柔性變電站雙向DC-DC變換器自主均流控制研究

王世君，郝泉，李文龍

（國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司，河北 承德 067000）

近年來，隨著科技的不斷發(fā)展，電子設(shè)備的使用量不斷增多[1]，對(duì)電源系統(tǒng)供電質(zhì)量要求越來越高。為了提供更高質(zhì)量的電源，采用多個(gè)電源塊并聯(lián)式供電模式，在該模式中變換器必須保持均流運(yùn)行，以保證正常的供電需求，但在此過程中，由于多種因素影響導(dǎo)致其無法均流運(yùn)行[2-3]，嚴(yán)重影響供電質(zhì)量的提升。因此，如何提升變換器均流控制成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。

文獻(xiàn)[4]提出基于自適應(yīng)虛擬阻抗的柔性變電站雙向DC-DC變換器自主均流控制方法。該方法首先基于變換器原理，對(duì)變換器系統(tǒng)環(huán)流特性進(jìn)行分析，再利用自適應(yīng)的虛擬環(huán)流阻抗對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行抑制，最后通過自適應(yīng)虛擬阻抗匹配法計(jì)算變換器的抑制結(jié)果，實(shí)現(xiàn)自主均流控制。該方法由于未能通過計(jì)算獲取變換器的直流側(cè)電壓與交流側(cè)電壓之間關(guān)系，導(dǎo)致變換器內(nèi)開關(guān)周期直流側(cè)電壓不穩(wěn)定，存在一定局限性。文獻(xiàn)[5]提出基于滑動(dòng)平均的DC-DC變換器自主均流控制方法。該方法首先采用滑動(dòng)平均濾波法對(duì)DCDC變換器中電感電流進(jìn)行濾波處理，再對(duì)濾波后的電流值進(jìn)行PID計(jì)算，以此確定調(diào)節(jié)變換器的開關(guān)管占空比，完成變換器的自主均流控制。該方法由于未能在變換器進(jìn)行自主均流控制前對(duì)雙向DC-DC變換器內(nèi)檢測(cè)到的電壓進(jìn)行正弦調(diào)制，獲取電壓占空比誤差較大，導(dǎo)致負(fù)載能力差。

為解決上述存在的問題，本文提出基于三維調(diào)制的柔性變電站雙向DC-DC變換器自主均流控制方法。與傳統(tǒng)方法相比，所提方法可有效改善柔性變電站雙向DC-DC變換器自主均流控制效果，具有一定可行性。

1 變換器內(nèi)電容電壓的平衡

為提升變換器自主均流控制效果，利用三維調(diào)制方法對(duì)DC-DC變換器內(nèi)電容、電壓進(jìn)行調(diào)制，使DC-DC變換器內(nèi)的電容電壓能夠平衡[6]。

首先對(duì)柔性變電站雙向DC-DC變換器內(nèi)的電壓進(jìn)行檢測(cè)，再將檢測(cè)到的直流側(cè)電壓以及交流側(cè)電壓進(jìn)行正弦調(diào)制，計(jì)算DC-DC變換器中各橋占空比，最后調(diào)節(jié)變換器內(nèi)各橋之間的有功能量，從而使各路電壓趨于平衡。

1.1 三維調(diào)制方法

將DC-DC變換器中整流器交流側(cè)電壓表示為

式中：v1，v2，v3均為變換器中兩方交流側(cè)電壓；vcon為整流器交流側(cè)電壓總值。

其中，在[-vdci,vdci]范圍內(nèi)任意值均可作為變換器中兩方交流側(cè)電壓v1，v2以及v3的平均值。

設(shè)vcon在v1的開關(guān)周期內(nèi)平均值為Vcon1，Vcon1的取值范圍為[-(vdc1+vdc2+vdc3),(vdc1+vdc2+vdc3)]。將DC-DC變換器內(nèi)的交流側(cè)電壓v1，v2以及v3放入一個(gè)三維空間內(nèi)，并將其作為三維空間中的x,y,z軸，如圖1所示。

圖1 變換器的三維調(diào)制空間Fig.1 Three-dimensional modulation space of the converter

由圖1可知，三維空間坐標(biāo)點(diǎn)（-1，1，-1），（1，-1，1），（0，0，0）內(nèi)的（-1，0，1），其為雙向DCDC變換器中各橋占空比取值(D3，D2，D1)。設(shè)定此區(qū)域?yàn)殡p向DC-DC變換器的三維調(diào)制區(qū)，超出該區(qū)域的值無效且不能合成三橋，由于雙向DC-DC變換器在運(yùn)行時(shí)無法確定直流側(cè)電壓的高低，因此將變換器內(nèi)直流側(cè)電壓最低的橋作為z軸，當(dāng)vdc1＜vdc2＜vdc3時(shí)，各橋?yàn)?=z,2=x,3=y；當(dāng)vdc1＞vdc2＞vdc3時(shí)，各橋?yàn)?=y,2=x,3=z。設(shè)定三維調(diào)制是在vdc1＜vdc2＜vdc3情況下進(jìn)行，所以DC-DC變換器的三橋負(fù)載R1＜R2＜R3。

