宋海鹰
特变电工股份有限公司新疆变压器厂 新疆昌吉 831100
摘要：现如今，我国的科技在不断的发展，电力技术不断的进步。为解决作为中压直流配网与低压直流微网互联设备的直流固态变压器（DCsolidstatetransformer，DCSST）子模块均压均流问题，同时实现微网直流母线电压的稳定控制及灵活双向功率运行能力，提出了一种以DCSST输出电压稳定为主控制环，输入电压均衡为附加控制环的双环解耦控制策略。针对其输入串联输出并联（input-seriesoutput-parallel，ISOP）结构及隔离型双向DC/DC变换器（isolatedbidirectionalDC/DCconverter，IBDC）移相控制原理，对DCSST进行统一建模，并通过对其小信号线性模型及传递函数的推导，分析了两控制环路之间的解耦条件。仿真与实验结果表明，在所提出的控制策略以及控制参数下，DCSST双向功率运行时输出电压稳定与输入电压均衡控制效果良好，同时，各IBDC模块采用交错控制可有效减小输出电流纹波。
关键词：直流配网；直流固态变压器；控制技术
引言
直流配电方式具有电能损耗小，供电可靠性高，控制简单灵活以及便于分布式电源接入等诸多优点而越来越受到人们的青睐。在直流配网中，由多种分布式电源、储能设备以及负载组成的直流微网将成为一种重要的运行方式。然而直流微网与不同电压等级的直流配电母线之间无法像交流系统一样直接通过电磁感应的方式实现互连，必须采用基于电力电子技术的ＤＣ／ＤＣ变换器完成电压变换、双向功率传输以及电气隔离功能。在低压小容量领域，双有源全桥（ｄｕａｌ－ａｃｔｉｖｅ－ｂｒｉｄｇｅ，ＤＡＢ）变换器具有电压变换和电气隔离功能，易于实现功率双向传输，已经得到了比较广泛的应用。然而，在高压大容量场合，由于功率器件的电压、电流耐受能力有限，单个ＤＡＢ变换器将无法满足高电压变比与大功率传输的要求，而需要多个ＤＡＢ变换器输入端串联以匹配较高的电压等级、输出端并联以获得较大的传输功率，即基于输入串联输出并联（ｉｎｐｕｔ－ｓｅｒｉｅｓ ｏｕｔｐｕｔ－ｐａｒａｌｌｅｌ，ＩＳＯＰ）结构的直流固态变压器（ＤＣ ｓｏｌｉｄｓｔａｔｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，ＤＣＳＳＴ）拓扑。
1DCSST基本工作原理
1.1拓扑结构分析
DCSST拓扑如图1（a）所示，它将n个相同的IBDC模块高压侧串联与中压直流配电母线连接，以解决单模块开关管无法承受高电压的问题，低压侧并联与低压直流微网母线连接，以提高传输功率等级，从而满足直流微网内多种分布式电源以及负荷的接入。图1（b）为IBDC模块电路结构；Cs、Cp分别为串联（高压）侧与并联（低压）侧滤波电容；T为高频变压器，其原、副边分别与全桥电路H1、H2连接；nt为变压器变比；L为其折合到原边的等效漏感；H1桥由开关管S1~S4组成；H2桥由开关管S5~S8组成；uh1、uh2分别表示变压器原、副边高频交流电压。
1.2工作原理及动态模型
DCSST为IBDC的串并联组合，核心部件是高频变压器和原副边的电力电子变换器，其基本原理可由附录图A1所示等效电路描述，在电路工作过程中，单相全桥H1和H2的开关频率相同，输出电压uh1、uh2为50%占空比方波电压。uL为电感L端电压，iL为流经L的电流，由图可看出，通过控制原、副边H桥方波电压uh1、uh2之间的移相角，即可以控制电感L端电压，从而实现对传输功率的大小和流向控制。
将式其代入，略去稳态分量和2阶及以上交流分量得到DCSST小信号表达式为
