一種混合模塊型直流變壓器冗余設(shè)計(jì)及控制策略

張 航 李子欣,2 高范強(qiáng),2 趙 聰 徐 飛,2

一種混合模塊型直流變壓器冗余設(shè)計(jì)及控制策略

張 航1李子欣1,2高范強(qiáng)1,2趙 聰1徐 飛1,2

（1. 中國科學(xué)院電工研究所中國科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190 2. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

針對移相-諧振雙有源橋（PS-SRDAB）混合型直流變壓器（DCT），該文提出一種熱備用冗余設(shè)計(jì)及其控制策略。為提高該類DCT內(nèi)部諧振雙有源橋（SRDAB）單元運(yùn)行可靠性，將所備用的移相雙有源橋（PSDAB）與其并聯(lián)連接。在正常運(yùn)行時，SRDAB與備用PSDAB單元同時工作，并通過控制高壓側(cè)電容電壓實(shí)現(xiàn)兩類模塊內(nèi)部傳輸能量配比。若SRDAB出現(xiàn)如過電流、過電壓、過溫等故障，對其進(jìn)行閉鎖后熱備用PSDAB將承擔(dān)模塊全部功率。該文分析采用冗余設(shè)計(jì)時混合模塊化直流變壓器（HMDCT）的工作原理及運(yùn)行特性，建立系統(tǒng)動態(tài)小信號模型，同時研究在采用傳統(tǒng)電壓閉環(huán)控制策略時的運(yùn)行穩(wěn)定性。利用所搭建的實(shí)驗(yàn)原理樣機(jī)驗(yàn)證了所提出的冗余設(shè)計(jì)及控制策略的有效性。

直流變壓器 冗余設(shè)計(jì) 熱備用 混合移相-諧振雙有源橋

0 引言

與傳統(tǒng)交流配電變壓器類似，直流變壓器（Direct Current Transformer, DCT）、集成電力電子變換器及高頻變壓器，能夠?qū)崿F(xiàn)不同等級直流電壓變換及電氣隔離，同時整合多類型直流分布式能源與直流負(fù)荷[1-3]。

由于應(yīng)用場合不同，導(dǎo)致直流變壓器很難實(shí)現(xiàn)均一化設(shè)計(jì)，促使其電路拓?fù)涑尸F(xiàn)多元化發(fā)展。多模塊輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)（Input Series Output Parallel, ISOP）型直流變壓器，因功能單元配置相對靈活、擴(kuò)展能力強(qiáng)及控制相對簡單，受到研究人員廣泛關(guān)注。雙有源橋（Dual Active Bridge, DAB）變換器作為該類DCT的基本功率單元，具備高效率、高功率密度及能量雙向流動等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。移相DAB（Phase- Shifted Dual Active Bridge, PSDAB）和諧振DAB（Series Resonant Dual Active Bridge, SRDAB）為兩種常見的形式，在正常工作時，可實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)（Zero Voltage Switching, ZVS）或零電流軟開關(guān)（Zero Current Switching, ZCS）運(yùn)行。與PSDAB不同，SRDAB可通過同步開環(huán)方式在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZCS或ZVS。但是，輸出電壓不可控制，將隨負(fù)載功率發(fā)生改變。雖然可施加移相閉環(huán)策略實(shí)現(xiàn)恒壓控制，但是這種控制方式下變換器開關(guān)頻率要高于諧振頻率，對控制系統(tǒng)精度提出較高要求。對于PSDAB，通過施加單移相、擴(kuò)展移相、雙重移相或三重移相閉環(huán)控制策略可實(shí)現(xiàn)電壓及功率靈活控制。另外，文獻(xiàn)[6]指出，當(dāng)DAB運(yùn)行在單位電壓傳輸增益比時，通過單移相控制方式即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效率運(yùn)行。然而，PSDAB內(nèi)部變換器半導(dǎo)體器件在關(guān)斷時電流非零，仍存在關(guān)斷損耗。基于PSDAB和SRDAB的運(yùn)行特性，文獻(xiàn)[7-8]提出一種混合移相-諧振雙有源橋（Phase-Shifted Series Resonant Dual Active Bridge, PS-SRDAB）型直流變壓器，通過PSDAB實(shí)現(xiàn)低壓直流母線管理，同時利用SRDAB提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。研究表明混合模塊化直流變壓器（Hybrid Modular Direct Current Transformer, HMDCT）電能傳輸效率高于96%。

對于SRDAB，在開環(huán)控制模式下系統(tǒng)可控性相對較差，當(dāng)內(nèi)部出現(xiàn)故障時系統(tǒng)容錯能力遠(yuǎn)低于其他閉環(huán)DC-DC變換器[9]。目前，多集中在內(nèi)部開關(guān)器件發(fā)生故障時SRDAB保護(hù)策略研究。文獻(xiàn)[10-11]提出一種并聯(lián)功率器件或橋臂冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)開關(guān)器件發(fā)生故障時，備用支路投入使用。文獻(xiàn)[12-13]提出采用串聯(lián)熔斷器或開關(guān)來隔離故障。為了減少額外的硬件保護(hù)電路，文獻(xiàn)[14]提出了保護(hù)開關(guān)和兩個分流電容器連接在輸出側(cè)，以避免高壓側(cè)的單管短路故障。但是，保護(hù)瞬態(tài)過程中將會產(chǎn)生高電流沖擊和嚴(yán)重的電壓跌落。文獻(xiàn)[15]提出了一種新穎的雙向DC-DC變換器，當(dāng)故障發(fā)生在低壓側(cè)時，變換器內(nèi)部以一種混合移相及諧振模式進(jìn)行工作，以限制高頻變壓器中故障電流。

