面向風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的交直流混合升壓轉(zhuǎn)換器*

宋 玲

(湖北工業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430000)

風(fēng)能是世界上發(fā)展最快的可再生能源之一，根據(jù)全球風(fēng)能理事會的數(shù)據(jù)，2018 年全球風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到591 GW，其中陸上裝機(jī)568 GW，海上裝機(jī)23GW[1-2]。海上風(fēng)力發(fā)電的成本歷來高于陸上風(fēng)力發(fā)電，然而，針對海上風(fēng)電行業(yè)的最新報告顯示，近年來，海上風(fēng)電成本急劇下降，自2017 年以來，歐洲海上風(fēng)電價格一直比傳統(tǒng)電源更具有競爭力[3]。

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出電壓較低，通常采用中壓變壓器進(jìn)行升壓，然后在中壓交流(medium voltage AC，MVAC)電網(wǎng)收集風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓。然而，在50/60 Hz 頻率下運(yùn)行的電力變壓器重量大、效率低[4]，常采用MVDC 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)作為替代方案，即用一個在中頻(medium frequency，MF)范圍內(nèi)工作的中壓升壓功率轉(zhuǎn)換器取代體積龐大的變壓器。

中壓功率轉(zhuǎn)換器主要包括兩個部分:發(fā)電機(jī)側(cè)AC/DC 轉(zhuǎn)換和升壓DC/DC 電壓轉(zhuǎn)換。文獻(xiàn)[5]提出了升壓隔離全橋轉(zhuǎn)換器的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是需要一個中壓升壓變壓器在中頻運(yùn)行。高功率水平和高匝數(shù)比下的中頻變壓器，在磁場中的絕緣和耦合效應(yīng)方面有幾個設(shè)計限制，即中頻升壓變壓器的低壓和高壓繞組之間的高絕緣層要求降低了磁化電感，增加了漏感。此外，由于次級繞組匝數(shù)較多，繞組寄生電容不容忽視，為了避免使用大匝數(shù)比的中頻升壓變壓器，文獻(xiàn)[6] 提出了基于開關(guān)電容(switched capacitor，SC)的多單元中壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然而，基于SC 的轉(zhuǎn)換器不能在MVDC 電網(wǎng)上提供輸出電壓調(diào)節(jié)，為了調(diào)節(jié)輸出電壓，文獻(xiàn)[7]提出了一種buck-boost 轉(zhuǎn)換器，可以與開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器并聯(lián)。

電壓倍增器是一種有效的電壓提升技術(shù)，可在轉(zhuǎn)換器的輸出級用于整流和升壓交流或脈動直流輸入[8]。由于電壓倍增整流器(voltage multiplier rectifier，VMR)僅由不同的二極管和電容組合而成，易于實現(xiàn)，成本低，重量輕。全橋電壓倍增器，如倍壓器和四倍壓器，常用于各種DC-DC 轉(zhuǎn)換器[9-10]，由于電壓四倍整流器可在電容器和二極管上平衡電壓應(yīng)力[11]，現(xiàn)代升壓轉(zhuǎn)換器中多采用了電壓四倍整流器。中壓升壓諧振轉(zhuǎn)換器可減少開關(guān)損耗，并提供升壓電壓轉(zhuǎn)換方法[12]，然而，其在需要高電壓增益時常具有高靈敏度頻率控制的缺點(diǎn)[13]，此外，在高電壓增益下，品質(zhì)因數(shù)相當(dāng)高，這也增加了諧振電路元件的電流和電壓應(yīng)力。因此，在中壓升壓功率轉(zhuǎn)換器中使用具有很高電壓增益的升壓諧振電路不是一個實際的解決方案。

針對上述缺點(diǎn)，本文提出了一種用于海上風(fēng)電系統(tǒng)MVDC 轉(zhuǎn)換的全軟開關(guān)模塊化升壓轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，該轉(zhuǎn)換器的每個模塊由一個隔離諧振電路和雙耦合零電流電壓四倍頻電路級聯(lián)而成，仿真分析和樣機(jī)實驗證明了該結(jié)構(gòu)的有效性。

