適合直流配電的有源前端控制器

劉 闖，崔劍鋒，劉海洋，蔡國(guó)偉

（東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

0 引言

近年來(lái)隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤、石油等傳統(tǒng)化石燃料的短缺現(xiàn)象日益嚴(yán)重，世界各國(guó)都籠罩在能源危機(jī)的陰影下。為了應(yīng)對(duì)不斷加劇的能源危機(jī)，人類要建立新的能源體系，著重利用地球的可再生能源。目前，我國(guó)可運(yùn)用大型風(fēng)力、光伏發(fā)電場(chǎng)將電能通過(guò)輸電網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)截?fù)荷中心地區(qū)，但對(duì)輸電網(wǎng)絡(luò)依賴過(guò)高，無(wú)法應(yīng)對(duì)電網(wǎng)癱瘓所帶來(lái)的影響。為改善我國(guó)能源生產(chǎn)和供給的安全性、局部獨(dú)立性以及環(huán)境友好程度，在居民區(qū)及商業(yè)區(qū)附近大規(guī)模地采用分布式新能源發(fā)電將是一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)。

同時(shí)，太陽(yáng)能板發(fā)電系統(tǒng)、小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、電池能量?jī)?chǔ)備系統(tǒng)BESS（Battery Energy Storage System）、電動(dòng)汽車的迅速發(fā)展，使得未來(lái)家庭及商業(yè)用戶用電更具靈活性、可控性。用戶側(cè)可將多余的風(fēng)能、太陽(yáng)能儲(chǔ)存并交易，電網(wǎng)故障時(shí)也可獨(dú)立運(yùn)行。目前，用戶側(cè)新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)采用交流并網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要集中在微電網(wǎng)的研究［1-3］，用來(lái)解決電力系統(tǒng)與分布式發(fā)電系統(tǒng)之間的矛盾，提高分布式發(fā)電系統(tǒng)為電力系統(tǒng)和用戶所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，并提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性、可控性和經(jīng)濟(jì)性［4-5］。

美國(guó)弗吉尼亞理工學(xué)院暨州立大學(xué)的電力電子系統(tǒng)研究中心（CPES）提出了將微電網(wǎng)概念應(yīng)用到10～100 kW低功率等級(jí)的用戶配電系統(tǒng)，該系統(tǒng)稱為nano-GRID［6-10］。通過(guò)采取網(wǎng)絡(luò)測(cè)量、實(shí)時(shí)通信和遠(yuǎn)程控制等技術(shù)，該nano-GRID可組成未來(lái)智能電網(wǎng)的基本單元。該系統(tǒng)可以建立在傳統(tǒng)交流網(wǎng)上，也可以建立在直流網(wǎng)上。相比于AC nano-GRID，DC nano-GRID［7-12］則具有很多優(yōu)點(diǎn)：

a.所需電力變換器較少，具有較高的整體系統(tǒng)效率，新能源系統(tǒng)接入直流網(wǎng)更簡(jiǎn)單；

b.沒(méi)有頻率穩(wěn)定性及無(wú)功問(wèn)題，無(wú)集膚效應(yīng)及額外交流損耗；

c.對(duì)于家庭電子設(shè)備，直流供電更方便。

基于電力電子變壓器的概念［13-14］，美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的FREEDM系統(tǒng)研究中心同時(shí)提出了一種在未來(lái)適用的配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［14］，可以為用戶提供2種即插即用型接口，分別為400 V直流母線接口和120 VRMS傳統(tǒng)交流母線接口。新能源發(fā)電系統(tǒng)可以通過(guò)400 V直流母線進(jìn)行并網(wǎng)，組成DC nano-GRID；傳統(tǒng)交流負(fù)載接入120 VRMS母線上，組成AC nano-GRID；所有接入電網(wǎng)的設(shè)備都會(huì)被檢測(cè)到，通過(guò)分布式電網(wǎng)智能控制單元（DGI）統(tǒng)一管理。

