基于磁路耦合的電力電子變壓器直流變換技術(shù)

楊曉梅，虞漢陽(yáng)，費(fèi)益軍 ，吉 宇，徐曉軼，姚文熙

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司，南京 210029；2.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州 310027）

電力電子變壓器PET（power electronic transformer）被認(rèn)為是可再生能源并網(wǎng)發(fā)電和高效利用電能的必要設(shè)備，是當(dāng)前智能電網(wǎng)和電力電子的重要發(fā)展方向[1-3]。作為傳統(tǒng)變壓器的替代品，電力電子變壓器通過(guò)功率器件將電網(wǎng)的工頻電壓高頻化，再通過(guò)高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)變換及電氣隔離的目的。通過(guò)該方式，電力電子變壓器不僅具有體積和重量方面的優(yōu)勢(shì)，還能夠?qū)崿F(xiàn)許多傳統(tǒng)變壓器不能完成的功能，比如提供直流母線(xiàn)、無(wú)功補(bǔ)償、諧波抑制、故障隔離等。

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，學(xué)者們先后提出了單級(jí)式、兩級(jí)式及三級(jí)式[4-5]電力電子變壓器結(jié)構(gòu)。其中，三級(jí)式PET以其完備的接口、模塊化的結(jié)構(gòu)以及每級(jí)均可獨(dú)立設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)得到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注，成為目前最成熟的PET設(shè)計(jì)方案[5]。典型的三級(jí)式PET結(jié)構(gòu)由整流級(jí)、隔離DC-DC級(jí)與逆變級(jí)組成，拓?fù)涞暮诵牟糠质侵虚g隔離DC-DC級(jí)，為了應(yīng)對(duì)原邊高電壓和副邊大電流，通常采用多個(gè)功率模塊原邊串聯(lián)、副邊并聯(lián)的連接方式。為了保證能量雙向流動(dòng)，通常采用雙向DC/DC變換器拓?fù)?，其中雙有源橋DAB（dual active bridge）是最具代表性的選擇[6-11]。在此拓?fù)渲校綦x變壓器的數(shù)目等于DAB變換器的數(shù)量，由于變壓器繞組之間需要高壓隔離，尤其繞組的引出端需要設(shè)計(jì)足夠的爬電距離，使得變壓器很難集成到變流器模塊中，限制了PET功率密度的提升。

為了提高模塊串并聯(lián)型PET的功率密度，在DAB拓?fù)涞幕A(chǔ)上，研究人員還提出了三有源橋[12]、四有源橋[13-14]等多種多有源橋MAB（multiple active bridge）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。MAB拓?fù)涫窃贒AB拓?fù)涞幕A(chǔ)上增加變壓器繞組和H橋單元獲得，擴(kuò)展了DAB拓?fù)涞墓β实燃?jí)與應(yīng)用范圍。但是MAB拓?fù)湓谳斎腚妷翰黄ヅ鋾r(shí)，容易形成輸入H橋單元之間的環(huán)流，造成額外的損耗。

為此，本文提出一種改進(jìn)型直流變換器電路，采用原邊磁路獨(dú)立、副邊磁路耦合的新型變壓器結(jié)構(gòu)。采用這種結(jié)構(gòu)易于將變壓器的原邊繞組與磁芯集成到高壓變流器模塊中，提高電力電子變壓器的模塊化程度，并且通過(guò)副邊磁路的耦合，減少變壓器的副邊繞組數(shù)量和端口數(shù)目，從而為提高電力電子變壓器的功率密度提供可能。首先介紹該電路和變壓器的組成結(jié)構(gòu)；隨后對(duì)該電路的工作原理進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)基于移相角的功率控制策略；最后對(duì)設(shè)計(jì)方案和控制方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明方案的可行性。

1 基于磁路耦合的多有源橋結(jié)構(gòu)

針對(duì)模塊串并聯(lián)型PET，為了減少采用獨(dú)立DAB時(shí)的變壓器數(shù)量，又避免采用MAB時(shí)原邊繞組之間的環(huán)流，本文設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的隔離變壓器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

該變壓器為多磁芯結(jié)構(gòu)，原邊有多個(gè)繞組，每個(gè)磁芯對(duì)應(yīng)一個(gè)原邊繞組，繞組之間沒(méi)有磁路耦合；副邊將所有磁芯堆疊在一起作為整體繞制，只有一個(gè)繞組。以該變壓器為基礎(chǔ)，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了原邊磁路獨(dú)立、副邊磁路耦合的多有源橋變換器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)磁路耦合多有源橋MCMAB（magnetic coupling multiple active bridge）），其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 改進(jìn)的變壓器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of improved transformer

