新型三電平零電流開關(guān)直流變換器

秦福祥

（國(guó)網(wǎng)河南省電力公司鶴壁供電公司，河南 鶴壁 458030）

0 引言

目前，風(fēng)力發(fā)電等可再生能源和化石能源相比已經(jīng)具有一定的成本競(jìng)爭(zhēng)力[1-2]。由于風(fēng)廓線更加穩(wěn)定，風(fēng)力條件更加強(qiáng)勁和一致，海上風(fēng)電場(chǎng)可以獲得比陸上風(fēng)電場(chǎng)更高和更穩(wěn)定的功率[3-4]。高壓交流電網(wǎng)和HVDC（高壓直流）電網(wǎng)是海上風(fēng)電場(chǎng)接入輸電系統(tǒng)的兩種主要方式?？紤]到輸電系統(tǒng)的功率損耗和穩(wěn)定性，高壓直流電網(wǎng)是一種更具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)，在海上風(fēng)電場(chǎng)中具有廣闊的應(yīng)用前景[5-8]。目前我國(guó)已經(jīng)有多條±800 kV 和一條±1 100 kV 特高壓直流輸電工程?？梢灶A(yù)見，在未來(lái)HVDC 輸電技術(shù)也將應(yīng)用于遠(yuǎn)海風(fēng)電系統(tǒng)中[9-10]。

在HVDC 傳輸?shù)幕A(chǔ)上采用中壓直流匯集，可進(jìn)一步采用中高頻變壓器，代替?zhèn)鹘y(tǒng)交流匯集系統(tǒng)中笨重的工頻變壓器。而作為中壓直流匯集系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，中壓大功率直流變換器是實(shí)現(xiàn)直流匯集的核心設(shè)備。隨著風(fēng)機(jī)輸出電壓的不斷增長(zhǎng)，要求變換器輸入側(cè)開關(guān)管具有更高的電壓應(yīng)力。因此，可采用開關(guān)電壓應(yīng)力僅為一半輸入電壓的三電平直流變換器[11-13]。

軟開關(guān)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于三電平直流變換器，以減少開關(guān)損耗，特別是在中高壓大功率應(yīng)用場(chǎng)合中，傳輸效率尤為重要。因?yàn)镸OS 管存在較大的寄生電容，較容易實(shí)現(xiàn)的是MOS 管的零電壓開關(guān)[13-14]。然而，在傳統(tǒng)的移相控制中，當(dāng)負(fù)載波動(dòng)時(shí)，滯后橋臂中的MOS 管零電壓開關(guān)范圍窄，輕載下容易丟失零電壓開關(guān)特性。另外，IGBT 因其較強(qiáng)的耐壓通流能力，在大功率場(chǎng)合更受歡迎。而對(duì)IGBT 而言，實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)可以減少開關(guān)管關(guān)斷時(shí)電流拖尾效應(yīng)造成的損耗[15]。

本文提出了一種采用PWM（脈寬調(diào)制）的三電平直流變換器。該變換器具有一個(gè)主變壓器和一個(gè)輔助變壓器，且二者的副邊繞組是直接串聯(lián)的，從而保證了兩個(gè)變壓器原、副邊繞組電流具有完全相同的變化趨勢(shì)。所提出的變換器可以實(shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍內(nèi)四個(gè)主開關(guān)管的零電流開通和關(guān)斷及副邊整流二極管的零電流關(guān)斷，因此顯著降低開關(guān)損耗和提高傳輸效率。輸出側(cè)采用倍壓整流電路，為輸出容性濾波，避免了高壓電感的使用及其制造方面的難題。

1 三電平直流變換器拓?fù)浼捌涔ぷ髟?/h2>

本文提出的三電平直流變換器主電路拓?fù)淙鐖D1 所示，主要由兩個(gè)輸入電容Cin1和Cin2、6 個(gè)開關(guān)管Q1—Q6、兩個(gè)箝位二極管Dc1和Dc2、漏感Llk、兩個(gè)變壓器Tr1和Tr2、兩個(gè)整流二極管DR1和DR2及兩個(gè)輸出電容Co1和Co2組成。其中，Cn1和Cin2，Q1—Q4，Dc1和Dc2、Llk及Tr1原邊繞組組成傳統(tǒng)的中性點(diǎn)箝位型三電平結(jié)構(gòu)；輔助結(jié)構(gòu)則包括Q5，Q6，Tr2的原邊繞組。