可以看出整個(gè)系統(tǒng)的核心為固態(tài)變壓器（SST）［14-15］，也可稱為智能通用變壓器（IUT）［16-18］或電力電子變壓器（PET）［19-23］，它不僅在中壓交流網(wǎng)與低壓交流網(wǎng)之間起到電能變換的作用，同時(shí)也為不同類型的用戶設(shè)備提供了即插即用型直流和交流接口。電力電子變壓器被認(rèn)為是未來(lái)智能電網(wǎng)的重要組成部分，是通過(guò)電力電子和高頻隔離技術(shù)來(lái)完成中壓交流網(wǎng)與低壓交流網(wǎng)之間的電能變換，既可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)變壓器電壓等級(jí)轉(zhuǎn)換和隔離功能，也可以抑制電網(wǎng)電壓跌落和頻率變化對(duì)負(fù)載側(cè)的影響并隔離來(lái)自負(fù)載側(cè)的無(wú)功電流和諧波對(duì)電網(wǎng)的污染。因此，電力電子變壓器是未來(lái)的發(fā)展方向。

傳統(tǒng)低頻變壓器作為當(dāng)今電力系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，具有制作工藝簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，主要功能為電氣隔離、電能傳輸和不同電壓等級(jí)變換。但其存在體積、重量、空載損耗大，不能隔離負(fù)載處故障，無(wú)法消除電網(wǎng)與負(fù)載側(cè)的相互干擾和過(guò)度依賴電網(wǎng)等缺點(diǎn)，這些都增加了電力系統(tǒng)運(yùn)行成本，不利于電網(wǎng)建設(shè)。

電力電子變壓器系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)包含3個(gè)基本功率變換過(guò)程，分別為中壓工頻交流到中壓直流的AC-DC功率變換過(guò)程、中壓直流到低壓直流的DCDC功率變換過(guò)程（實(shí)現(xiàn)了高頻隔離、能量傳遞和降壓的功能）、低壓直流到低壓交流的DC-AC功率變換過(guò)程，來(lái)滿足不同類型負(fù)載的要求。電力電子變壓器具有體積小、重量輕，能為用戶提供直流母線接口，保證高品質(zhì)供電和具有獨(dú)立性等特點(diǎn)，并且它可以作為中壓交流網(wǎng)與用戶側(cè)之間的能量緩沖器，減小相互影響，這些特點(diǎn)都使得電力電子變壓器更符合現(xiàn)代電網(wǎng)的要求。

另外，隨著插拔式混合電動(dòng)汽車／插拔式電動(dòng)汽車（HEV／EV）技術(shù)的發(fā)展，例如豐田公司的混合電動(dòng)汽車Prius、尼桑的電動(dòng)汽車LEAFTM和三菱的電動(dòng)汽車i-MiEV等，電動(dòng)汽車將是城市交通工具的一個(gè)新的趨勢(shì)［24］。對(duì)于電網(wǎng)而言，電動(dòng)汽車的普及將給局部配電網(wǎng)提供巨大的潛在電力支持；電網(wǎng)與電動(dòng)汽車之間的橋梁就是電池充電系統(tǒng)［19-25］，該小型系統(tǒng)可以稱為pico-GRID。因此，提供直流母線接口可省去充電系統(tǒng)前端的整流環(huán)節(jié)，節(jié)省汽車內(nèi)部空間，提高系統(tǒng)變換效率，進(jìn)而節(jié)約能源。

1 有源前端控制器概念的提出

從電力電子變壓器定義來(lái)看，變換的最終目的是低壓交流輸出滿足傳統(tǒng)用戶需求；但是隨著小型戶用直流系統(tǒng)概念的實(shí)行及電動(dòng)汽車的普及，直流供電系統(tǒng)將慢慢取代交流供電系統(tǒng)；同時(shí)電力電子變壓器的前兩個(gè)功率變換過(guò)程和最后一個(gè)可以完全獨(dú)立開(kāi)來(lái)。因此，本文將利用電力電子技術(shù)與高頻隔離技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)中壓交流配電網(wǎng)與低壓直流網(wǎng)之間功率相互變換的裝置作為有源前端控制器AFEC（Active Front-End Controller），如圖 1 所示；該控制器本質(zhì)的功能是對(duì)低壓直流側(cè)母線進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)控制，達(dá)到中壓交流側(cè)與低壓直流側(cè)的功率平衡；同時(shí)根據(jù)不同的實(shí)際要求，可達(dá)到無(wú)功補(bǔ)償、有源濾波和功率雙向變換等功能。

