單-雙極運行方式轉(zhuǎn)換直流電力電子變壓器的啟動策略研究

吳思文， 朱 淼， 張建文， 蔡 旭

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院， 上海 200240)

單-雙極運行方式轉(zhuǎn)換直流電力電子變壓器的啟動策略研究

吳思文， 朱 淼， 張建文， 蔡 旭

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院， 上海 200240)

直流電網(wǎng)技術(shù)的各類場景，均存在實現(xiàn)各類功能的直流型電力電子變壓器。分布式/集中式的新能源電站自身的單極性直流輸出，與外部連接的雙極性電網(wǎng)之間，需要一種專用的單-雙極運行方式轉(zhuǎn)換直流電力電子變壓器，用以匹配兩者運行方式的差異。本文基于雙向有源全橋電路，給出一種應(yīng)用于該場景下的具體實現(xiàn)方案。在分析其電路拓撲、工作原理、控制策略基礎(chǔ)上，設(shè)計出一套功率30kW，輸入150V轉(zhuǎn)換為±150V的單-雙極運行方式轉(zhuǎn)換直流電力電子變壓器。針對不同的工況下外部條件不同以及控制目標差異，對變壓器啟動過程進行研究，并設(shè)計相應(yīng)的啟動控制策略。仿真與實驗結(jié)果均證明了理論分析的正確性和有效性。

新能源電站； 單-雙極運行方式轉(zhuǎn)換； 雙向有源全橋； 啟動

1 引言

人類對能源需求不斷增加，化石能源終將枯竭，必須探索開發(fā)新的能源來源。太陽能、風(fēng)能等存在于世界的各個角落，其取之不盡用之不竭、清潔、環(huán)保的優(yōu)點，使其成為開發(fā)利用的重點[1]。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，支撐新能源發(fā)電并網(wǎng)的電力電子變壓器概念，日益得到學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的重視。傳統(tǒng)交流變壓器只能實現(xiàn)變壓、隔離、能量傳遞等基本功能，其可控性、兼容性、自愈性等無法滿足智能電網(wǎng)中分布式發(fā)電接入、靈活性能量管控的需求，更無法滿足直流電網(wǎng)中不同電壓等級之間、不同運行方式之間的互聯(lián)要求。在這一研究背景下，考慮將電氣隔離、電壓變換、無功補償、新能源接入等功能集于一身的電力電子變壓器(Power Electronic Transformer, PET)成為對傳統(tǒng)變壓器及電力電子設(shè)備進行集成優(yōu)化、提高電網(wǎng)設(shè)備智能化水平的重要設(shè)備[2,3]。

新能源場站直流型單極性輸出與外部直流電網(wǎng)的雙極性運行方式有差異，其連接需要接口匹配裝置。該裝置為一種典型的電力電子變壓器，根據(jù)其電壓轉(zhuǎn)換的性能要求，本文具體稱之為“單-雙極運行方式轉(zhuǎn)換直流電力電子變壓器(Monopolar-to-Bipolar DC-type Power Electronic Transformer， M2B DC-PET)”，其典型應(yīng)用場景如圖1所示。當該種M2B DC-PET的單極性側(cè)接儲能裝置如蓄電池時，整個裝置需具備能量雙向流動功能。當其單極性側(cè)接直流型風(fēng)電場情景下，考慮到風(fēng)電場黑啟動工況[4-6]，整個裝置同樣需要具備能量雙向傳輸?shù)墓δ躘7,8]。而其單極性側(cè)接光伏場站時，裝置則無須具備能量雙向傳輸功能。如考慮到外部直流電網(wǎng)發(fā)生單極故障時，新能源電站、電力電子變壓器、外部電網(wǎng)三者之間需要繼續(xù)維持50%功率傳輸能力，則M2B DC-PET需要具備“單極啟動和單極運行”的能力。同時，當故障一極問題排除后，其應(yīng)具備“在線單極投入”能力[9]。