圖2 MCMAB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of MCMAB

原邊是模塊化結(jié)構(gòu)，每個(gè)變流器模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的磁芯和原邊繞組，原邊所有全橋模塊的能量通過(guò)磁路耦合到副邊，副邊只有一對(duì)端子與副邊全橋變流器相連。根據(jù)等效電路，MCMAB的工作原理相當(dāng)于多個(gè)DAB變換器，原邊先通過(guò)變換器再串聯(lián)，而副邊繞組則先串聯(lián)后再接變換器。

相對(duì)于傳統(tǒng)多DAB拓?fù)?，MCMAB系統(tǒng)的變壓器原邊的拓?fù)浜屠@組結(jié)構(gòu)不變，但是副邊繞制方式的改變使得許多電氣連接被磁路耦合所替代，端子數(shù)目縮減至2個(gè)。在高絕緣要求的變壓器設(shè)計(jì)中，需要給每個(gè)端子留出較大的空間以滿(mǎn)足絕緣及線(xiàn)路連接要求，因此，通過(guò)減少變壓器端子數(shù)量，有利于減小變壓器體積和提升系統(tǒng)的功率密度。此外，在改進(jìn)的變壓器結(jié)構(gòu)中，原邊繞組和磁芯與對(duì)應(yīng)的高壓側(cè)變流器沒(méi)有高壓絕緣要求，可以將其與對(duì)應(yīng)的高壓變流模塊集成在一起，形成如圖3所示的MCMAB三維結(jié)構(gòu)。原邊的全橋電路、對(duì)應(yīng)的變壓器原邊繞組和磁芯可作為一個(gè)獨(dú)立的功率模塊，副邊則使用高壓電纜直接繞過(guò)三塊板子的磁芯，這樣大大增加了系統(tǒng)的模塊化程度。

圖3 MCMAB的三維結(jié)構(gòu)Fig.3 Three-dimensional structure of MCMAB

相對(duì)于MAB拓?fù)洌琈CMAB雖然增加了磁芯數(shù)目，但是原邊磁路獨(dú)立可以避免環(huán)流問(wèn)題，減少了系統(tǒng)的損耗。另一方面，原副邊的H橋不對(duì)稱(chēng)配置減少了變壓器副邊H橋單元的數(shù)目，有利于充分發(fā)揮器件的最大耐量，降低了電路復(fù)雜度和成本。

2 MCMAB的工作原理和控制方式

如圖2所示，采用改進(jìn)變壓器后，電路的副邊繞組實(shí)際是以半匝為單位進(jìn)行串聯(lián)，串聯(lián)的先后次序與傳統(tǒng)的串聯(lián)方式不同?？煽醋鳎菏紫仍诿總€(gè)磁芯上各取半匝繞組，并串聯(lián)成組，按此方式將磁芯上所有繞組串聯(lián)成一系列半匝串聯(lián)組，再將這些組串聯(lián)起來(lái)。由于最終所有繞組都是串聯(lián)，串聯(lián)繞組之間交換位置不會(huì)影響電路的工作原理，仍然可以根據(jù)傳統(tǒng)串聯(lián)方式來(lái)分析電路。

將每個(gè)全橋模塊均控制為方波輸出，可以采用方波電壓源來(lái)代替全橋電路。在分析功率傳輸時(shí)，可以忽略變壓器的漏感和勵(lì)磁電感，因?yàn)樽儔浩髀└锌煽醋髋c串聯(lián)的諧振電感Lk合并，而勵(lì)磁電感存在于每個(gè)獨(dú)立回路中，在磁芯不飽和情況下，勵(lì)磁電感與方波電源形成獨(dú)立回路，不影響能量傳輸。將原邊方波電源和諧振電感全部折算到副邊（vp1,2,…,N和 L1,2,…,N），得到系統(tǒng)等效簡(jiǎn)化電路，如圖 4所示。

圖4 MCMAB的等效電路模型Fig.4 Equivalent circuit model of MCMAB

當(dāng)原邊全橋采用相同的方波控制時(shí)，其工作模式與傳統(tǒng)DAB拓?fù)涞墓ぷ髂Ｊ筋?lèi)似，其原邊電壓是各模塊全橋輸出電壓之和，串聯(lián)電感是所有模塊的電感之和，DAB拓?fù)渲械囊恍┏Ｒ?jiàn)調(diào)制與控制方式均可以借鑒使用。與DAB相比，實(shí)際MCMAB的控制自由度更多，這些額外的控制自由度可用于優(yōu)化功率流分布，平衡各模塊損耗等，而本文采用其最基本的控制方式——基于原副邊驅(qū)動(dòng)信號(hào)移相的控制方案（簡(jiǎn)稱(chēng)原副邊移相控制）。

設(shè)原邊所有全橋模塊的驅(qū)動(dòng)波形均為占空比為50%的方波信號(hào)，且沒(méi)有相移。副邊的驅(qū)動(dòng)波形同樣為50%的方波信號(hào)，只是與原邊的方波信號(hào)有一個(gè)相位角φ，用來(lái)控制電路的輸出電壓及功率。根據(jù)等效電路原理，畫(huà)出MCMAB電路的工作波形，如圖5所示。圖中，vpk、vs和ILk依次為變壓器原邊第k個(gè)繞組的電壓、變壓器副邊電壓以及儲(chǔ)能電感電流。