圖1 三電平直流變換器

本文所提變換器的關(guān)鍵波形如圖2 所示。其中，Q1和Q2的驅(qū)動(dòng)波形完全一致，Q3和Q4的驅(qū)動(dòng)波形完全一致，且Q3和Q4滯后Q1和Q2半個(gè)開關(guān)周期。輔助開關(guān)管Q6和Q5則采用PWM 控制，其中Q6與Q1同時(shí)開通而Q5與Q3同時(shí)開通。由于變換器工作原理的對(duì)稱性，本文將只分析變換器在前半個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的3 個(gè)工作模態(tài)，各模態(tài)的電流通路如圖3 所示。

（1）模態(tài)1[t0，t1]：在t0時(shí)刻，Q3和Q4是零電流關(guān)斷，零電流開通。能量分兩路傳輸至負(fù)載側(cè)：第一路通過(guò)Q1，Q2，Tr1以 及整流二極管DR1由Cin1傳送到負(fù)載；第二路通過(guò)Q1，Q2，Tr1，Q6以及整流二極管DR1由輸入電壓源Vin傳送到負(fù)載。具體的電流通路如圖3（a）所示。本模態(tài)中，Tr2副邊端電壓為N2Vin，因此，Tr1副邊端電壓為Vo/2-N2Vin，且Llk的端電壓vLlk可表示為：

圖2 變換器的典型波形

圖3 各模態(tài)的電流通路

式中：N1和N2分別為Tr1和Tr2的升壓比。

通過(guò)合理地設(shè)計(jì)變壓器變比，可滿足vLlk在本模態(tài)為正常數(shù)，如圖2 所示，所以漏感電流也即Tr1的原邊電流ip1會(huì)線性增加，根據(jù)式（1）可得：

因?yàn)門r1和Tr2的副邊繞組是直接串聯(lián)的，兩個(gè)變壓器的原邊電流應(yīng)該具有相同的變化趨勢(shì)，所以流經(jīng)整流二極管的電流iDR1和Tr2的原邊電流ip2也是線性增加的。因此，由變壓器變比關(guān)系可得式（3）和（4）

（2）模態(tài)2[t1，t2]：由圖2 可知，ip1，iDR1，ip2在t1時(shí)刻達(dá)到最大值，此時(shí)，將Q6關(guān)斷。關(guān)斷Q6之后，ip2通過(guò)Q6的反并聯(lián)二極管、Q1，Q2，Tr2的原邊續(xù)流，而ip1和iDR1的電流通路保持不變，與模態(tài)1 中的一致。具體的電流通路如圖3（b）所示。因此，Tr2副邊端電壓為零，Tr1副邊端電壓上升為Vo/2，vLlk可表示為：

通過(guò)合理地設(shè)計(jì)變壓器變比，可滿足vLlk在本模態(tài)為負(fù)常數(shù)，如圖2 所示，所以ip1滿足式（6），而iDR1和ip2仍然分別滿足式（3）和（4）。

（3）模態(tài)3[t2，t3]：本模態(tài)具體的電流通路如圖3（c）所示，主電路停止工作。其中，ip1，iDR1，ip2在t2時(shí)刻同時(shí)下降為零，并保持為零不變，DR1則是零電流關(guān)斷。另外，在t3時(shí)刻零電流關(guān)斷Q1和Q2，同時(shí)零電流開通Q3，Q4和Q5。由于在此之前的模態(tài)2 中Q5兩端的電壓已經(jīng)被其反并聯(lián)二極管箝位為零，見圖3（b），所以Q5實(shí)際上是零電壓、零電流開通的。

綜上所述可知，Q1—Q4能實(shí)現(xiàn)零電流開通和關(guān)斷，Q5和Q6能實(shí)現(xiàn)零電壓、零電流開通和小電流關(guān)斷。

2 變壓器變比設(shè)計(jì)

因?yàn)樗嶂绷髯儞Q器中傳統(tǒng)三電平結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)零電流開通和關(guān)斷，所以應(yīng)使其傳輸絕大部分功率。為此，需要對(duì)變壓器變比進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。根據(jù)變換器結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性和前后半開關(guān)周期工作原理的相似性，本文將只分析半個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的能量傳輸情況。

前半個(gè)開關(guān)周期變換器傳輸?shù)目偣β蔖all可以表示為：

式中：fs為開關(guān)頻率。

傳統(tǒng)三電平結(jié)構(gòu)傳輸?shù)墓β剩ㄒ布碩r1傳輸?shù)墓β剩椋?/p>

顯然，當(dāng)Vin和Vo確定時(shí)，傳統(tǒng)三電平結(jié)構(gòu)傳輸?shù)墓β收伎偣β实谋壤cN1成正比，且與N2無(wú)關(guān)。當(dāng)取Vo=10Vin，可得如圖4 所示的PTr1與Pall的關(guān)系曲線?？梢?，PTr1/Pall會(huì)隨著N1的增大而增大，這意味著N1應(yīng)被設(shè)計(jì)得足夠大從而保證傳統(tǒng)三電平結(jié)構(gòu)傳輸?shù)哪芰窟h(yuǎn)大于輔助電路。

