單相多線(xiàn)圈中頻變壓器DC/DC控制方法研究

鄭天奇，謝寶昌，b，蔡旭，b

(上海交通大學(xué) a.電子信息與電氣工程學(xué)院風(fēng)力發(fā)電研究中心 b.海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

0 引言

隨著高壓直流輸電和分布式電能利用技術(shù)發(fā)展，多端直流電網(wǎng)是未來(lái)分布式輸配電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)［1］。不同等級(jí)直流電網(wǎng)通過(guò)中頻變壓器隔離，采用DC/AC-中頻變壓器-AC/DC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)直流電網(wǎng)的互聯(lián)，故障容錯(cuò)性好。對(duì)大功率DC/DC變換器的研究有很多，研究方向是諧振變換器，及變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［2］。本文從對(duì)變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法提出一些新的想法。

文獻(xiàn)［3］提出了一種雙有源半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與全橋結(jié)構(gòu)相比精減了器件數(shù)目，還可以提高系統(tǒng)效率，控制方法也簡(jiǎn)單，但是電路結(jié)構(gòu)需要兩個(gè)電容串聯(lián)，實(shí)際中會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)串聯(lián)電容電壓值不平衡的現(xiàn)象。

正弦波中頻變壓器需要采用多電平移相控制技術(shù)，多電平控制電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常采用中性點(diǎn)二極管鉗位或飛跨電容均壓，以及H橋級(jí)聯(lián)方式，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法十分復(fù)雜，而且不同功率開(kāi)關(guān)管的通斷電流大小和時(shí)間長(zhǎng)短都不均衡［3］，造成功率開(kāi)關(guān)管和續(xù)流二極管的損耗發(fā)熱不一樣，容易造成有些器件熱老化嚴(yán)重，影響系統(tǒng)可靠性。

本文提出一種單相多線(xiàn)圈中頻變壓器的雙向高壓DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以有效地改善中頻變壓器繞組功率流的雙向控制過(guò)程中電壓和電流的時(shí)間變化率，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電容器電壓的均衡，控制靈活，可有效地避免功率控制器件觸發(fā)導(dǎo)通不同步引起的功率器件承受電壓不可控問(wèn)題，有效抑制直流電容充電電流和直流電源的電流紋波。利用Simulink仿真模型逐步分析得出最終的變壓器控制方法，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性。

1 變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

單相多線(xiàn)圈中頻方波變壓器的高壓DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種新型的變壓器結(jié)構(gòu)。變壓器繞組每個(gè)線(xiàn)圈單獨(dú)引線(xiàn)到控制器，控制器采用多級(jí)半橋控制單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)，每個(gè)半橋控制單元由兩條并聯(lián)支路組成，兩條支路的中間點(diǎn)分別連接變壓器繞組的一個(gè)線(xiàn)圈。變壓器同一繞組每組線(xiàn)圈的半橋控制單元順極性串聯(lián)起來(lái)，組成繞組控制拓?fù)?，兩組控制拓?fù)浣?jīng)濾波電感分隔后順極性串聯(lián)。這種結(jié)構(gòu)可以有效地改善功率器件電壓和電流應(yīng)力，能實(shí)現(xiàn)高于變壓器電壓的直流母線(xiàn)電壓變換。

變壓器的繞組排列結(jié)構(gòu)如圖1所示，這種結(jié)構(gòu)有別于傳統(tǒng)的工頻變壓器殼式結(jié)構(gòu)的繞組排列方式，主要是考慮到漏感對(duì)輸入輸出電壓相位差的影響，可以通過(guò)調(diào)整高低壓繞組的間距改變漏感的大小。兩組高壓繞組線(xiàn)圈夾在兩組低壓繞組線(xiàn)圈中間，相鄰線(xiàn)圈之間用絕緣板隔開(kāi)。

圖2示出變壓器半橋控制單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖3示出單側(cè)雙向DC/DC控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 變壓器繞組排列結(jié)構(gòu)圖

圖2 單線(xiàn)圈控制半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 雙向DC/DC控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 變壓器二次側(cè)控制的實(shí)現(xiàn)