1 所提轉(zhuǎn)換器電路

所提出的升壓型DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊化結(jié)構(gòu)如圖1 所示，為輸入并聯(lián)輸出并聯(lián)(input-paralleloutput-parallel，IPOP)和輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)(inputparallel-output-series，IPOS)系統(tǒng)的組合。與輸入串聯(lián)(input-series，IS)系統(tǒng)相比，這種模塊化配置在平衡電壓和均流方面具有更好的性能[14]，且變壓器二次側(cè)模塊的數(shù)量可根據(jù)所需應(yīng)用和額定電壓進(jìn)行擴(kuò)展。所提轉(zhuǎn)換器的一個模塊如圖2 所示，由直流環(huán)節(jié)電容、開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、通過三繞組變壓器與耦合電壓四倍頻器相連的CLL 諧振電路組成。

圖1 模塊化結(jié)構(gòu)與所提轉(zhuǎn)換器模塊

圖2 基于1 ∶1 ∶1 三繞組變壓器的耦合電壓四倍頻升壓轉(zhuǎn)換器的一個模塊

開關(guān)網(wǎng)絡(luò)包括“多串”開關(guān)，將每個開關(guān)上的電壓應(yīng)力降低到直流鏈路輸入電壓的一半。開關(guān)(S11，S41)和開關(guān)(S21，S31)以互補(bǔ)方式工作，開關(guān)(S11，S41)在間隔DTs期間接通，開關(guān)(S21，S31)在間隔(1-D)Ts期間接通，其中D為占空比，Ts為切換周期。隔離的CLL 諧振電路由諧振電容(Cr11)和耦合電感(Lc11)組成，耦合電感由一個單位匝數(shù)比的三繞組變壓器(T11)隔離，其磁化電感為Lm11。與變壓器繞組串聯(lián)的諧振電容器(Cr11)也起到直流閉鎖電容器的作用，以避免鐵芯飽和。該轉(zhuǎn)換器將變壓器的非理想特性(即漏磁電感和繞組電容)納入CLL 諧振電路的基本運(yùn)行中。所有開關(guān)都可通過存儲在磁化電感和耦合電感中的能量實現(xiàn)零電壓開關(guān)導(dǎo)通，這些能量流過開關(guān)的反并聯(lián)二極管，由于每個開關(guān)上的緩沖電容(Cs11～Cs41)隨著開關(guān)的關(guān)斷電壓的緩慢上升而開始充電，因此可以獲得接近零的關(guān)斷損耗。

該轉(zhuǎn)換器利用高頻整流級輸入端的耦合電感構(gòu)成電流型高增益整流器，高增益整流器的電流驅(qū)動結(jié)構(gòu)保證了二極管的平滑性能，因此，消除了二極管反向恢復(fù)損耗。通過在輸出整流級對電壓四倍器進(jìn)行磁耦合，可以更容易地實現(xiàn)兩個電壓倍頻器模塊的輸出直流電壓平衡，而無需使用復(fù)雜的平衡控制方案[15]。此外，與單獨(dú)組件的單獨(dú)模塊方法相比，所需磁性組件的數(shù)量也將減少，每個轉(zhuǎn)換器模塊的輸出電壓通過變頻調(diào)節(jié)，如圖3 所示。

圖3 所提轉(zhuǎn)換器的模塊化控制方案

2 轉(zhuǎn)換器的工作原理

根據(jù)圖4 所示的工作波形，分析該轉(zhuǎn)換器的工作原理，由于兩組開關(guān)(S11，S41)，(S21，S31)以互補(bǔ)方式控制，因此僅分析所提電路在開關(guān)周期的前半部分內(nèi)的關(guān)鍵操作階段，如圖5 所示。

圖4 模塊的關(guān)鍵工作波形

圖5 開關(guān)周期前半段內(nèi)所提轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行階段