圖4 功率分配與N1 的關(guān)系曲線

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證所提出的三電平零電流開關(guān)直流變換器的工作原理，在實(shí)驗(yàn)室搭建了一套輸入電壓為300 V、輸出電壓為1 500 V、額定功率PN為1.5 kW、開關(guān)頻率為5 kHz 的原理樣機(jī)，其中N1和N2分別為4.5 和0.5，漏感Llk大小取47 μH，電器Cin1和Co1大小分別為300 μF 和8 μF。同時(shí)，為了驗(yàn)證不同負(fù)載下本文所提直流變換器的零電流軟開關(guān)性能，進(jìn)行了滿載和半載兩組不同的實(shí)驗(yàn)。

首先，圖5 和6 是滿載下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)圖3 以及第一節(jié)中的模態(tài)分析可知，Q1和Q2的驅(qū)動(dòng)脈沖、電壓和電流波形均完全一樣，因此滿載只給出了Q1的實(shí)驗(yàn)波形，如圖5 所示?？梢?，在滿載下，Q1關(guān)斷之前其電流就已經(jīng)下降為零并且保持不變，顯然Q1關(guān)斷時(shí)實(shí)現(xiàn)了零電流；而在Q1開通時(shí)，其電流是從零開始慢慢上升的，并且Llk限制了電流上升的斜率，所以Q1也可以認(rèn)為是零電流開通?？傊?，Q1在滿載下也實(shí)現(xiàn)了零電流開通和關(guān)斷。圖6 則給出了滿載下Q6的驅(qū)動(dòng)脈沖、電壓和電流波形，顯然，Q6開通時(shí)其電壓為零，而其電流的變化趨勢(shì)和Q1的電流的變化趨勢(shì)完全一致，即也是從零開始慢慢上升的。因此，Q6實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了滿載下的零電壓、零電流開通。

圖5 滿載下Q1 的驅(qū)動(dòng)脈沖、電壓和電流波形

圖6 滿載下Q6 的驅(qū)動(dòng)脈沖、電壓和電流波形

其次，圖7 和8 給出的則是半載下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。類似地，如圖7 所示，半載下也只給出了Q1的驅(qū)動(dòng)脈沖、電壓和電流波形。可見，與滿載下的結(jié)果相似，半載下的Q1在關(guān)斷之前其電流也已經(jīng)下降為零并且保持不變，實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷；而在Q1開通時(shí)，其電流是從零開始慢慢上升的，并且Llk限制了電流上升的斜率，所以Q1也可以認(rèn)為是零電流開通?？傊?，Q1在半載下也實(shí)現(xiàn)了零電流開通和關(guān)斷。圖8 則給出了滿載下Q6的驅(qū)動(dòng)脈沖、電壓和電流波形，顯然，Q6開通時(shí)其電壓為零，而其電流的變化趨勢(shì)和Q1的電流的變化趨勢(shì)完全一致，即也是從零開始慢慢上升的。因此，Q6實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了半載下的零電壓、零電流開通。

圖8 半載下Q6 的驅(qū)動(dòng)脈沖、電壓和電流波形

根據(jù)本文變換器拓?fù)浜凸ぷ髟淼膶?duì)稱性并綜上所述可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了4 個(gè)開關(guān)管Q1—Q4實(shí)現(xiàn)了零電流開通和關(guān)斷，2 個(gè)輔助開關(guān)管Q5和Q6則實(shí)現(xiàn)了零電壓、零電流開通。

4 結(jié)論

基于海上風(fēng)電的中壓直流匯集系統(tǒng)，本文提出了一種基于傳統(tǒng)中性點(diǎn)箝位型三電平電路的新型零電流開關(guān)直流變換器，通過(guò)2 個(gè)輔助開關(guān)管的斬波控制實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)中性點(diǎn)箝位型三電平電路中所有開關(guān)管的零電流開通，且輔助結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓、零電流開通。傳統(tǒng)中性點(diǎn)箝位型三電平電路傳輸?shù)墓β时壤慌c主變壓器的匝比有關(guān)，且成正比例關(guān)系?；诖罱ǖ膶?shí)驗(yàn)室原理樣機(jī)，進(jìn)行了滿載和半載兩組不同的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果驗(yàn)證了本文變換器工作原理的可行性和寬負(fù)載范圍內(nèi)的軟開關(guān)特性。