基于级联DAB中压高可靠直流变压器的零回流功率调制策略

田 杰，张 平，邢小平，李 锐

应用研究

基于级联DAB中压高可靠直流变压器的零回流功率调制策略

田 杰，张 平，邢小平，李 锐

（武汉第二船舶设计研究所，武汉 430205)

本文针对基于级联DAB结构的中压高可靠直流变压器拓扑结构，提出了一种零回流功率调制策略。当输入侧直流母线电压波动时，此策略通过调节高压侧H桥的开关管驱动信号占空比，实现不同输入电压波动时高低压直流电压变比与中频变压器变比的匹配。并通过维持低压侧H桥的输出电压占空比与高压侧电压输出占空比的一致性，同时调节高压侧与低压侧H桥的移相角，实现不同功率条件下的零回流功率。可有效降低高可靠直流变压器损耗，提高运行效率。通过零回流功率调制策略与其他两种调制策略的理论分析与仿真对比，验证了零回流功率调制策略的优越性。

高可靠直流变压器 零回流功率 级联DAB 装置损耗

0 引言

随着分布式新能源、电动汽车等直流源和负荷的快速发展，直流配电网已成为电力系统的一个重要发展方向。直流配电变压器可实现不同电压等级直流配电网的柔性连接，是直流配电网的重要组成部分，目前受到了广泛的关注。基于级联双有源H桥（DAB）结构的直流变压器具有结构简单、可扩展性好等优点，是直流变压器典型的拓扑结构之一。

传统基于级联DAB结构的直流变压器拓扑结构[1]如图1所示。其由多个DAB子模块构成，高压侧串联，低压侧并联。该直流变压器具备不同电压等级高低压直流变换、高低压隔离及功率双向流动的能力。但传统结构存在以下不足：1）由于高压侧直流电容串联，当某个子模块发生故障无法传递功率时，由于其高压侧直流电容无法被旁路，此直流电容电压将一直上升，直到装置过压保护停机，降低了运行可靠性。2）当高压直流母线短路故障时，高压直流电容会迅速放电，故障清除后，还需对直流电容充电，无法实现装置的外部故障快速自恢复。3）当高压输入电压波动导致DAB子模块高低直流电压变比与高频变压器变比不匹配时，中频变压器回流功率变大，装置损耗增加。

图1 基于级联DAB结构的传统直流变压器拓扑结构

为了隔离基于级联DAB结构直流变压器的故障模块，不影响其他健康模块的运行，文献[2]提出了一种新的拓扑结构，如图2所示。该直流变压器每个子模块在图1的基础上增加了一个半桥升压电路，当输入侧直流电压波动时，通过调节半桥升压电路占空比，维持DAB的高低直流电容电压与中频变压器变比的匹配。当外部高压直流输入母线发生短路故障时，通过关断S阻止高压直流母线快速放电，当故障清除后，可快速恢复装置的运行；当内部子模块发生故障时，通过关断S，导通S，旁路故障子模块。但当S出现短路故障或S出现开路故障时，故障模块将无法可靠切除。

图2 一种开关电容接入的改进型直流变压器拓扑结构

文献[3]提出了一种改进开关电容接入的直流变压器方案，如图3所示。该直流变压器每个子模块在图1的基础上增加了一个开关管S。S、S～S和输入电感L构成了一个广义的半桥升压电路，实现了不同输入直流电压波动时高低压直流电容电压变比与中频变压器变比的匹配。当子模块发生故障时，S关断，高压H桥任一桥臂直通，旁路故障模块，维持其他子模块的正常运行。当外部高压输入母线发生短路故障时，断开S，防止高压侧直流电容对外快速放电。相比于图2，图3所示结构每个子模块减少了1个开关管，但此拓扑结构同样没有解决某些内部故障情况下的变压器可靠运行问题，例如，当S出现短路故障时，故障模块将无法可靠切除。

图3 一种改进的开关电容接入的直流变压器拓扑结构

文献[4]提出了一种基于级联DAB结构的高可靠直流变压器拓扑结构，如图4所示。为了实现故障子模块的可靠切除，高可靠直流变压器每个子模块在图1的基础上新增了一个开关管S，在正常运行时，S处于导通状态。当子模块故障后，根据装置内部子模块故障位置与种类的不同，故障子模块切除策略可划分为两类：

1) 非S开路故障，关断S，2导通，故障子模块其余开关管关断，旁路故障子模块。

2)S开路故障，关断S，S、S、S导通，故障子模块其余开关管关断，旁路故障子模块。

图4 基于级联DAB结构的高可靠直流变压器拓扑

此拓扑子模块只增加了一个开关管，解决了图2和图3所示拓扑结构在某些故障情况下故障子模块无法可靠切除的问题，提高了直流变压器的运行可靠性。

本文针对基于级联DAB结构的中压高可靠直流变压器，提出了一种零回流功率调制策略。此调制策略通过匹配高低压直流电容电压变比与中频变压器变比，维持低压侧H桥输出电压占空比与高压侧H桥输出电压占空比的一致性，并调节高压侧与低压侧H桥的移向角，实现了不同输入电压与功率条件下的零回流功率控制。本文通过三种不同调制策略的对比分析与仿真验证，证明了所提调制策略的优越性。