此外，通過設(shè)計(jì)冗余功率模塊亦可解決器件故障問題。該類冗余設(shè)計(jì)方式還可以處理其他故障情況，例如，直流端口過電壓、內(nèi)部器件過電流、內(nèi)部過溫等。通常，冗余設(shè)計(jì)方式包括冷備用和熱備用兩種方式。與冷備用方式相比，熱備用方式可降低故障處理過程中產(chǎn)生的沖擊電壓和電流，同時系統(tǒng)恢復(fù)時間相對較短。在文獻(xiàn)[16-17]中，通過將SRDAB并聯(lián)有源前端（Active Front End, AFE），以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部出現(xiàn)故障時對該模塊進(jìn)行旁路，同時備用模塊通過AFE接替故障模塊運(yùn)行。

對于文獻(xiàn)[7-8]所提出的HMDCT，在高壓側(cè)SRDAB與PSDAB進(jìn)行串聯(lián)，當(dāng)SRDAB內(nèi)部發(fā)生故障導(dǎo)致其開關(guān)器件進(jìn)行閉鎖時，串聯(lián)在高壓側(cè)母線電容電壓將會上升，嚴(yán)重時會引起系統(tǒng)停機(jī)運(yùn)行。為解決該問題，本文提出一種SRDAB并聯(lián)PSDAB冗余設(shè)計(jì)方式及控制策略。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時，SRDAB與PSDAB同時投入工作，通過控制模塊高壓側(cè)電容電壓可實(shí)現(xiàn)備用PSDAB與SRDAB傳輸功率配比。當(dāng)SRDAB發(fā)生故障時，通過閉鎖內(nèi)部變換器將其從系統(tǒng)中移除，此時備用PSDAB模塊將承擔(dān)全部功率。另外，本文在分析系統(tǒng)工作原理及運(yùn)行特性的基礎(chǔ)上，建立了采用冗余設(shè)計(jì)時的系統(tǒng)動態(tài)小信號模型，以便于控制器參數(shù)設(shè)計(jì)。最后，通過所搭建的實(shí)驗(yàn)原理樣機(jī)驗(yàn)證了所提出的冗余設(shè)計(jì)模式及控制策略的有效性。

1 HMDCT的工作原理及運(yùn)行特性分析

當(dāng)采用本文所提出的熱備用冗余設(shè)計(jì)策略時， PSDABs和混合模塊化DAB（Hybrid Modular Dual Active Bridge, HyMDAB）采用ISOP進(jìn)行連接，HMDCT及HyMDAB電路拓?fù)淙鐖D1所示，r1_pr為DAB模塊流入高頻變壓器的電流。每個HyMDAB均由SRDAB及所并聯(lián)的備用PSDAB構(gòu)成。對于各PSDAB模塊，內(nèi)部集成高、低壓側(cè)H橋變換器及高頻變壓器。PSDAB及SRDAB典型內(nèi)部波形示意圖如圖2所示。在移相閉環(huán)控制方式下，各變換器輸出存在相位差異50%的占空比方波電壓1、2，該電壓差異1-2作用于高頻變壓器漏感從而產(chǎn)生電流ri_ps，如圖2a所示，s為PSDAB開關(guān)頻率，D為PSDAB移相比。對于SRDAB模塊，內(nèi)部除集成高、低壓側(cè)H橋變換器及高頻變壓器外，諧振電容串聯(lián)在高頻變壓器繞組兩端，與變壓器漏感形成串聯(lián)諧振單元。在同步方波控制模式下，各變換器輸出同頻同相50%占空比方波電壓1、2，由于線路存在損耗電阻，則高、低壓側(cè)方波電壓差1-2作用于串聯(lián)諧振單元，從而產(chǎn)生同頻同相高頻正弦電流ri_sr，如圖2b所示，r為SRDAB開關(guān)頻率。

圖1 HMDCT及HyMDAB電路拓?fù)?/p>

圖2 PSDAB及SRDAB典型內(nèi)部波形示意圖

假設(shè)在所提出的HMDCT中有個PSDAB和個HyMDAB，同時為便于分析，假設(shè)各類模型內(nèi)部電路元器件參數(shù)均一致。對于各PSDAB，根據(jù)文獻(xiàn)[18-19]可計(jì)算得到在單開關(guān)周期內(nèi)有