圖1 單-雙極運行方式轉(zhuǎn)換直流電力電子變壓器(M2B DC-PET)應(yīng)用場景Fig.1 Application scenario of monopolar-to-bipolar DC-type power electronic transformer (M2B DC-PET)

基于以上考慮，雙有源全橋變換器(Dual Active Bridge，DAB)可作為發(fā)展M2B DC-PET的一種基本電路單元。文獻[10]中展示了多種DAB串并聯(lián)結(jié)構(gòu)。當采用兩個DAB輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)結(jié)構(gòu)時，從串聯(lián)側(cè)引出一根中心線，即可實現(xiàn)單極性直流轉(zhuǎn)換雙極性直流的目的。同時采用DAB電路的變換器具備能量雙向流動和電氣隔離功能，適合應(yīng)用于新能源場站中[11,12]。文獻[13]介紹了一種適用于DAB變換器預(yù)充電的方法。該方法將輸出側(cè)H橋開關(guān)閉鎖，相當于不控整流，調(diào)節(jié)輸入側(cè)H橋開關(guān)狀態(tài)，從而達到防止電流過沖，實現(xiàn)給另一側(cè)電容充電的目的，簡稱為窄脈沖充電方法。

本文聚焦于圖2所示的基于雙DAB結(jié)構(gòu)的M2B DC-PET的具體實現(xiàn)方案，結(jié)合窄脈沖充電和傳統(tǒng)投切預(yù)充電電阻兩種方法，設(shè)計具體的啟動控制策略，以實現(xiàn)不同工況下變換器安全啟動，有效抑制充電電流，同時延長電容使用壽命。本文相關(guān)工作有助于豐富學(xué)術(shù)界與工程界對于該類特殊的直流型電力電子變壓器的理論與實踐認知，有助于提出具有自主知識產(chǎn)權(quán)并適合工程應(yīng)用的高壓大容量電力電子變壓器拓撲，突破緊湊型主電路拓撲、高性能控制保護等方面的關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 雙DAB結(jié)構(gòu)的M2B DC-PET拓撲Fig.2 M2B DC-PET topology based on double DAB

2 電路與啟動設(shè)計

圖2所示雙DAB結(jié)構(gòu)方案由兩個功率回路組成，包括正極回路和負極回路。應(yīng)用于新能源場站中，能量可以同時流過正負極回路，也可以單獨從正極回路或者負極回路傳輸。正負極回路傳輸?shù)墓β手悼梢越Y(jié)合工程需求，控制其平衡或者不平衡。其主要電路參數(shù)如表1所示。

表1 電路設(shè)計參數(shù)Tab.1 Parameters of M2B DC-PET circuit

2.1 控制器設(shè)計

本文設(shè)計的M2B DC-PET采用雙DAB結(jié)構(gòu)，兩個DAB均采用單移相控制，DAB調(diào)制時序如圖3所示。其中Gs1,4是圖2中DAB的原邊開關(guān)管1和4的控制信號，Gs2，3、Gm1，4、Gm2，3同Gs1,4類似，Vr1和Vr2為圖2中橋臂交流電壓，VL和iL分別為圖2中輔助電感兩端電壓和流過電感電流。開關(guān)管均以0.5占空比方波脈沖觸發(fā)導(dǎo)通，兩個全橋內(nèi)對角開關(guān)管同時導(dǎo)通，同一橋臂的上下開關(guān)管互補導(dǎo)通。兩全橋之間的方波脈沖有一移相角，因此在變壓器和漏感兩端就會產(chǎn)生具有相位差的方波電壓。DAB單元傳輸功率表達式可表示為：

(1)

式中，φ為橋臂之間移相角；fs為開關(guān)頻率；n為變壓器變比；Ls為串聯(lián)輔助電感和高頻變壓器的漏感之和。

分析式(1)可以得出，當φ=±π/2時傳輸功率最大，所以設(shè)計中限定傳輸角度為-π/2～π/2。改變φ的值就可以改變傳輸能量的值[14,15]。圖4為單雙極轉(zhuǎn)換變換器的控制器框圖。控制器設(shè)計采用分層控制思路[16]，由兩個控制環(huán)路組成，每個控制環(huán)路又包括電壓、電流閉環(huán)控制器[17,18]。