2.1 二次側(cè)線(xiàn)圈控制電路

圖4為二次側(cè)單線(xiàn)圈半橋控制單元的仿真電路，變壓器線(xiàn)圈作為電源對(duì)外輸出功率。將線(xiàn)圈感應(yīng)電勢(shì)(假設(shè)為正弦波)等效成電源，外加漏電感和電阻。為了測(cè)試輸出電壓和電容電壓波形的變動(dòng)，在外部連接二極管和直流電源作為負(fù)載。

電容電壓較小時(shí)電路為不控整流狀態(tài)，線(xiàn)圈電源Us在正負(fù)半波分別經(jīng)二極管對(duì)上下兩個(gè)電容C1和C2充電。待電容電壓達(dá)到一定大小時(shí)，采用可控整流使兩電容電壓Uc1和Uc2之和快速達(dá)到外部負(fù)載直流電壓。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)使電容充放電達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)并輸出所需的功率。

圖4 二次側(cè)單線(xiàn)圈半橋控制電路圖

2.2 控制策略

為提高二次側(cè)輸出電流的大小，以提升整體輸出功率，采用如下控制方法:電容充電完畢后，當(dāng)電源處于正半周Us＞0時(shí)，控制IGBT1導(dǎo)通，這時(shí)電源Us和電容C2串聯(lián)，兩者電壓使線(xiàn)圈輸出的電流增強(qiáng);當(dāng)電源處于負(fù)半周Us＜0時(shí)，控制IGBT2導(dǎo)通，這時(shí)電源Us和電容C1串聯(lián)，兩者電壓使線(xiàn)圈輸出的電流減小。

基于該控制策略的電源輸出功率如圖5所示。由圖5可知每個(gè)周期內(nèi)都存在變壓器線(xiàn)圈吸收功率的時(shí)間。這是因?yàn)殡娙蓦妷翰▌?dòng)和線(xiàn)圈電流連續(xù)條件下存在不完全可控的整流模式，即電源輸出的電流和電源電壓方向相反。為此需要采用新的控制策略，使得線(xiàn)圈的電源電壓和輸出電流同相位。

要保證電源電壓與電流同相位，采用電流滯環(huán)控制策略，如圖6所示。

圖6 電流滯環(huán)控制框圖

根據(jù)所需輸出功率，計(jì)算指令電流幅值，再結(jié)合電壓波形確定指令電流。公式如下:

式中P為輸出功率，u(t)、i(t)分別為電壓和電流的瞬時(shí)值，U、I和Um、Im分別為其有效值和幅值。

滯環(huán)控制方法采用瞬時(shí)值比較的方式，具有電流跟蹤精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)［5］.電流的指令值與實(shí)際值之差作為滯環(huán)的輸入，根據(jù)滯環(huán)控制的特性當(dāng)誤差絕對(duì)值超過(guò)滯環(huán)所設(shè)的閾值時(shí)改變IGBT的導(dǎo)通狀態(tài)，否則保持原來(lái)IGBT的控制狀態(tài)。

此控制方法也存在問(wèn)題，如圖7所示，在一個(gè)周期內(nèi)，大部分時(shí)間電流可以完美跟蹤，同時(shí)存在不能跟蹤的時(shí)間區(qū)間，且這段時(shí)間內(nèi)實(shí)際電流值與理想值相差較大。通過(guò)觀(guān)察看出，這種狀態(tài)發(fā)生在電源電壓靠近峰值的時(shí)刻。這是因?yàn)殡娫措妷捍笥诋?dāng)前的總電容電壓。如電壓在正半周時(shí)，實(shí)際的電流和理想電流差高于閾值，使IGBT2導(dǎo)通，希望減小電流，但此時(shí)Us＞Uc1，IGBT2不能導(dǎo)通，電流通過(guò)二極管續(xù)流繼續(xù)增大。

為了改善這種控制方法所帶來(lái)的缺陷，必須使電容電壓大于電源電壓峰值，進(jìn)一步仿真結(jié)果如圖8所示，獲得比較理想的電流電壓同相位控制效果。

這種控制方法可以有效地改善電源吸收功率的問(wèn)題，提高系統(tǒng)的效率。電源發(fā)出功率和輸出功率的波形如圖9所示。

圖7 不夠完美的電流跟蹤波形圖

圖8 比較理想的電流跟蹤波形圖

圖9 滯環(huán)控制策略的功率波形圖

3 變壓器雙側(cè)控制的實(shí)現(xiàn)