1 高可靠直流变压器零回流功率调制策略

高可靠直流变压器中，任一子模块中的开关管S、S与输入电感L构成了半桥升压电路。当输入电压波动时，通过调节S和S的占空比，维持高压侧直流电容电压的稳定。设定S的开通占空比为（S驱动信号与S反向），则第个子模块输入电压V与高压直流电容电压V的关系为

调制策略2：低压侧S～S开关管采用变占空比控制，u的上升沿始终与u的上升沿保持一致。当传输的功率变大时，u的宽度变宽，反之变窄。当u的下降沿和u的下降沿一致时，装置不传输功率。其电压电流信号如图6所示。在策略2中，通过保持u和u上升沿的一致，消除了i中的电流尖峰。策略2中，低压侧仍然有回流功率产生，其回流电流的区域如图6中的阴影部分所示。

式（2）中，m为MFT变比，VdcH和VdcL分别为高低压侧直流电容电压，ls为MFT漏感，fs为开关频率，为低压侧H桥与高压侧H桥之间的移相角度。

图6 调制策略2时子模块开关信号和电压电流示意图

高可靠直流变压器正常运行时子模块控制框如图8所示。高压侧直流均压控制器作用在高压侧开关管，通过调节每个子模块S～S开关管的占空比，调节高压侧直流电容电压的大小，维持高低压直流电容电压变比与中频变压器变比的匹配。同时，不同高压侧H桥之间采用了载波移相调制策略，高压侧每个子模块之间载波相差了360/度。H桥载波移相调制策略可增加装置等效开关频率，有效降低输入电流纹波和低压电压直流电容的开关次纹波。图8中，低压侧H桥控制策略根据调制方法的不同，分为调制策略1、调制策略2和零回流功率调制策略，每一种调制策略的原理图分别如图5 ～ 图7所示。

图7 零回流功率调制策略时子模块开关信号和电压电流示意图

2 仿真结果

为了验证所提零回流功率调制策略的有效性，在MATLAB/Simulink中搭建了10 kV/750 V基于级联DAB结构的高可靠直流变压器仿真模型，其仿真参数如表1所示。仿真将重点验证零回流功率调制策略，同时仿真策略1和策略2，以验证零回流功率调制策略的优越性。

表1 10 kV/750 V高可靠直流变压器仿真参数表

工况1：采用零回流功率调制策略，高压侧输入电压为额定值时稳态运行波形如图9所示。

图中，V～V分别为六路高压侧直流电压中的三路直流电压，V为低压侧直流电压，V为高压侧输入电压。u，u和i分别为第一路子模块高压侧H桥输出电压、低压侧H桥输出电压及中频变压器高压侧电流。从图中可以看出，u和u的占空比相同，两者之间通过改变移相角实现有功功率的传输。图9中，i～i分别为六路中频变压器高压侧电流，由于采用了载波移相调制策略，六路电流依次相差60度。

工况2：采用零回流功率调制策略，高压侧输入电压为0.9倍额定值时稳态运行波形如图10所示。由于输入电压降低，高压侧逆变电压占空比增大，在传输相同功率时，流经中频变压器的电流减小。

工况3：采用零回流功率调制策略，高压侧输入电压为1.1倍额定值时稳态运行波形如图11所示。

从图9至11中可以看出，当输入直流电压在0.9倍 ～ 1.1倍额定电压波动时，装置高低压直流电压变比与中频变压器变比始终保持匹配状态。零回流功率调制策略可有效消除中频变压器原副方回流电流，提高了装置效率，降低了装置损耗。

工况4：采用调制策略1，高压侧输入电压为额定值时稳态运行波形如图12所示。图12中，由于电流尖峰的存在，电流应力增大，中频变压器副方回流功率增加，装置损耗增加。

工况5：采用调制策略2，高压侧输入电压为额定值时稳态运行波形如图13所示。图13中，采用调制策略2时，中频变压器低压侧仍然会产生回流功率，但数值远小于调制策略1的回流功率。

3 结论

本文针对基于级联DAB结构的中压高可靠直流变压器提出了一种零回流功率调制策略。此调制策略通过调节高压侧H桥开关管的驱动信号占空比，实现高压直流输入波动时变压器高低压直流电容电压比值与中频变压器变比的匹配。在此基础上，通过调节低压侧H桥输出电压占空比及高低压侧H桥移相角，实现不同功率条件下的高可靠直流变压器零功率回流，可有效降低高可靠直流变压器损耗，提高运行效率。文中通过三种调制策略的理论分析与仿真对比，验证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, 官志涛, 邬玮晗．一种基于级联DAB结构的直流变压器[P]. 公开号: 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：大功率电力电子装置在电力系统中的应用。E-mail：280330371@qq.com