圖3 雙DAB結(jié)構(gòu)的移相控制時序圖Fig.3 Phase shift control strategy of dual-DAB structure

圖4 M2B DC-PET控制策略Fig.4 Control strategy of M2B DC-PET

2.2 啟動設(shè)計

M2B DC-PET有兩種基本工作模式，即電壓控制模式和電流控制模式。這兩種工作模式下的啟動控制策略不同。

2.2.1 電壓控制模式下啟動方式

電壓控制模式下可根據(jù)變壓器外部端口電壓條件及控制對象不同，選擇控制單極側(cè)電壓或者控制雙極側(cè)電壓。這兩種具體的電壓控制模式下，變壓器端口直流電容充電時序會有所不同。圖5為變換器簡化電路(含斷路器、主回路接觸器和充電電阻)，其中Q1～Q3為直流斷路器(正常工作狀態(tài)時處于閉合狀態(tài))，SW1～SW4為主回路接觸器，T1～T4為充電電阻接觸器。

圖5 簡化電路Fig.5 Simplified circuit

(1)雙極側(cè)電壓控制模式下啟動

啟動時序如圖6(a)所示。首先依次投入T1和T2預(yù)充電電阻給單極側(cè)端口電容充電(即圖5中UC1和UC2)，其電容電壓平緩上升，等待0.8s后(此時電容電壓上升到恒定值)，投入主回路接觸器SW1、SW2，然后切除T1和T2斷開充電回路。此時單極側(cè)電容電壓已建立起來，控制器發(fā)送窄脈沖建立雙極側(cè)電容電壓(即圖5中UC3和UC4)，其電容電壓平緩上升，充電電流保持在合理值。當雙極側(cè)電容電壓上升到設(shè)定閾值后，投入主回路接觸器SW3、SW4，然后控制器進入雙極側(cè)電壓閉環(huán)控制。

(2)單極側(cè)電壓控制模式下啟動

啟動時序如圖6(b)所示。首先依次投入T3和T4預(yù)充電電阻給雙極側(cè)端口電容充電，其電容電壓平緩上升，等待0.8s后(此時UC3和UC4電容電壓上升到恒定值)，投入主回路接觸器SW3、SW4，然后切除T3和T4斷開充電回路。此時雙極側(cè)電容電壓已建立起來，控制器發(fā)送窄脈沖建立單極側(cè)電容電壓，其電容電壓平緩上升，充電電流保持在合理值。當單極側(cè)電容電壓上升到設(shè)定閾值后，投入主回路接觸器SW1、SW2。然后控制器進入單極側(cè)電壓閉環(huán)控制。

2.2.2 電流控制模式下啟動

啟動時序如圖6(c)所示，變壓器兩端口外部均有電壓，首先依次投入T1～T4預(yù)充電電阻給四個電容充電，等待0.8s后(此時電容電壓上升到恒定值)，再投入主回路接觸器SW1～SW4，然后切除T1～T4斷開充電回路。當單極側(cè)和雙極側(cè)端口電容電壓均穩(wěn)定后，控制器進入電流閉環(huán)控制。

圖6 啟動時序Fig.6 Startup sequence

窄脈沖是指開啟一側(cè)H橋的IGBT控制信號而封鎖另一側(cè)H橋的IGBT控制信號，被封鎖的一側(cè)H橋通過IGBT反并聯(lián)二極管實現(xiàn)全橋整流。單雙極轉(zhuǎn)換變換器的單極電壓啟動等效電路如圖7所示，變換器有電壓的一側(cè)H橋下發(fā)IGBT的PWM控制信號，封鎖沒有電壓一側(cè)H橋的IGBT控制信號。窄脈沖波形如圖8所示，其中S1～S4為圖7中開關(guān)管控制信號，同一橋臂上下開關(guān)管互補導(dǎo)通，對角開關(guān)管之間有一相位差，其等效控制信號如圖8所示。