由于雙向DC-DC變換器的開關(guān)頻率較高，在整個(gè)橋開關(guān)周期內(nèi)直流側(cè)電壓可維持穩(wěn)定，雙向DC-DC變換器的直流側(cè)與交流側(cè)的電壓關(guān)系為

式中：V1，V2，V3分別為雙向DC-DC變換器的直流側(cè)與交流側(cè)的不同電壓值。

此時(shí)，由式（1）可知雙向DC-DC變換器中Vcon的值如下式：

由上述計(jì)算結(jié)果可知，三維調(diào)制空間內(nèi)x,y,z軸垂直于α平面內(nèi)所有調(diào)制點(diǎn)，且α=x+y+z=Vcon。α平面能夠與Vcon的取值對(duì)應(yīng)，在雙向DCDC變換器的工頻周期內(nèi)，Vcon按正弦規(guī)律變化，α平面上的（1，1，1）與（-1，-1，-1）之間也跟隨正弦規(guī)律進(jìn)行周期循環(huán)。作為α平面內(nèi)的α曲線，可直接將雙向DC-DC變換器內(nèi)開關(guān)周期與三維調(diào)制點(diǎn)進(jìn)行連接[7]。

DC-DC變換器內(nèi)交流電源頻率遠(yuǎn)低于整流橋的開關(guān)頻率，開關(guān)周期內(nèi)的調(diào)制波Vconm保持穩(wěn)定不變，而Vcon值為

此時(shí)，選擇α平面上任意三維調(diào)制點(diǎn)合成vcon，選取調(diào)制點(diǎn)在x,y,z=0平面的投影V3,V2,V1中值，再利用式（2）計(jì)算DC-DC變換器中三橋占空比。

DC-DC變換器中各橋開關(guān)周期的有功功率為

式中：is為額定電流值。

同一個(gè)α平面不同調(diào)制點(diǎn)合成的Vcon相同。由于V3,V2,V1的取值不同，雙向DC-DC變換器中三橋有功能量也不盡相同，通過三維調(diào)制點(diǎn)調(diào)節(jié)雙向DC-DC變換器中各橋之間的有功功率，從而使直流側(cè)電壓電容得到平衡[8]。

1.2 調(diào)節(jié)軌跡選取

當(dāng)DC-DC變換器中三橋的直流側(cè)電壓相同時(shí)，要同時(shí)使三橋占空比達(dá)到一致，以此保持三橋的直流側(cè)電壓的平衡，利用曲線z=x=y計(jì)算DC-DC變換器中的三橋占空比，即

若雙向DC-DC變換器中三橋的負(fù)載R1＜R2＜R3，將雙向DC-DC變換器開關(guān)周期內(nèi)三橋的有功能量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此維持直流側(cè)電容電壓的平衡。在三維調(diào)制空間中，若調(diào)制點(diǎn)發(fā)生位移，那么雙向DC-DC變換器占空比ΔD1增量會(huì)隨之加大，獲取的有功能量也增多，所以橋1的增量會(huì)保持在最大狀態(tài)。三維調(diào)制的軌跡則如圖2所示。雙向DC-DC變換器中三橋調(diào)制波形如圖3所示。

圖2 三維調(diào)制軌跡曲線圖Fig.2 Three dimensional modulation trajectory curve

圖3 各橋中調(diào)制波廝圖Fig.3 Modulation waveforms in each bridge

2 自主均流控制實(shí)現(xiàn)

利用DPS法實(shí)現(xiàn)柔性變電站雙向DC-DC變換器的自主均流控制。其控制原理如圖4所示。

圖4 自主均流控制原理Fig.4 Principle of independent mean flow control

從圖4可以看出，通過設(shè)置的并聯(lián)模塊，將其中電流較大的部分作為主要部分，通過均流的主電路中的電壓展示了最大的電流，正常運(yùn)行情況下其均流較為均衡，但運(yùn)行過程中每個(gè)模塊由于多因素影響導(dǎo)致出現(xiàn)異常，因此，通過對(duì)這些異常行為進(jìn)行三維調(diào)制，完成其自主均流控制。

2.1 電流應(yīng)力特性分析

雙向DC-DC變換器的傳輸功率表示為

式中：n為變換器傳輸次數(shù)；fs為電壓放大倍數(shù)；l為傳輸?shù)木嚯x。

對(duì)于DC-DC變換器在均流控制時(shí)，不僅要對(duì)變換器中各結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行控制，還要調(diào)節(jié)變換器輸出時(shí)電流以及輸入時(shí)電壓的平衡[9]。依據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，傳輸功率在輸入與輸出端的功率相等。若設(shè)定DC-DC變換器中每一結(jié)構(gòu)模塊的變換效率為1，依據(jù)功率守恒可計(jì)算出輸出電壓及輸入電壓，即