圖1 AFEC結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of AFEC

1.1 基于AFEC的直流配電系統(tǒng)

本文給出了一種基于AFEC的在未來(lái)適用的直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。與美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的FREEDM系統(tǒng)的基本區(qū)別在于所給出的配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已跳出了以電力電子變壓器為基本框架的概念，將AFEC作為能量控制中心ECC（Energy Control Center），同時(shí)供給360～400 V的直流配電網(wǎng)絡(luò)；通過(guò)直流電纜供給用戶側(cè)DC-AC逆變器來(lái)滿足傳統(tǒng)交流負(fù)載要求，因此AFEC與后端用戶側(cè)DC-AC逆變器已不再是統(tǒng)一的整體。

圖2 基于AFEC的未來(lái)適用的直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Architecture of DC distribution system based on AFEC

所給出的配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，各部分功能如下。

（1）AFEC：對(duì)低壓直流母線電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)中壓交流網(wǎng)與低壓直流網(wǎng)之間的功率相互變換；作為ECC，與BESS有緊密的統(tǒng)一協(xié)作機(jī)制；隨著電動(dòng)汽車的普及，與各電動(dòng)汽車單元的能量互動(dòng)也將日益頻繁，需要統(tǒng)一電動(dòng)汽車能量管理機(jī)制進(jìn)行協(xié)調(diào)控制；對(duì)于太陽(yáng)能、風(fēng)力分布式發(fā)電系統(tǒng)和DC-AC逆變器只需給予相應(yīng)的上層命令，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的交流來(lái)進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。

（2）用戶側(cè)DC-AC逆變器：滿足傳統(tǒng)交流負(fù)載要求，可以單相或三相運(yùn)行；負(fù)載側(cè)的無(wú)功不再流入電網(wǎng)，由DC-AC逆變器獨(dú)立完成；當(dāng)負(fù)載側(cè)接入非線性負(fù)載時(shí)，由后端DC-AC逆變器獨(dú)自承擔(dān)；當(dāng)用戶側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，DC-AC逆變器具有自我保護(hù)功能，同時(shí)不影響AFEC的正常運(yùn)行；采取并聯(lián)模塊組合可使得系統(tǒng)在不同負(fù)載條件下優(yōu)化運(yùn)行，提高系統(tǒng)供電效率，節(jié)約能源。

（3）HEV／EV 車載電池充電器：HEV／EV 是一種新型負(fù)荷，在未來(lái)的配電系統(tǒng)中將占有特殊的位置，可為間歇新能源提供潛在的巨大支持。電動(dòng)汽車與直流母線之間的接口為電池充電器，為了安全，要求采用隔離式DC-DC變換器。目前，該變換器僅是單一方向功率變換，但隨著社會(huì)發(fā)展需求，雙向?qū)⑹潜厝坏囊蟆?/p>

（4）分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)：太陽(yáng)能變換器是一個(gè)單方向升壓式隔離型DC-DC變換器，工作在最大功率點(diǎn)跟蹤 MPPT（Maximum Power Point Tracking）模式下；風(fēng)能變換器是一個(gè)三相有源整流器，同樣工作在MPPT模式下；在特殊情況下，太陽(yáng)能、風(fēng)能變換器都可對(duì)低壓直流側(cè)母線進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。

（5）BESS：采取雙向 DC-DC 變換器，可工作在電流模式和電壓模式下；當(dāng)AFEC進(jìn)行調(diào)壓控制時(shí)，BESS工作在電流模式；該局部智能通用配電系統(tǒng)可以工作在獨(dú)立發(fā)電模式下，此時(shí)BESS主要負(fù)責(zé)低壓側(cè)直流母線的電壓調(diào)節(jié)。

（6）未來(lái)用戶直流負(fù)載：當(dāng)直流負(fù)載得到應(yīng)用時(shí)，傳統(tǒng)交流負(fù)載比重將逐漸減小，最后將被直流負(fù)載所取代。