[t0＜t＜t1]:在此間隔之前，Cs11和Cs21已經(jīng)放電到諧振電路，電容器上的電壓已經(jīng)達(dá)到零。在該階段開始時的t0處，柵極信號被施加到S11、S41，且這些開關(guān)在零電壓切換下導(dǎo)通。由于諧振電流ires11負(fù)的部分，電流is11(和is41)為負(fù)，通過S21和S31的電壓被箝位到直流鏈路電容器(Ci11，Ci21)電壓，是輸入電壓(Vi/2)的一半。在此間隔期間，變壓器的二次和三次電流(isec11和iter11)開始從零上升，D13和D17傳導(dǎo)此電流給輸出電容器充電。然而，由于整流器輸入電壓(vrec11)小于通過C12(vc12)的電壓，因此D13和D17不導(dǎo)通(見圖4)。

[t1＜t＜t2]t1時，諧振電流(ires11)變?yōu)檎?，此外，在這段時間內(nèi)，變壓器的磁化電流會反轉(zhuǎn)極性。

[t3＜t＜t4] 在此間隔開始時，所有開關(guān)都關(guān)閉。Cs11和Cs41已經(jīng)放電到諧振電路中，從而允許使用相對較大的緩沖電容器。結(jié)果，S11和S41之間的電壓開始緩慢上升，并且對于S11和S41實現(xiàn)了接近零的關(guān)斷損耗。在此間隔期間，諧振電流(ires11)等于變壓器磁化電流(iLm11)，因此，isec11=iter11=0，能量不會轉(zhuǎn)移到變壓器二次側(cè)和三次側(cè)。

當(dāng)柵極信號被施加到S21和S31時，該級結(jié)束，開關(guān)周期的后半部分開始。

3 變頻器模塊分析

圖6 所示的每個模塊等效電路用于完成所提拓?fù)涞姆€(wěn)態(tài)分析，Rac為諧振電路輸出端的等效負(fù)載電阻，磁化電感(Lm11)與耦合電感(Lc11)之比為:

圖6 不同情況等效電路

隨著輸出功率的增加，Rac接近于低值(見圖6(b))。滿載時，由Cr11和等效電感Leq決定式(2)中給出的諧振頻率；等效電感Leq為諧振電感和磁化電感的并聯(lián)組合。

空載時Rac具有高值，如圖6(c)所示。因此，諧振頻率可由Cr11和Lm11定義。

滿載和空載相對角工作頻率分別用ωf和ωn表示，其中，ω表示角工作頻率。

式(6)中，空載時的相對工作頻率ωn總是高于ωf?？紤]到電路總是在高于諧振的開關(guān)頻率下工作，式(6)意味著在滿載時，諧振頻率ωf更接近開關(guān)頻率，該電路能在較寬的工作點(diǎn)范圍內(nèi)保持零電壓開關(guān)，同時使導(dǎo)通損耗降到最小。通過采用CLL諧振電路，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器滿載時的固有特性，引入較少的環(huán)流。隨著負(fù)載的進(jìn)一步降低，該轉(zhuǎn)換器利用并聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器的特性，在較寬的工作點(diǎn)范圍內(nèi)保持零電壓開關(guān)。

諧振電路vres11的輸入電壓傅里葉級數(shù)表示如式(7)所示，其中vres11(ac)表示交流分量，由式(8)給出，D表示占空比；θh是由式(9)給出的相位角，fs為工作開關(guān)頻率，h表示h次諧波。由于諧振電路中的諧波含量可以忽略不計，因此在后續(xù)計算中均使用基波近似。

3.1 逆變器諧振電流

相對角工作頻率(ωr)由式(14)給出，其中ω0表示角諧振頻率，Q是品質(zhì)因數(shù)。

式(10)中的均方根諧振電流和基波諧振電流峰值分別由式(17)和(18)給出。Im與Ir之比由式(19)給出。式(20)表明，提高開關(guān)頻率和Lm11/Lc11(k)比值，降低品質(zhì)因數(shù)，可以降低電路中的循環(huán)電流，從而降低導(dǎo)通損耗。可以看出，隨著k的增加電路可以近似為串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器，通過并聯(lián)支路(Im)的電流變?yōu)榱?，因此，循環(huán)電流和傳導(dǎo)損耗將隨著Lm11尺寸的增大而減小。相反，當(dāng)更多電流流過并聯(lián)支路時，Lm11越小，效率越低，本文目標(biāo)是調(diào)整Lm11的尺寸，使ZVS 保持不變，同時使整個負(fù)載范圍內(nèi)的傳導(dǎo)損耗損失最小化。