圖7 電壓啟動等效電路Fig.7 Equivalent of start circuit

圖8 充電窄脈沖序列Fig.8 Pulse sequence of charging

圖9為本文設(shè)計的M2B DC-PET樣機實物。樣機試制采用分布式與模塊化設(shè)計，邏輯架構(gòu)清晰。

圖9 M2B DC-PET樣機的硬件實現(xiàn)Fig.9 Hardware implementation of M2B DC-PET prototype

3 仿真與實驗驗證

為驗證第2節(jié)的理論設(shè)計，本文分別開展了仿真與實驗驗證，結(jié)果與分析討論如下。

3.1 仿真驗證

在MATLAB中搭建M2B DC-PET詳細模型，驗證系統(tǒng)設(shè)計的有效性。圖10為雙極側(cè)電壓控制模式下，變壓器啟動的端口電壓波形。其中UC1～UC4為圖5中變壓器端口電容電壓。為了便于觀察，仿真中單極側(cè)端口充電電阻選取有一差值。階段一為電阻充電過程，階段二為窄脈沖充電過程，階段三為電壓閉環(huán)控制。從圖10中可以看出，單極側(cè)端口電容電壓平緩建立。當UC1和UC2上升到閾值后，投入主回路接觸器，斷開充電接觸器，然后控制器發(fā)送窄脈沖信號建立雙極側(cè)端口電容電壓UC3和UC4，其電容電壓平緩上升，當上升到設(shè)定閾值后，投入雙極側(cè)電壓閉環(huán)控制。

圖10 雙極側(cè)電壓控制模式的啟動仿真Fig.10 Simulation under the bipolar-side voltage control mode

其他控制模式下，啟動過程仿真結(jié)果類似，故不再給出。

3.2 實驗驗證

為驗證各類啟動控制模式，實際測試環(huán)境中，用兩臺可編程直流電源分別接M2B DC-PET裝置的單極側(cè)和雙極側(cè)，具體實驗結(jié)果如圖11所示。

(1)單極側(cè)電壓控制模式下的雙極同時啟動

如圖11(a)所示，雙極性側(cè)電容電壓(即圖5中UC3和UC4)通過充電電阻平緩建立。當雙極側(cè)電容電壓穩(wěn)定后，控制器發(fā)送窄脈沖建立單極側(cè)電容電壓(即圖5中UC1和UC2)，待其電壓上升到設(shè)定的閾值后投入單極端口電壓閉環(huán)控制，單極側(cè)電壓穩(wěn)定在設(shè)定值150V。隨后改變輸入變換器的總電流(即圖2中iinput)，先從零增加到50A，然后由50A增加到100A，從圖11(a)可以看出，單極側(cè)端口電壓穩(wěn)定在設(shè)定值150V。

圖11 實驗波形Fig.11 Experiment waveforms

(2)雙極側(cè)電壓控制模式下的雙極同時啟動

如圖11(b)所示，單極側(cè)電容電壓(即圖5中UC1和UC2)，通過充電電阻平緩建立。當單極側(cè)電容電壓穩(wěn)定后，控制器發(fā)送窄脈沖建立雙極側(cè)電容電壓(即圖5中UC3和UC4)，待其電壓上升到設(shè)定的閾值后投入雙極端口電壓閉環(huán)控制，雙極側(cè)電壓穩(wěn)定在設(shè)定值±150V。

(3)單極側(cè)電壓控制模式下的單極依次啟動

如圖11(c)所示，首先啟動變換器正極回路，單極性側(cè)正極電容電壓(即圖5中UC1)通過充電電阻平緩建立。當UC1穩(wěn)定后，正極控制器發(fā)送窄脈沖建立雙極側(cè)正極電容電壓(即圖5中UC3)，待UC3上升到設(shè)定的閾值后投入電壓閉環(huán)控制，UC3穩(wěn)定在設(shè)定值150V。正極回路啟動后，按同樣的過程啟動負極回路，負極啟動實驗波形如圖11(c)中的UC2和UC4所示。