式中，IN_ps、o_psi分別為高、低壓側(cè)平均電流；TF1為高頻變壓器電壓比；D為各PSDAB中高、低壓側(cè)方波電壓移相比；s為PSDAB內(nèi)部變換器開關(guān)頻率；ri為高頻變壓器漏感；o為低壓直流側(cè)輸出電壓；Ii_ps為PSDAB模塊高壓側(cè)電容電壓。上述分析同樣適合備用PSDAB，因此不再進(jìn)行贅述。

對于SRDAB，文獻(xiàn)[20]建立了單開關(guān)周期內(nèi)等效平均值模型，如圖3所示。同時利用復(fù)頻域分析方法，推導(dǎo)得到了等效模型中各支路電感和支路電阻分別表示為

式中，r_pr、loss分別為SRDAB內(nèi)部高頻變壓器漏感及模塊內(nèi)部損耗電阻。圖3中，計(jì)算可得SRDAB內(nèi)部高頻電流平均值IN_sr為

式中，Ii_sr為SRDAB模塊高壓側(cè)電容電壓；TF2為混合模塊化雙有源橋中SRDAB模塊高頻變壓器電壓比；IN_sr為開關(guān)周期內(nèi)流入SRDAB模塊等效平均電流。此時，若低壓直流側(cè)電壓被控制在恒定值，顯然通過控制高壓側(cè)電容電壓IN_pr即可實(shí)現(xiàn)SRDAB所傳輸功率控制。

圖3 單開關(guān)周期內(nèi)SRDAB等效平均值模型

因此根據(jù)式（1）～式（3），在考慮高、低壓側(cè)模塊電容的基礎(chǔ)上，此時得到單開關(guān)周期內(nèi)HMDCT等效平均電路模型如圖4所示，IN_ps、IN_pr、IN_sr及o_ps、o_pr、o_sr分別為PSDAB模塊、SRDAB模塊及備用PSDAB模塊等效高、低壓側(cè)電容，其表達(dá)式分別為

式中，IN_psi、IN_pri、IN_sri和o_psi、o_pri、o_sri分別為PSDAB模塊、SRDAB模塊及備用PSDAB模塊高低壓側(cè)各模塊電容。

圖4 HMDCT等效平均電路模型

Fig.4 The equivalent average model of the HMDCT

根據(jù)圖4所示的等效平均模型，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，各模塊高低壓側(cè)電容電壓趨于恒定，此時有

式中，IN1為直流變壓器高壓側(cè)等效平均電流；IN2為開關(guān)周期內(nèi)HyMDAB中PSDAB模塊高壓側(cè)電流；h為開關(guān)周期內(nèi)HyMDAB中SRDAB模塊高壓側(cè)電流；o_ps、o_sr、o_pr分別為開關(guān)周期內(nèi)流出PSDAB模塊、SRDAB模塊及備用PSDAB模塊等效平均電流；IN_ps、IN_pr為開關(guān)周期內(nèi)流入PSDAB模塊及備用PSDAB模塊等效平均電流；TF2為備用PSDAB模塊高頻變壓器電壓比；IN為直流變壓器高壓側(cè)端口電壓；Ii_pr為備用PSDAB模塊高壓側(cè)電容電壓。

因此，聯(lián)合式（1）～式（6），推導(dǎo)可得HMDCT低壓直流側(cè)輸出電流o及傳輸功率o分別為

此外，結(jié)合表1中所列HMDCT主要仿真參數(shù)，包含2臺PSDAB模塊和1臺HyMDAB模塊，可繪制HMDCT功率傳輸曲面，如圖5所示，圖中，2為備用PSDAB模塊內(nèi)部高、低壓側(cè)方波電壓移 相比。

表1 HMDCT主要仿真參數(shù)

圖5 HMDCT功率傳輸曲面

2 HMDCT動態(tài)小信號模型

基于如圖4所示的HMDCT動態(tài)平均值模型，本節(jié)主要闡述所建立的動態(tài)小信號模型。根據(jù)基爾霍夫定律，有

式中，eq1=eq2=…=eqi=eq；eq1=eq2=…=eqi=eq；電容o_eq為低壓直流側(cè)電容o_ps、o_pr和o_sr之和；電壓I_ps、I_sr、I_pr為PSDAB模塊、SRDAB模塊及備用PSDAB模塊各高壓側(cè)電容電壓之和，可表示為

通過在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近對各變量施加小信號擾動，則存在

此外，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，有

將式（15）代入式（13），可得

式中，1、2、3、1、2、1、2、1、2、1、2、1、2、1、2、1、2均為中間變量系數(shù)。通過對式（13）～式（17）進(jìn)行拉普拉斯變換，在復(fù)頻域中有

式中，各間接支路阻抗eqi（=1, 2,…, 10）為

其中，各中間變量系數(shù)為

為驗(yàn)證所建立的HMDCT動態(tài)小信號模型的有效性，在Matlab/Simulink中搭建了140kW、DC 2.25kV/DC 750V三單元HMDCT仿真模型，包含兩臺PSDAB及一臺HyMDAB，仿真參數(shù)見表1。在小信號擾動下，開關(guān)模型和所建立的動態(tài)小信號模型輸出電壓uo及輸入電壓uI_pr響應(yīng)比對結(jié)果如圖6、圖7所示。