3.2 電壓增益

每個CLL 諧振電路(如圖6(a)所示)的電壓增益及其幅值分別如式(21)和(22)所示。

諧振電路(Cr11)的串聯(lián)電容器阻斷電壓vres11的直流分量由式(8)可知，諧振電壓vres11(ac)的均方根值如下所示:

考慮到電壓四倍整流器，每個轉(zhuǎn)換器模塊的總電壓增益如下所示:

因此，在D=0.5 時，轉(zhuǎn)換器的總電壓增益可由下式給出:

電壓增益與ωr和k的關(guān)系如圖7(a)所示。結(jié)果表明，每條曲線在不同的k值處達(dá)到峰值，該值為kcritical值，并表示φZi=0 的點(diǎn)。為實現(xiàn)零電壓開關(guān)，工作頻率應(yīng)始終高于諧振頻率，這意味著k值應(yīng)選擇在kcritical以上。從圖7 還可以看出，通過降低k值可以獲得更高的電壓增益，另一方面，根據(jù)式(19)，降低k值可以增加循環(huán)電流。圖7(b)給出了常數(shù)k(k=2)和ωr、Q的函數(shù)關(guān)系圖。

圖7 函數(shù)關(guān)系圖

3.3 緩沖電容選擇

緩沖電容器的功能是幫助實現(xiàn)所有開關(guān)的零關(guān)斷損耗，其能量必須在死區(qū)時間內(nèi)完全釋放到諧振電路中。最慢的充電和放電發(fā)生在輕載和高壓時，因此，緩沖電容值的上限是在輕載和高壓下指定的。輕載時，假設(shè)所有電流都流經(jīng)Lm11，Ceq可以通過兩個緩沖電容和Cr11的串聯(lián)給出。

鄉(xiāng)村教師支持計劃背景下教師生存狀態(tài)省思——基于2888名鄉(xiāng)村教師的調(diào)查分析………………張曉文 張 旭(4·80)

作為在所有條件下實現(xiàn)合理零電壓關(guān)斷的一般經(jīng)驗法則，場效應(yīng)管緩沖電容器的充電應(yīng)不小于2tfi(td＞2tfi)，其中tfi是關(guān)斷時開關(guān)電流的下降時間。

此外，磁化電感Lm11必須存儲足夠的能量，以便對兩個緩沖電容器放電:

4 硬件選擇

為驗證所提轉(zhuǎn)換器的功能，在PSIM 中對一個輸出直流電壓為36 kV 的4 MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)進(jìn)行了模擬。輸入電壓為3.3 kV，采用12 個模塊，2 個串聯(lián)(n=2)，3 個并聯(lián)(m=3)(見圖1)，每個開關(guān)上的電壓應(yīng)力是直流連接電壓的一半。因此，采用CREE 1.7 kV、325 A 半橋SiC 場效應(yīng)管模塊作為4 MW模塊化轉(zhuǎn)換器，并給出了兩個3.7 kW、500 V/2.7 kV 模塊的實驗結(jié)果。表1 為各模塊系統(tǒng)規(guī)格參數(shù)。

表1 用于仿真模擬和實驗規(guī)模原型的規(guī)格參數(shù)

4.1 諧振槽值

等效輸出交流電阻為:

假定開關(guān)頻率在17 kHz 左右，為實現(xiàn)每個模塊5.4 的電壓增益，根據(jù)圖7，將k和Q設(shè)置為2 和3.5，最大電壓增益出現(xiàn)在占空比D=0.5 時。因此，根據(jù)式(27)可計算出ωr為1.2；然后，根據(jù)式(33)相應(yīng)地計算出Lc11，令k=2，Lm11=692 μH，匝數(shù)比為1 ∶1，通過式(34)計算Cr11。