3.1 控制方法

在單側(cè)的輸出線(xiàn)圈單元模塊基礎(chǔ)上，搭建較為完備的變壓器雙側(cè)DC/DC控制系統(tǒng)。每一側(cè)的功率開(kāi)關(guān)管按順序奇偶數(shù)編號(hào)。

輸入側(cè)各半橋控制單元的功率開(kāi)關(guān)管奇數(shù)與偶數(shù)編號(hào)輪換導(dǎo)通，保持變壓器輸入側(cè)線(xiàn)圈同名端電壓極性相同，輪流將各半橋控制單元的兩個(gè)電容電壓加到變壓器輸入側(cè)對(duì)應(yīng)線(xiàn)圈，即形成方波電壓輸入線(xiàn)圈。這樣變壓器磁芯內(nèi)部形成耦合磁場(chǎng)，并在變壓器輸出側(cè)各線(xiàn)圈產(chǎn)生電壓，再通過(guò)變壓器輸出側(cè)各半橋控制單元的功率開(kāi)關(guān)管奇數(shù)與偶數(shù)編號(hào)輪換導(dǎo)通，將變壓器輸出側(cè)的線(xiàn)圈電壓輸出，并輪流對(duì)各半橋控制單元的兩個(gè)電容器充電。概括來(lái)說(shuō)，輸入側(cè)控制開(kāi)關(guān)管產(chǎn)生方波輸入線(xiàn)圈，輸出側(cè)按3.2中的控制策略對(duì)開(kāi)關(guān)管控制。

當(dāng)輸入端與輸出端的各串聯(lián)電容器形成的總直流電壓達(dá)到預(yù)期穩(wěn)定狀態(tài)后，根據(jù)輸入端和輸出端的總直流電壓穩(wěn)定要求進(jìn)行功率控制。

3.2 仿真方法與結(jié)果

兩側(cè)各有兩個(gè)線(xiàn)圈控制單元串聯(lián)，與單個(gè)線(xiàn)圈仿真不同的是，線(xiàn)圈通過(guò)變壓器同一磁芯耦合，類(lèi)似多繞組變壓器可以用相互耦合的多個(gè)線(xiàn)圈來(lái)示意表達(dá)［6］。通過(guò)仿真模塊設(shè)定各繞組的電阻、自感和互感值。測(cè)量輸入功率、輸出功率，如圖10所示。

圖10 輸入功率、輸出功率波形

電容電壓波動(dòng)以及輸入和輸出側(cè)線(xiàn)圈上的方波電壓如圖11所示。當(dāng)電壓穩(wěn)定時(shí)，每個(gè)電容電壓的波動(dòng)約為0.6%，測(cè)出輸入平均功率為4.241×105W，輸出平均功率為4.175×105W。一次側(cè)和二次側(cè)的控制信號(hào)波形如圖12所示。

圖11 兩側(cè)線(xiàn)圈電壓及電容電壓波形

圖12 一次側(cè)和二次側(cè)控制信號(hào)波形

在仿真過(guò)程中，輸入功率可能會(huì)出現(xiàn)小于0的時(shí)刻，可以通過(guò)提高電容的初始電壓值解決，串聯(lián)后的電容初始電壓要高于直流電源電壓，用以保證電容電壓在波動(dòng)的情況下也不會(huì)超過(guò)電源電壓。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種單相多線(xiàn)圈中頻變壓器級(jí)聯(lián)DC/DC控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及方法，與傳統(tǒng)控制方法相比，簡(jiǎn)單且能均衡不同開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通電流大小和通斷時(shí)間長(zhǎng)短，功率開(kāi)關(guān)器件能實(shí)現(xiàn)零電流導(dǎo)通，避免多電平控制器件因發(fā)熱不均或觸發(fā)不同步等引起的問(wèn)題，直流母線(xiàn)各電容電壓具有自主平衡功能，減少電流紋波。

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