對(duì)于原邊有N個(gè)全橋模塊的MCMAB系統(tǒng)，可以得出系統(tǒng)傳輸功率為

式中：nT為變壓器的匝比，nT=np/ns；d為系統(tǒng)的等效占空比，d=φ/π；fs為開(kāi)關(guān)頻率。當(dāng) d＞0，即系統(tǒng)的移相角φ＞0時(shí)，系統(tǒng)功率P＞0，表示能量由變壓器的原邊向變壓器副邊傳遞；當(dāng)d=0.5時(shí)，傳輸功率達(dá)到最大值，對(duì)于能量由變壓器副邊向變壓器原邊傳遞的情況，等效占空比 d=－φ/π，式（1）同樣適用；當(dāng)d=－0.5時(shí)，電路的反向傳輸功率達(dá)到最大值。

圖5 理想狀態(tài)下MCMAB電路的工作波形Fig.5 Working waveforms of circuit for MCMAB in ideal state

因此，設(shè)計(jì)高壓側(cè)所有繞組具有相同的相位，而低壓側(cè)則根據(jù)功率流調(diào)節(jié)相位，相位滯后時(shí)功率流向低壓側(cè)，否則流向高壓側(cè)。由于需要控制相位，高壓側(cè)與低壓側(cè)的控制器之間需要嚴(yán)格的同步，具體控制框圖如圖6所示。圖中原邊高壓側(cè)的所有模塊均使用同步的PWM信號(hào)，副邊根據(jù)功率反饋值Ps和參考值Pref進(jìn)行控制，得到所需的相位角φ。

圖6 基于同步的功率控制框圖Fig.6 Block diagram of power control based on synchronization

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)1 kW實(shí)驗(yàn)樣機(jī)以驗(yàn)證上述分析結(jié)論。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)主電路拓?fù)洳捎米儔浩髟?個(gè)H橋單元、副邊一個(gè)H橋單元的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由600 V直流電源供電，輸出電壓額定值為30 V，儲(chǔ)能電感Lk為0.8 mH。變壓器原邊H橋單元采用三菱公司的PSS15S92F6 IPM模塊，副邊根據(jù)電壓及電流等級(jí)選取了IPP023N10N5 MOSFET器件，開(kāi)關(guān)頻率為3 kHz。整體系統(tǒng)采用數(shù)字控制，控制芯片采用TI公司的TMS320F28377型DSP。變壓器采用圖1所示的結(jié)構(gòu)，匝比為 20∶1。

實(shí)驗(yàn)中能量由變壓器原邊向變壓器副邊傳遞，樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

在直流輸入為600 V的情況下，每個(gè)H橋單元電容電壓的額定值為200 V，圖7（a）為系統(tǒng)輸入電壓波形，圖7（b）為系統(tǒng)輸出電壓波形。由圖7（b）可得，系統(tǒng)輸出電壓可以穩(wěn)定在30 V，實(shí)現(xiàn)了DC-DC變換器的基本功能。原邊開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)S11及電感電流IL1波形如圖7（c）所示。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值為3.3 V時(shí)，表示該驅(qū)動(dòng)信號(hào)使能。當(dāng)S11的驅(qū)動(dòng)信號(hào)使能時(shí)，IL1＜0；當(dāng) S11的驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)斷時(shí)，IL1＞0，說(shuō)明 S11可以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)ZVS（zero voltage sw-itch）開(kāi)通。對(duì)于副邊開(kāi)關(guān)管，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖7（d）可以發(fā)現(xiàn)其同樣滿(mǎn)足軟開(kāi)關(guān)條件，也可以實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)通。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）針對(duì)模塊串聯(lián)型電力電子變壓器中變壓器數(shù)量多、絕緣要求高的問(wèn)題，首先提出了一種適用于電力電子變壓器中間級(jí)直流變換器的磁耦合多有源橋電路，通過(guò)改進(jìn)變壓器的繞制方法，使用原邊磁路獨(dú)立、副邊磁路耦合的變壓器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的直流變換器。將該拓?fù)鋺?yīng)用到模塊化電力電子變壓器上，可以實(shí)現(xiàn)原邊功率模塊與變壓器的集成，同時(shí)簡(jiǎn)化副邊的繞組和接線(xiàn)，降低了電路的復(fù)雜度，且有利于減少成本和提高功率密度。

（2）分析了該拓?fù)涞幕窘Y(jié)構(gòu)、等效模型及工作原理，設(shè)計(jì)了基于移相角的功率控制策略。

（3）采用一臺(tái)1 kW的MCMAB實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對(duì)設(shè)計(jì)方案和控制方法進(jìn)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該變壓器結(jié)構(gòu)和拓?fù)涞目尚行浴?/p>