鑒于AFEC在直流配電系統(tǒng)中具有關(guān)鍵性的作用，本文將對(duì)AFEC進(jìn)行相關(guān)的論述及研究。

1.2 AFEC的基本類型及應(yīng)用

針對(duì)不同類型的實(shí)際應(yīng)用，AFEC可定義為5種基本類型，如圖3所示，例如AFEC-I型單向AFEC僅能對(duì)低壓直流側(cè)進(jìn)行有功功率供給，而AFEC-Ⅱ型單向AFEC在保持對(duì)低壓直流側(cè)有功功率供給的同時(shí)還可以對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償及有源濾波。對(duì)于AFEC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可根據(jù)不同實(shí)際應(yīng)用類型來(lái)選擇前端AC-DC變換器和隔離式DC-DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中PMV和QMV分別為中壓交流網(wǎng)與高頻隔離之間有功與無(wú)功交換，PLV為高頻隔離與低壓直流網(wǎng)之間有功交換。

圖4展示了AFEC在并網(wǎng)功率變換器系統(tǒng)中發(fā)揮的重要作用。首先，在并網(wǎng)分布式發(fā)電系統(tǒng)中，如近海岸風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)、集中式光伏發(fā)電場(chǎng)等，可將電力功率變化系統(tǒng)與傳統(tǒng)升壓式變壓器一體化設(shè)計(jì)，可采取AFEC-Ⅲ型和AFEC-Ⅳ型。其次，在公共交通電力系統(tǒng)（地鐵、高速電氣化鐵路、電動(dòng)汽車充電站）中，AFEC-I型和AFEC-Ⅱ型將會(huì)改善目前實(shí)際中遇到的問(wèn)題，如瞬間電壓跌落、諧波污染等。最后，在未來(lái)智能配電網(wǎng)系統(tǒng)中，特別是在未來(lái)直流新能源用戶用／辦公微小直流用電系統(tǒng)和PHEV／PEV智能停車場(chǎng)／停車樓得到應(yīng)用時(shí)，AFEC將具有更大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

2 級(jí)聯(lián)型AFEC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 AFEC的5種基本類型Fig.3 Five basic types of AFEC

AFEC包含2個(gè)基本功率變換過(guò)程，分別為中壓工頻交流到中壓直流的AC-DC功率變換過(guò)程和中壓直流到低壓直流的DC-DC功率變換過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了高頻隔離、能量傳遞和降壓的功能。為了能夠充分地發(fā)揮AFEC的潛在價(jià)值，應(yīng)使其具備較高的可靠性和系統(tǒng)效率，并且其構(gòu)成元件容易獲得。基于輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得到了更多重視，該AFEC具有較好的模塊性并可滿足不同電壓等級(jí)要求，稱此類控制器為級(jí)聯(lián)型AFEC，如圖5所示。其中，fMV為中壓頻率；uMV為中壓電壓；iMV為中壓電流；UMV，DC為中間直流側(cè)電壓之和；Udci（i=1，2，…，n）為各項(xiàng)中間直流電壓；Idc為低壓直流母線電流；Idci（i=1，2，…，n）為各模塊流入低壓直流母線的電流；Ucom為低壓直流母線電壓。

首先，級(jí)聯(lián)型變換器完成中壓交流電能與直流電能之間的相互轉(zhuǎn)換，同時(shí)將中壓直流側(cè)等效分成多個(gè)等級(jí)，達(dá)到了降低每個(gè)模塊電壓應(yīng)力的功能。其次，輸出并聯(lián)的DC-DC變換器組合將低壓直流側(cè)與級(jí)聯(lián)型變換器相互獨(dú)立的各直流側(cè)建立成統(tǒng)一整體。目前，對(duì)于級(jí)聯(lián)型AFEC的研究?jī)H處于初步的理論探討與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段，主要難點(diǎn)如下。

圖4 AFEC在智能配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下的應(yīng)用Fig.4 Applications of AFEC in smart distribution grid

圖5 基于輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)的AC-DC變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Topology of AC-DC converter system with series inputs and parallel outputs

2.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面

如何保證前端級(jí)聯(lián)型AC-DC變換器和后端DC-DC變換器組合具有較高的可靠性、運(yùn)行效率高、模塊化等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)高頻化，來(lái)降低系統(tǒng)體積？