緩沖電容按Cs11=Cs41=24 nF 計算。

4.2 高頻變壓器

4.2.1 電感系數(shù)的選擇

選用的錳鋅鐵氧體磁芯，相對溫度系數(shù)αF平均值在4×10-6/K 左右，有效磁導(dǎo)率溫度系數(shù)(αe)約為64×10-5/K，有效磁導(dǎo)率可由下式給出:

因此，當(dāng)鐵芯類型為PM 87/70 且μe=160 時，可從數(shù)據(jù)表中找到電感系數(shù):AL=1 250 nH。

4.2.2 繞組材料選擇

1 000 股×AWG44(即1 000×0.05 mm)天然絲包覆的Litz 線適合于高頻應(yīng)用，Litz 線的總截面計算為1 000×0.002 mm2=2 mm2。所選Litz 線的直流電阻為:

式中:Rs是單個絞線的最大直流電阻，對于AWG44為2 873 Ω/1 000ft。NB為聚束操作數(shù)，NC是布線操作數(shù)，兩者都為1；Ns為單個絞線的數(shù)量。交直流電阻比由式(37)給出，其中K為常數(shù)，取決于Ns，對于Ns=1 000，K=2。D1是銅絞線上單個絞線的直徑，Do是絞線上成品電纜的直徑，Gin為渦流基系數(shù)。

4.2.3 匝數(shù)和電流密度

對于1 250 nH 的AL值和720 μH 的期望電感，式N=(L/AL)0.5計算得到的匝數(shù)為24，電流密度選擇為4 A/mm2。變壓器一次繞組的均方根電流為17 A，因此采用兩根平行的Litz 線(1 000×0.05 mm)實現(xiàn)4.2 A/mm2的電流密度，二次繞組和三次繞組僅由一根Litz 線組成。高頻變壓器圖片如圖8所示。

圖8 高頻三繞組1 ∶1 ∶1 變壓器圖片

4.3 耦合電感器

基于上述方法設(shè)計高頻變壓器的耦合電感，兩個鐵氧體E 磁芯(65/32/27)堆疊在一起，以滿足表2標(biāo)準(zhǔn)。耦合電感的結(jié)構(gòu)原理和樣機(jī)如圖9 所示。

表2 所提轉(zhuǎn)換器中使用的耦合電感的規(guī)格

圖9 耦合電感的結(jié)構(gòu)原理和樣機(jī)圖

5 仿真分析

5.1 仿真分析

圖10 給出了滿載條件下的仿真模擬結(jié)果，其中占空比為D=0.5，如圖所示，所有開關(guān)的開關(guān)損耗均為零。通過每個開關(guān)模塊的RMS 電流為212 A，電壓應(yīng)力為1.65 kV，這使得使用1.7 kV SiC 場效應(yīng)管成為可能。圖10 給出了在一個輸出高頻電壓四倍頻器模塊中通過二極管的測量電流和電壓波形，結(jié)果表明，所有的二極管都實現(xiàn)了軟開關(guān)。

圖10 測量電流和電壓波形

5.2 實驗結(jié)果

為了進(jìn)一步驗證所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能，本文在實驗室中構(gòu)建了兩個模塊，每個模塊的額定功率為3.7 kW，Vi=500 V，其直流輸出電壓為2.7 kV，實驗樣機(jī)的電路元件參數(shù)與仿真結(jié)果完全相似(見表1)。由于模塊的操作相同，因此只給出一個模塊的結(jié)果。樣機(jī)采用ROHM 公司的SiC 場效應(yīng)管，高頻整流級采用SiC 肖特基二極管，開關(guān)頻率為17.4 kHz，占空比為D=0.5。開關(guān)波形及其導(dǎo)通和關(guān)斷轉(zhuǎn)換如圖11 所示，該圖表明，所提轉(zhuǎn)換器可以在兩組開關(guān)中保持零開關(guān)損耗。