传递函数矩阵为对角阵，即各控制环路之间实现了解耦。
.2解耦控制的实现与改进
输入均压参考值uin/n与前n?1个模块的输入电压usi作差后经控制器Gsc输出移相比修正信号Dsi，叠加后取反作为第n个模块的移相比修正信号，以满足式（16）。输出电压参考值Uoref与输出电压uo作差后经控制器Gpc输出基本移相比信号D并与各移相比修正信号作差后得各模块移相比信号的最终值Di，通过移相控制器输出驱动脉冲信号。各模块间采用交错控制，使n个模块开关管驱动脉冲依次错开1/n个开关周期，以提高并联侧等效开关频率，减小输出电流纹波。附录图A3给出了模块数n=3、开关周期为Ts时各模块在交错控制下的驱动脉冲波形。
3仿真验证
为验证DCSST输入电压均衡与输出电压稳定控制效果以及解耦控制策略的正确性，在Matlab/Simulink软件中搭建了仿真模型，同时将3个模块的变压器漏感和输入电容设为附录表A2所示的不同数值以体现实际情况下模块间参数的差异。给出了输入电压突变时的仿真波形，输入电压uin在0.1s时由6000V突减至5400V，0.2s时由5400V突增至6600V，0.3s时恢复正常。可以看出，输入电压突变时，输出电压小幅度偏离稳态值后很快恢复正常，各模块输入电压也在很短时间内进入均衡状态。
图输入电压扰动时仿真波形
图给出了负载突变与模块1输入电压受扰
动时的仿真波形。DCSST进入稳态运行后，等效负载在0.1s时由额定值200A增加至400A，0.15s时减小到?200A，0.2s时恢复为200A。0.25s时，将一阻值为20?的电阻R与模块1输入电容Cs1并联，使电容放电，以模拟模块1输入电压下降扰动，3ms后切除电阻R。0.3s时，再次向模块1输入电压施加同样的扰动同时负载从200A突增至400A。图中0.15s时负载呈现负阻特性，表示直流微网内能量过剩，向配网输出功率以维持直流母线电压稳定，0.2s负载电流由负变正，微网恢复吸收功率状态。可见，负载突增、突减及功率方向切换时，输出电压可在50ms时间内达到稳态值380V。0.25s时模块1输入电压受扰动后下降，模块2、3输入电压上升，扰动切除后约40ms各模块输入电压恢复均衡状态；0.3s负载扰动与输入电压扰动同时发生，输入电压与输出电压同时调节，调节过程与单独扰动时无明显区别。
图负载扰动与模块1输入电压扰动仿真波形
由图可知，DCSST输出电压基本不受输入均压调节的影响，且输出电压调节对各模块输入电压同样影响甚微，即仿真结果与式（17）保持一致，验证了解耦控制策略的正确性。
结语
本文针对应用于直流配电系统的ＤＣＳＳＴ提出基于ＡＤＲＣ的输出电压外环控制方案，且基于ＬＡＤＲＣ结构给出一种简化且明确的ＡＤＲＣ参数整定方法。实验结果表明，ＤＣＳＳＴ输出电压外环采用ＡＤＲＣ控制较ＰＩ控制，无论是在跟随能力还是抗扰能力方面都更具优势。虽然ＡＤＲＣ具有诸多优点，但其参数较多，整定困难，部分参数目前只能通过不断的调试来获得，这一缺点限制了其应用，需要进一步的研究和探索设计参数的规律。
参考文献：
[1]孙栩，曹士冬，卜广全，等．架空线柔性直流电网构建方案[J]．电网技术，2016，40（3）：678-682．
[2]刘嘉超，袁志昌，李岩，等．柔性直流技术在负荷中心分网运行的应用[J]．电网技术，2016，40（3）：683-688．
论文作者:宋海鹰
论文发表刊物:《防护工程》2018年第9期
论文发表时间:2018/9/7
标签：电压论文; 模块论文; 变换器论文; 负载论文; 功率论文; 母线论文; 变压器论文; 《防护工程》2018年第9期论文;