（1）前端級(jí)聯(lián)型AC-DC變換器模塊。

采用傳統(tǒng)H橋變換器和3電平中點(diǎn)箝位變換器［1］模塊，存在的主要問(wèn)題是：每個(gè)橋臂上存在串聯(lián)主動(dòng)開(kāi)關(guān)，因此存在著直通問(wèn)題；雖然開(kāi)關(guān)等效頻率隨著級(jí)聯(lián)模塊數(shù)增加而增加，但是每個(gè)模塊的開(kāi)關(guān)頻率還是受到限制，因?yàn)殡S著頻率增加，死區(qū)時(shí)間的比重將越來(lái)越大，進(jìn)而導(dǎo)致直流電壓利用率降低；不能簡(jiǎn)單地直接采用MOSFET，因?yàn)楦邏篗OSFET的寄生二極管的特性非常差，因而失去了MOSFET的較低開(kāi)關(guān)損耗、電阻性導(dǎo)通特性、高頻化等優(yōu)點(diǎn)。

（2）后端輸出并聯(lián)型DC-DC變換器。

采用2電平／3電平雙有源全橋變換器［12］，由于其必須采取閉環(huán)控制移相角來(lái)保證電壓輸出特性，因此存在著低載穩(wěn)定控制等難題；同時(shí)也可采用基于變頻控制的諧振變換器，如串聯(lián)諧振變換器［13］等，但是多模塊的變頻控制實(shí)現(xiàn)具有一定的復(fù)雜性。

2.2 系統(tǒng)控制策略方面

如何簡(jiǎn)化級(jí)聯(lián)型AFEC的雙級(jí)控制系統(tǒng)方案［14］，在保持對(duì)低壓直流側(cè)有功功率調(diào)節(jié)的同時(shí)，自然地達(dá)到前端級(jí)聯(lián)型AC-DC變換器直流側(cè)的均壓控制和后端輸出并聯(lián)DC-DC變換器組合的均流控制？

（1）AFEC前端級(jí)聯(lián)型AC-DC變換器的控制策略基本功能。

中壓交流側(cè)正弦電流控制，同時(shí)使得中壓交流側(cè)與各獨(dú)立直流側(cè)達(dá)到整體功率平衡，并實(shí)現(xiàn)各級(jí)聯(lián)模塊直流側(cè)電壓平衡控制。

當(dāng)n個(gè)模塊串聯(lián)連接時(shí)，期望各模塊能夠獨(dú)立地調(diào)節(jié)自身功率，同時(shí)通過(guò)n個(gè)模塊的共同作用來(lái)控制交流側(cè)輸入電感電流iL；由于串聯(lián)關(guān)系，流通各模塊的電流是相同的，所以各模塊的功率傳遞又不是相互獨(dú)立的。因此，對(duì)于級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)控制的主要難題是通過(guò)n個(gè)模塊的開(kāi)關(guān)組合來(lái)控制n+1個(gè)變量，分別為交流側(cè)輸入電感電流iL和n個(gè)直流側(cè)電壓Udci（i=1，2，…，n）。

針對(duì)AFEC中的級(jí)聯(lián)型系統(tǒng)控制，文獻(xiàn)［8］提出了一種將級(jí)聯(lián)型系統(tǒng)進(jìn)行解耦的無(wú)源控制策略，該策略的難點(diǎn)在于需要設(shè)計(jì)合理的無(wú)源控制器對(duì)各模塊負(fù)載電導(dǎo)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)；文獻(xiàn)［9］提出一種采取n個(gè)PI控制器對(duì)每個(gè)H橋模塊進(jìn)行單獨(dú)控制的可行方法，即1個(gè)PI控制器通過(guò)控制整體直流側(cè)電壓來(lái)產(chǎn)生電流內(nèi)環(huán)參考值，再通過(guò)電流內(nèi)環(huán)控制器產(chǎn)生整體等效調(diào)制比命令，而其他n-1個(gè)PI控制器直接產(chǎn)生n-1個(gè)對(duì)應(yīng)模塊的調(diào)制比命令，可看出2個(gè)PI控制器具有不同動(dòng)態(tài)反應(yīng)特性，需要獨(dú)立設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)［10］提出一種模塊化控制策略，其中采取模擬控制器來(lái)調(diào)節(jié)整體直流側(cè)電壓，隨后基于混合調(diào)制技術(shù)的電壓平衡策略采取數(shù)字控制器來(lái)合成所需的整體交流電壓并達(dá)到均壓功能，可以看出該策略判斷復(fù)雜，需要大量計(jì)算。

