雙向直流固態變壓器研究

摘 要 近年來隨著電力電子技術的發展，電力系統中的電力電子設備越來越多，輸配電方式變得更加靈活，長距離的高壓直流輸電、直流配電網和直流微網等電能傳輸方式正在不斷發展。相較于交流配電網，直流配電網在線路成本、線路損耗和供電可靠性方面存在明顯優勢。本文將對直流輸配電網中的關鍵設備雙向直流固態變壓器進行相關研究。

關鍵詞 直流配電網;DAB變換器;LLC諧振變換器;雙向直流固態變壓器

引言

隨著化石能源日趨枯竭以及環境問題日益突出，人們迫切希望能夠有效利用風能、光伏發電等分布式能源[1]。在直流電網中無法像在交流電網中利用電磁感應原理實現電壓變換及電氣隔離，必須采用電力電子技術對直流電壓進行變換，利用高頻變壓器進行隔離和電壓變換，即采用直流固態變壓器連接不同的直流母線。隨著直流配電網在近年來受到廣泛關注，直流固態變壓器的研究才逐漸發展起來[2]。其中雙有源橋式變換器與LLC諧振變換器為常見的單元級變換器，

1雙有源橋式變換器研究

圖1為雙有源橋式變換器的基本拓撲與輸出功率特性曲線，可知雙有源橋式變換器由輸入全橋變換器、中高頻變壓器和輸出全橋變換器組成。S1-S4是輸入全橋變換器的四個開關管，S5-S8是輸出全橋變換器的四個開關管，輸入輸出側都有支撐電容，Lr等效為變壓器漏感及加入電路中的諧振電感，變壓器變比為n：1。

圖1 DAB變換器電路原理圖

雙有源橋式變換器的在傳統移相控制下的相關工作原理為，S1-S8是對應開關管的驅動脈沖，在輸入全橋中，S1和S4同時導通和關斷，同一個橋臂上的兩只開關管互補導通，導通角都為180度，V1即為一方波電壓。同理在輸出全橋變換器中，S5、S8和S6、S7也是互補導通，V2也為一方波電壓。

根據輸入電壓、電感電流的表達式，對其進行積分可以得到雙有源橋式變換器在一個周期的平均功率的表達式：

由上式可知，在實際工程應用中，輸入輸出電壓、電感和變壓器參數以及開關管頻率一般在設計過程中已經確定，不會發生改變。因此，唯一的可控變量為移相角φ。由輸出功率特性曲線可知，通過調節移相角即可達到調節功率流動的目的，進而滿足最終的控制需求。

2LLC諧振變換器研究

LLC諧振變換器的拓撲結構如圖2所示，它由輸入全橋變換器、諧振網絡（Lr、Lm和Cr構成）、中高頻變壓器和輸出全橋變換器組成。LLC諧振變換器通常采用變頻控制，在不同的負載條件通過改變開關頻率使輸出電壓保持穩定。在諧振網絡中，定義LC的諧振頻率為fr，定義LLC的諧振頻率為fm。LLC諧振變換器不僅可以工作在開關頻率大于fr，也可以工作在fm與fr之間。

圖2 LLC諧振變換器電路原理圖

LLC諧振變換器利用基波近似法分析，可以得到它的電壓增益：

其中，電感系數為k，電路品質因數為Q，Req為等效負載電阻。當開關頻率約等于諧振頻率fr時，LLC諧振變換器的增益特性幾乎與負載無關。因此，最好讓變換器工作在諧振頻率附近。當LLC諧振變換器的工作頻率低于諧振頻率時，變換器可以同時實現開關管的ZVS和整流管的ZCS，有效減少了開關損耗，是變換器合理工作狀態。

3結束語

以雙有源全橋變換器以及LLC諧振變換器為單元級的雙向直流固態變壓器和直流輸配電網絡構成的新型能源網絡，能夠將多種直流網絡進行互聯，進行電壓等級的變換，分配功率流向以及實現電氣隔離，可將分布式能源與各種直流負荷接入到電網中，充分發揮雙向直流固態變壓器的多單元級聯高功率密度以及模塊化高可靠性的特點。

參考文獻

[1] 常怡然，蔡旭.大型海上全直流風場中基于MMC的風力發電變流器及其控制[J].中國電機工程學報，2016，36（14）：3789-3797.

[2] 張犁，孫凱，吳田進，等.基于光伏發電的直流微電網能量變換與管理 [J].電工技術學報，2013，28（2）：248-254.

作者簡介

劉欣宇，天津人;學歷：碩士，職稱：專利審查員，現就職單位：國家知識產權局專利局專利審查協作天津中心，研究方向：電力電子與電力傳動。