圖11 滿載時模塊開關(guān)波形測量值

圖12 給出了輸出高頻電壓四倍頻器模塊中二極管上的測量電流和電壓波形。如圖所示，由于SiC 肖特基二極管的軟開關(guān)操作獲得了平滑的轉(zhuǎn)變，很明顯，輸出二極管上沒有電壓尖峰，因此，二極管的換向幾乎是無損的。圖12 中高頻隔離變壓器的二次和三次電壓證明了電路的平衡性能。

圖12 滿載時測量的電壓四倍二極管波形和高頻隔離變壓器的測量輸出電壓

在降低負(fù)載(額定功率的20%)條件下對電路進(jìn)行測試，滿載和20%負(fù)載條件下的測量效率分別為98.7%和95%，如圖13 所示。所提出的轉(zhuǎn)換器隨輸入電壓階躍變化的動態(tài)響應(yīng)如圖14 所示。可見，開關(guān)頻率從Vi=500 V 時的17.4 kHz 增加到Vi=600 V 時的19.2 kHz，以保持變頻控制下的輸出電壓在2.7 kV，采用DSP 芯片TMS320F28335 實現(xiàn)閉環(huán)控制，變壓器的二次和三次電流隨輸入電壓的階躍變化如圖15 所示。

圖13 每個模塊滿載和20%負(fù)載條件下的測量效率

圖14 (a)輸入電壓階躍變化動態(tài)響應(yīng)；(b)Vi ＝500 V時的開關(guān)波形；(c)Vi ＝600 V 時的開關(guān)波形

圖15 變壓器二次和三次電流在輸入電壓分別為500 V 和600 V 時的階躍變化

4 MW 風(fēng)電機(jī)組仿真和3.7 kW 樣機(jī)中不同功率水平下的測量效率如圖16 所示，圖17 為電路中關(guān)鍵部件的熱圖像。溫度測量表明，開關(guān)和二極管的工作溫度遠(yuǎn)低于器件的最高工作溫度，仿真模擬設(shè)計和樣機(jī)的峰值效率分別為98.8%和98.7%。

圖16 4 MW 風(fēng)電機(jī)組仿真及3.7 kW 樣機(jī)不同功率水平下的效率實測

圖17 樣機(jī)關(guān)鍵部位滿載熱圖像

圖18 給出了使用MSOX6004A 示波器進(jìn)行樣機(jī)驗證和效率測量的圖片。表3 對MVDC 系統(tǒng)中使用的不同高升壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了比較，可以看出，所提轉(zhuǎn)換器具有更好的效率性能，而開關(guān)數(shù)量較少，電壓應(yīng)力僅為輸入直流電壓(Vi)的一半。然而，與全橋逆變器產(chǎn)生的傳統(tǒng)對稱電壓方波不同，采用調(diào)制技術(shù)時，諧振電路的輸入電壓為0 到Vi的單極性方波。因此，每個轉(zhuǎn)換器模塊中的諧振電容器還充當(dāng)直流阻斷電容器并行使其在諧振電路中的功能，通過諧振電容器的電壓應(yīng)力變得更高，例如，在500 V/2.7 kV 時，通過電容器的最大電壓上升到1 kV。

表3 MVDC 電網(wǎng)中不同高升壓變換器的比較

圖18 樣機(jī)驗證和效率測量

6 結(jié)論

本文提出了一種用于風(fēng)電系統(tǒng)MVDC 轉(zhuǎn)換的混合升壓電路結(jié)構(gòu)，由基于耦合電壓四倍頻器的軟開關(guān)升壓諧振轉(zhuǎn)換器組成，并討論了轉(zhuǎn)換器的工作原理和設(shè)計思路，在3.3 kV/18 kV(每個模塊670 kW)的SiC基4 MW 模塊化設(shè)計上的仿真結(jié)果和500 V/2.7 kV(每個模塊3.7 kW)的實驗室規(guī)模樣機(jī)的實驗結(jié)果，證明了所提方法的有效性。