（2）后端輸出并聯(lián)型DC-DC變換器組合控制策略基本功能。

公共直流側(cè)電壓的調(diào)節(jié)控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)各輸出并聯(lián)型DC-DC變換器組合之間均流控制。文獻(xiàn)［26］提出了一種可行的控制策略，該策略的主要思想為每個(gè)電流內(nèi)環(huán)控制器的電流參考信號(hào)由共同的電壓外環(huán)比例積分微分（PID）控制器來(lái)產(chǎn)生，進(jìn)而達(dá)到各模塊間功率平衡的目的。另外，電壓外環(huán)PID控制器通過(guò)補(bǔ)償負(fù)載側(cè)的變化來(lái)達(dá)到對(duì)輸出直流電壓調(diào)節(jié)控制的目的。

因此可以看出，AFEC的雙級(jí)控制系統(tǒng)方案要通過(guò)多模塊的協(xié)調(diào)控制才能實(shí)現(xiàn)公共直流側(cè)電壓的調(diào)節(jié)控制，同時(shí)具有采集變量多、控制變量多及控制目標(biāo)多等特點(diǎn)。隨著級(jí)聯(lián)模塊數(shù)增加，系統(tǒng)控制復(fù)雜程度越大，將無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)公共直流側(cè)電壓的調(diào)節(jié)控制。

3 基于雙升壓／降壓全橋變換器+CLLC諧振變換器模塊的AFEC

AFEC作為未來(lái)直流配電的核心技術(shù)，提出將雙升壓／降壓全橋式變換器與CLLC諧振變換器模塊作為AFEC本體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的核心組成部分，如圖6所示，采取輸入串聯(lián)、輸出并聯(lián)方式組合而成。串聯(lián)而成的前端AC-DC變換器是級(jí)聯(lián)型雙升壓／降壓全橋式變換器，相比于傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)H橋變換器，該變換器仍然是電壓源型逆變器，但是具有特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式，極大地避免了直通的可能性，在一定程度上增加了系統(tǒng)的可靠性；同時(shí)，無(wú)需設(shè)置死區(qū)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高頻化的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)占空比最大化，更好地提高了直流側(cè)電壓利用率。輸出并聯(lián)型CLLC諧振變換器組合將公共低壓直流側(cè)與級(jí)聯(lián)型雙升壓／降壓全橋變換器相互獨(dú)立的直流側(cè)建立成統(tǒng)一整體，通過(guò)采取零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）-零電流開(kāi)關(guān)（ZCS）控制，很好地解決了能量雙向流動(dòng)及均流控制難題。

3.1 基于單級(jí)控制系統(tǒng)概念的AFEC

基于單級(jí)控制系統(tǒng)概念的AFEC的控制策略框圖如圖7所示。采取輸出并聯(lián)型CLLC諧振變換器組合將公共低壓直流側(cè)與級(jí)聯(lián)型變換器相互獨(dú)立的直流側(cè)建立成統(tǒng)一整體，利用諧振變換器自身工作特性達(dá)到均流及中間直流側(cè)電壓箝位作用來(lái)實(shí)現(xiàn)單級(jí)控制系統(tǒng)方案，通過(guò)忽略AFEC中各諧振變換器自身及相互的高頻動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程，可將一個(gè)多模塊的高階系統(tǒng)化簡(jiǎn)為簡(jiǎn)單低階系統(tǒng)。由于DC-DC諧振變換器可工作在近似正弦高頻交流模式下，可采取鐵氧體、納米晶等高頻磁芯材料制作高頻變壓器，使其工作在40～100 kHz下來(lái)降低變壓器體積與重量等，同時(shí)高頻可以提高諧振變換器自身動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的反應(yīng)速度。