(4)電流控制模式下的雙極同時啟動

如圖11(d)所示，單極側(cè)和雙極側(cè)電容電壓(即圖5中UC1～UC4)，通過充電電阻平緩建立(由于示波器通道限制直流四個通道，所以實驗中只采樣了UC3和UC4)。當UC1～UC4穩(wěn)定后，控制器投入電流閉環(huán)控制，電流i3和i4以設(shè)定的斜率上升到指令值50A。

(5)電流控制模式下的單極依次啟動

如圖11(e)所示，首先啟動變換器正極回路，正極回路電容電壓(即圖5中UC1和UC3)，通過充電電阻平緩建立。當UC1和UC3穩(wěn)定后，正極控制器投入電流閉環(huán)控制，正極電流i3以設(shè)定的斜率上升到指令值50A。正極回路啟動后，按同樣的過程啟動負極回路，負極啟動實驗波形如圖11(e)中的UC4和i4所示。

(6)功率雙向傳輸驗證

變壓器單極側(cè)和雙極側(cè)電容電壓(即圖5中UC1～UC4)均通過充電電阻建立后，控制器投入電流控制。增大電流上升斜率，首先控制電流由零變化到30A,然后再由零變化到-30A。如圖11(f)所示，外部電壓極性保持不變的情況下，傳輸電流改變方向，從而驗證了變換器能量雙向流動功能。

(7)DAB移相角度測試

圖11(g)為DAB單元的橋臂內(nèi)交流電壓、電感兩端電壓和流過電感電流波形(即圖2中Vr1、Vr2、漏感兩端電壓和iL)。圖11(g)驗證了所設(shè)計的DAB單元的單移相控制策略的有效性。

4 結(jié)論

本文給出了一種基于雙DAB并入串出結(jié)構(gòu)的單-雙極運行方式轉(zhuǎn)換直流電力電子變壓器解決方案。該直流變壓器接口的控制架構(gòu)和硬件實現(xiàn)均體現(xiàn)分布式和模塊化設(shè)計理念。結(jié)合應(yīng)用中不同的工作模式和外部工況，本文給出一種結(jié)合預(yù)充電電阻與窄脈沖控制技術(shù)結(jié)合的啟動控制策略，可以平緩建立電容電壓，實現(xiàn)變換器啟動，有效抑制充電電流，延長了電容使用壽命，安全性高，可靠性好。仿真與實驗結(jié)果均驗證了本設(shè)計的正確性和有效性。

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Startup strategy of monopolar-to-bipolar DC-type power electronic transformer

WU Si-wen， ZHU Miao， ZHANG Jian-wen， CAI Xu

(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

In the DC network, different DC-type power electronics transformers are required for different functions. The centralized/distributed renewable energy generation station is usually with monopolar configuration, which leads to the mismatch with the outside DC grid with the bipolar configuration. Therefore, a particular monopolar-to-bipolar DC-type power electronic transformer, M2B DC-PET, is needed to serve as interface between renewable energy generation station and DC grid. A detailed implementation scheme has been given in this paper, of which the rated transmission power is 30kW and rated voltage is 150V transformed into ±150V. On the basis of theoretical analysis, corresponding startup strategies is designed according to the different scenarios. Both simulation and experimental results validated both the correctness and effectiveness of the theoretical analysis and discussion results on the proposed M2B DC-PET.

renewable energy generation station; monopolar-to-bipolar; DAB; startup

2017-01-03

國家自然科學(xué)基金項目(51477102)、 上海市軟科學(xué)研究計劃項目(16692107400)

吳思文(1991-)， 男， 江蘇籍， 碩士研究生， 主要研究方向為DC-DC變換器、 直流配網(wǎng)； 朱 淼(1979-)， 男， 江蘇籍， 研究員， 博導(dǎo)， 博士， 主要研究方向為新能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)、 直流電力與直流電網(wǎng)技術(shù)。

TM46

A

1003-3076(2017)05-0059-08