式中：Vinm為雙向DC-DC變換器的輸入電壓；Ain為輸入電壓抗干擾因子。

DC-DC變換器中結(jié)構(gòu)模塊的輸入與輸出電壓一致，所以為保證柔性變電站雙向DC-DC變換器能夠正常運(yùn)行，要保證變換器中各個(gè)結(jié)構(gòu)模塊的輸出電流進(jìn)行均流控制。

計(jì)算DC-DC變換器的第i個(gè)結(jié)構(gòu)模塊的傳輸功率，過程如下式所示：

再依據(jù)傳輸功率結(jié)果，獲取DC-DC變換器的輸出電流結(jié)果，即

2.2 外移相角計(jì)算

2.3 均流控制

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為驗(yàn)證所提方法的整體有效性，搭建了STM32F207實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，其中輸入電壓為600 V，最大輸出電壓為500 V，功率為4 kW，工作頻率為20 kHz。實(shí)驗(yàn)用雙向DC-DC變換器如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)用雙向DC-DC變換器Fig.5 Bidirectional DC-DC converter for experimental use

3.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：共用負(fù)載10 Ω，輸出電阻0.1～0.4 Ω，電壓調(diào)節(jié)器參數(shù)0.02～0.06，慣性延遲0.1，電流100～300 A。

3.3 實(shí)驗(yàn)方案

分別采用基于三維調(diào)制的柔性變電站雙向DC-DC變換器自主均流控制研究（方法1）、基于自適應(yīng)虛擬阻抗的柔性變電站DC-DC變換器自主均流控制方法（方法2）以及基于滑動(dòng)平均的柔性變電站DC-DC變換器自主均流控制方法（方法3）進(jìn)行測(cè)試，以電流運(yùn)行波形、變換器輸出電流應(yīng)力以及瞬時(shí)減載為測(cè)試指標(biāo)，驗(yàn)證所提方法的有效性。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，對(duì)方法1、方法2以及方法3的雙向DC-DC變換器運(yùn)行波形進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同方法電流運(yùn)行波廝變化分析Fig.6 Analysis of current operation waveforms change in different methods

依據(jù)圖6可知，隨著雙向DC-DC變換器運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的不斷變化，三種方法電流運(yùn)行的波形存在一定變化。其中，方法1運(yùn)行波形要比方法2及方法3穩(wěn)定均衡，并且在電流應(yīng)力上具有明顯優(yōu)勢(shì)，這主要是由于方法1在進(jìn)行自主均流控制前，利用三維調(diào)制法將DC-DC變換器中的電容電壓進(jìn)行調(diào)制使其達(dá)到平衡，從而保證了變換器自主均流控制時(shí)運(yùn)行波形的穩(wěn)定。

實(shí)驗(yàn)中，利用方法1、方法2以及方法3對(duì)雙向DC-DC變換器的輸出電流應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同方法輸出電流庫力測(cè)試結(jié)果Fig.7 Output current stress test results of different methods

依據(jù)圖7可知，隨著功率的不斷變化，采用三種方法輸出的電流應(yīng)力測(cè)試結(jié)果存在一定差距。其中，采用方法1雙向DC-DC變換器輸出電流應(yīng)力要低于其余兩種方法。方法1能夠?qū)㈦娏鲬?yīng)力維持在最佳水平，并能夠隨著雙向DC-DC變換器功率的增大隨之發(fā)生改變。這是由于方法1通過計(jì)算獲取了雙向DC-DC變換器的直流側(cè)電壓與交流側(cè)電壓之間的關(guān)系，從而維持了變換器內(nèi)的開關(guān)周期直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，以此降低雙向DCDC變換器的電流應(yīng)力，平衡輸出的電流。

根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果，對(duì)方法1、方法2以及方法3的負(fù)載瞬時(shí)波動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 瞬時(shí)加載測(cè)試結(jié)果Fig.8 Instantaneous loading test results

圖9 瞬時(shí)減載測(cè)試結(jié)果Fig.9 Instantaneous load shedding test results

依據(jù)圖8、圖9可知，方法1在雙向DC-DC變換器負(fù)載突加或突減時(shí)，能夠使變換器的瞬時(shí)波動(dòng)快速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，而方法2以及方法3的穩(wěn)定時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。這主要是因?yàn)榉椒?在進(jìn)行自主均流控制前首先對(duì)雙向DC-DC變換器內(nèi)的電壓進(jìn)行檢測(cè)，再將檢測(cè)到的直流側(cè)電壓以及交流側(cè)電壓進(jìn)行正弦調(diào)制，獲取電壓占空比，從而使變電站雙向DC-DC變換器能夠?qū)崿F(xiàn)良好的均流控制，提高了DC-DC變換器的負(fù)載能力。

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)變換器自主均流控制方法中存在的不足，提出一種新的DC-DC變換器自主均流方法。通過三維調(diào)制法對(duì)變換器中電容電壓進(jìn)行調(diào)制，以此平衡變換器中的電容電壓，再利用DPS法來實(shí)現(xiàn)柔性變電站DC-DC變換器的自主均流控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所提方法可有效提升DCDC變換器自主均流控制效果。