圖6 所提出的雙升壓／降壓全橋變換器+CLLC諧振模塊Fig.6 Dual Boost／Buck full bridge converter and CLLC resonance module

圖7 基于單級(jí)控制系統(tǒng)概念的AFEC統(tǒng)一控制策略框圖Fig.7 Block diagram of unified AFEC control strategy based on single-stage control system

3.2 級(jí)聯(lián)型AFEC的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)際研制了一臺(tái)帶高頻隔離型直流變壓器模塊，容量為20 kV·A，頻率為48 kHz，變比為直流900 V／400 V。該模塊利用CLLC諧振電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了逆變器ZVS和整流器ZCS，大幅降低了開(kāi)關(guān)損耗。圖8為該高頻變壓器模塊在不同負(fù)載（2 kW、10 kW、20 kW）條件下高頻變壓器一次側(cè)交流方波電壓upri、一次與二次側(cè)高頻變壓器交流電流（ipri、isec）、二次側(cè)直流輸出電壓 uo的主要實(shí)驗(yàn)波形圖，其最高溫度分別為50.44℃、59.63℃和89.06℃，驗(yàn)證了該模塊在不同功率條件下的運(yùn)行特性和可靠性。

對(duì)于兩模塊雙升壓／降壓全橋變換器+CLLC諧振模塊AFEC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)為：開(kāi)關(guān)工作頻率為20 kHz，因采用載波移相控制技術(shù)，故該兩模塊級(jí)聯(lián)型系統(tǒng)的等效開(kāi)關(guān)工作頻率為40 kHz；電網(wǎng)電壓為120 V RMS，50 Hz；直流側(cè)電壓參考命令值Uoref為 215 V。

圖8 900 V輸入電壓實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Experimental waveform of 900 V input voltage

圖9 純有功模式下的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 Experimental waveforms under steady-state condition in pure active power mode

圖9給出了在穩(wěn)態(tài)條件下單向雙模塊級(jí)聯(lián)型AFEC的純有功模式的實(shí)驗(yàn)波形，此時(shí)系統(tǒng)功率大約為830 W，取決于直流側(cè)公共端的電阻；圖9（a）為交流網(wǎng)側(cè)電壓uac、電流iac和中間直流側(cè)電壓Udc1、Udc2的實(shí)驗(yàn)波形；圖9（b）為交流網(wǎng)側(cè)電壓uac及電流iac、直流側(cè)電壓Ucom和某一高頻變壓器一次側(cè)電流ihac2的實(shí)驗(yàn)波形。從圖9中可以看出基于諧振變換器的單級(jí)控制策略在純有功模式下能夠有效地控制2個(gè)雙升壓／降壓變換器模塊的中間直流側(cè)電壓Udc1和Udc2，此時(shí) Udc1=194.70 V，Udc2=195.42 V，uac=119.46 V（RMS），iac=7.07A（RMS），Ucom=214.4 V。

當(dāng)?shù)蛪褐绷鱾?cè)電壓參考命令ULV，DCref發(fā)生變化時(shí)，2個(gè)中間獨(dú)立直流側(cè)電壓（Udc1、Udc2）的變化動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形如圖10所示，可以看出輸出并聯(lián)型DC-DC諧振模塊起到了相應(yīng)自然調(diào)節(jié)的作用，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)均流及中間直流側(cè)電壓箝位的功能，驗(yàn)證了基于諧振變換器的單級(jí)控制策略的正確性和有效性。

圖10 基于單級(jí)控制系統(tǒng)概念的兩模塊AFEC實(shí)驗(yàn)波形Fig.10 Experimental waveforms of two-unit AFEC based on single-stage control system

4 結(jié)論

本文以直流配電系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出了一種以AFEC為基礎(chǔ)的未來(lái)適用的直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)以用戶側(cè)直流電網(wǎng)為基礎(chǔ)，主要包含AFEC、用戶側(cè)DC-AC逆變器、電動(dòng)汽車車載充電器、BESS、分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)及未來(lái)用戶直流負(fù)載。通過(guò)基于雙升壓 ／降壓全橋變換器與CLLC諧振型直流變換器模塊的級(jí)聯(lián)型AFEC小型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證了整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可行性和單級(jí)控制策略的有效性。

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