基于級聯DAB中壓高可靠直流變壓器的零回流功率調制策略

田 杰，張 平，邢小平，李 銳

應用研究

基于級聯DAB中壓高可靠直流變壓器的零回流功率調制策略

田 杰，張 平，邢小平，李 銳

（武漢第二船舶設計研究所，武漢 430205)

本文針對基于級聯DAB結構的中壓高可靠直流變壓器拓撲結構，提出了一種零回流功率調制策略。當輸入側直流母線電壓波動時，此策略通過調節高壓側H橋的開關管驅動信號占空比，實現不同輸入電壓波動時高低壓直流電壓變比與中頻變壓器變比的匹配。并通過維持低壓側H橋的輸出電壓占空比與高壓側電壓輸出占空比的一致性，同時調節高壓側與低壓側H橋的移相角，實現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，提高運行效率。通過零回流功率調制策略與其他兩種調制策略的理論分析與仿真對比，驗證了零回流功率調制策略的優越性。

高可靠直流變壓器 零回流功率 級聯DAB 裝置損耗

0 引言

隨著分布式新能源、電動汽車等直流源和負荷的快速發展，直流配電網已成為電力系統的一個重要發展方向。直流配電變壓器可實現不同電壓等級直流配電網的柔性連接，是直流配電網的重要組成部分，目前受到了廣泛的關注。基于級聯雙有源H橋（DAB）結構的直流變壓器具有結構簡單、可擴展性好等優點，是直流變壓器典型的拓撲結構之一。

傳統基于級聯DAB結構的直流變壓器拓撲結構[1]如圖1所示。其由多個DAB子模塊構成，高壓側串聯，低壓側并聯。該直流變壓器具備不同電壓等級高低壓直流變換、高低壓隔離及功率雙向流動的能力。但傳統結構存在以下不足：1）由于高壓側直流電容串聯，當某個子模塊發生故障無法傳遞功率時，由于其高壓側直流電容無法被旁路，此直流電容電壓將一直上升，直到裝置過壓保護停機，降低了運行可靠性。2）當高壓直流母線短路故障時，高壓直流電容會迅速放電，故障清除后，還需對直流電容充電，無法實現裝置的外部故障快速自恢復。3）當高壓輸入電壓波動導致DAB子模塊高低直流電壓變比與高頻變壓器變比不匹配時，中頻變壓器回流功率變大，裝置損耗增加。

圖1 基于級聯DAB結構的傳統直流變壓器拓撲結構

為了隔離基于級聯DAB結構直流變壓器的故障模塊，不影響其他健康模塊的運行，文獻[2]提出了一種新的拓撲結構，如圖2所示。該直流變壓器每個子模塊在圖1的基礎上增加了一個半橋升壓電路，當輸入側直流電壓波動時，通過調節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。當外部高壓直流輸入母線發生短路故障時，通過關斷S阻止高壓直流母線快速放電，當故障清除后，可快速恢復裝置的運行；當內部子模塊發生故障時，通過關斷S，導通S，旁路故障子模塊。但當S出現短路故障或S出現開路故障時，故障模塊將無法可靠切除。

圖2 一種開關電容接入的改進型直流變壓器拓撲結構

文獻[3]提出了一種改進開關電容接入的直流變壓器方案，如圖3所示。該直流變壓器每個子模塊在圖1的基礎上增加了一個開關管S。S、S～S和輸入電感L構成了一個廣義的半橋升壓電路，實現了不同輸入直流電壓波動時高低壓直流電容電壓變比與中頻變壓器變比的匹配。當子模塊發生故障時，S關斷，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行。當外部高壓輸入母線發生短路故障時，斷開S，防止高壓側直流電容對外快速放電。相比于圖2，圖3所示結構每個子模塊減少了1個開關管，但此拓撲結構同樣沒有解決某些內部故障情況下的變壓器可靠運行問題，例如，當S出現短路故障時，故障模塊將無法可靠切除。

圖3 一種改進的開關電容接入的直流變壓器拓撲結構

文獻[4]提出了一種基于級聯DAB結構的高可靠直流變壓器拓撲結構，如圖4所示。為了實現故障子模塊的可靠切除，高可靠直流變壓器每個子模塊在圖1的基礎上新增了一個開關管S，在正常運行時，S處于導通狀態。當子模塊故障后，根據裝置內部子模塊故障位置與種類的不同，故障子模塊切除策略可劃分為兩類：

1) 非S開路故障，關斷S，2導通，故障子模塊其余開關管關斷，旁路故障子模塊。

2)S開路故障，關斷S，S、S、S導通，故障子模塊其余開關管關斷，旁路故障子模塊。

圖4 基于級聯DAB結構的高可靠直流變壓器拓撲

此拓撲子模塊只增加了一個開關管，解決了圖2和圖3所示拓撲結構在某些故障情況下故障子模塊無法可靠切除的問題，提高了直流變壓器的運行可靠性。

本文針對基于級聯DAB結構的中壓高可靠直流變壓器，提出了一種零回流功率調制策略。此調制策略通過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H橋輸出電壓占空比與高壓側H橋輸出電壓占空比的一致性，并調節高壓側與低壓側H橋的移向角，實現了不同輸入電壓與功率條件下的零回流功率控制。本文通過三種不同調制策略的對比分析與仿真驗證，證明了所提調制策略的優越性。

