instantaneous loading test results

圖9 瞬時減載測試結果Fig.9 Instantaneous load shedding test results

依據圖8、圖9可知，方法1在雙向DC-DC變換器負載突加或突減時，能夠使變換器的瞬時波動快速進入穩(wěn)定狀態(tài)，而方法2以及方法3的穩(wěn)定時間相對較長。這主要是因為方法1在進行自主均流控制前首先對雙向DC-DC變換器內的電壓進行檢測，再將檢測到的直流側電壓以及交流側電壓進行正弦調制，獲取電壓占空比，從而使變電站雙向DC-DC變換器能夠實現良好的均流控制，提高了DC-DC變換器的負載能力。

4 結論

針對傳統(tǒng)變換器自主均流控制方法中存在的不足，提出一種新的DC-DC變換器自主均流方法。通過三維調制法對變換器中電容電壓進行調制，以此平衡變換器中的電容電壓，再利用DPS法來實現柔性變電站DC-DC變換器的自主均流控制。實驗結果表明：所提方法可有效提升DCDC變換器自主均流控制效果。