1 高可靠直流變壓器零回流功率調制策略

高可靠直流變壓器中，任一子模塊中的開關管S、S與輸入電感L構成了半橋升壓電路。當輸入電壓波動時，通過調節S和S的占空比，維持高壓側直流電容電壓的穩定。設定S的開通占空比為（S驅動信號與S反向），則第個子模塊輸入電壓V與高壓直流電容電壓V的關系為

調制策略2：低壓側S～S開關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。當傳輸的功率變大時，u的寬度變寬，反之變窄。當u的下降沿和u的下降沿一致時，裝置不傳輸功率。其電壓電流信號如圖6所示。在策略2中，通過保持u和u上升沿的一致，消除了i中的電流尖峰。策略2中，低壓側仍然有回流功率產生，其回流電流的區域如圖6中的陰影部分所示。

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

圖6 調制策略2時子模塊開關信號和電壓電流示意圖

高可靠直流變壓器正常運行時子模塊控制框如圖8所示。高壓側直流均壓控制器作用在高壓側開關管，通過調節每個子模塊S～S開關管的占空比，調節高壓側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，不同高壓側H橋之間采用了載波移相調制策略，高壓側每個子模塊之間載波相差了360/度。H橋載波移相調制策略可增加裝置等效開關頻率，有效降低輸入電流紋波和低壓電壓直流電容的開關次紋波。圖8中，低壓側H橋控制策略根據調制方法的不同，分為調制策略1、調制策略2和零回流功率調制策略，每一種調制策略的原理圖分別如圖5 ～ 圖7所示。

圖7 零回流功率調制策略時子模塊開關信號和電壓電流示意圖

2 仿真結果

為了驗證所提零回流功率調制策略的有效性，在MATLAB/Simulink中搭建了10 kV/750 V基于級聯DAB結構的高可靠直流變壓器仿真模型，其仿真參數如表1所示。仿真將重點驗證零回流功率調制策略，同時仿真策略1和策略2，以驗證零回流功率調制策略的優越性。

表1 10 kV/750 V高可靠直流變壓器仿真參數表

工況1：采用零回流功率調制策略，高壓側輸入電壓為額定值時穩態運行波形如圖9所示。

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

工況2：采用零回流功率調制策略，高壓側輸入電壓為0.9倍額定值時穩態運行波形如圖10所示。由于輸入電壓降低，高壓側逆變電壓占空比增大，在傳輸相同功率時，流經中頻變壓器的電流減小。

工況3：采用零回流功率調制策略，高壓側輸入電壓為1.1倍額定值時穩態運行波形如圖11所示。

從圖9至11中可以看出，當輸入直流電壓在0.9倍 ～ 1.1倍額定電壓波動時，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。零回流功率調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：采用調制策略1，高壓側輸入電壓為額定值時穩態運行波形如圖12所示。圖12中，由于電流尖峰的存在，電流應力增大，中頻變壓器副方回流功率增加，裝置損耗增加。

工況5：采用調制策略2，高壓側輸入電壓為額定值時穩態運行波形如圖13所示。圖13中，采用調制策略2時，中頻變壓器低壓側仍然會產生回流功率，但數值遠小于調制策略1的回流功率。

3 結論

本文針對基于級聯DAB結構的中壓高可靠直流變壓器提出了一種零回流功率調制策略。此調制策略通過調節高壓側H橋開關管的驅動信號占空比，實現高壓直流輸入波動時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。在此基礎上，通過調節低壓側H橋輸出電壓占空比及高低壓側H橋移相角，實現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，提高運行效率。文中通過三種調制策略的理論分析與仿真對比，驗證了所提策略的有效性。

[1] Zhao B, Song Q, Liu W and Sun Y. Overview of dual-active-bridge isolated bidirectional DC-DC converter for high-frequency-link power conversion system[J], IEEE Trans. Power Electron., 2014, 29(8): 4091-4106.

[2] Zhao B, Song Q, Li J, Liu W, Liu G and Zhao Y. High-frequency-link DC transformer based on switched capacitor for medium-voltage DC power distribution application[J], IEEE Trans. Power Electron., 2016, 31(7): 4766-4777.

[3] Song Q, Zhao B, Li J and Liu W. An improved DC solid state transformer based on switched capacitor and multiple-phase-shift shoot-through modulation for integration of LVDC energy storage system and MVDC distribution grid[J], IEEE Trans. Ind. Electron., 2018, 65(8): 6719-6729.

[4] 田杰, 王丹, 毛承雄, 官志濤, 鄔瑋晗．一種基于級聯DAB結構的直流變壓器[P]. 公開號: 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中的應用。E-mail：280330371@qq.com