电力系统及其自动化 Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ 苎 ！！竺！： 竺！ 单相多线圈中频变压器ＤＣ／ＤＣ控制方法研究 郑天奇。。谢宝昌 ，蔡旭 （上海交通大学ａ．电子信息与电气工程学院风力发电研究中心ｂ．海洋工程国家重点实验室，上海摘２００２４０） 要：多端直流电网是未来分布式输配电网的关键技术，不同电压等级的直流电网通过中频变压器隔离互联。目前变压器采用多电 平移相控制技术因触发不同步存在器件发热不均衡、可靠性不稳定等问题。针对现有技术缺陷，提出了一种单相多线圈中频 变压器级联式ＤＣ／ＤＣ控制方法，拓扑结构主要包括控制器、滤波电感和多线圈变压器。将单相变压器的每一绕组拆分为多个 线圈，再将每个线圈的半桥控制模块串联，这样可以有效改善功率器件电压和电流的应力，实现电容电压自动均衡。ＭＡＴＬＡＢ／ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真结果表明所设计的拓扑结构和控制方法是可行的。 关键词：中频变压器；半桥级联控制；单相多线圈；电流滞环；Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ・ｉｓｓｎ．１０００－３８８６．２０１５．０３．０２０ ［中图分类号］ＴＭ４３２［文献标志码］Ａ［文章编号］１０００—３８８６（２０１５）０３—００６１一Ｏ３ Ａ Ｓｔｕｄｙ Ｏｎ ＤＣ／ＤＣ ＣｏｎｔｒｏＩ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅ Ｍｕｌｔｉ—ｃｏｉｌ ＭＦ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ＺＨＥＮＧ Ｔｉａｎ－ｑｉａ，ＸＩＥ Ｂａｏ．ｃｈａｎｇ ，一，ＣＡＩ Ｘｕ ・ （ａ． Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０，Ｃｈｉｎａ） ｂ．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｏｃｅａｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｕｌｔｉｐｏｒｔ ＤＣ ｄ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｉｎ ｆｕｔｕｒｅ ｄｉｓｔｉｂｕｔｒｅｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄｓ．ＤＣ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｇｒａｄｅｓ ａｒｅ ｉｓｏｌａｔｅｄ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｂｙ ｍｅｄｉｕｍ￣ｅｑｕｅｎｃｙ（ＭＦ）ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ．Ｐｒｅｓｅｎｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ，ｕｓｉｎｇ ｍｕｌｔｉ－ ｌｅｖｅｌ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｔｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ，ｈａｖｅ ｓｕｃｈ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｓ ｕｎｅｖｅｎ ｄｅｖｉｃｅ ｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ ｌｏｗ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｎｏｎ－ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ ｔｒｉｇｇｉｎｇ．Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ－ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｃａｓｃａｄｅｄ ＤＣ／ＤＣ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅ ｍｕｌｔｉ・ ｃｏｉｌ ＭＦ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ。ｕｓｉｎｇ ａ ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ａ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｆｉｌｔｅｒ ｉｎｄｕｃｔｏｒ ａｎｄ ｍｕｌｔｉ－ｃｏｉｌ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ．Ｅａｃｈ ｗｉｎｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ．ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｆ０ｒｎｌｅｒ ｉｓ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ａ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｃｏｉｌｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｕｌｅｓ ｏｆ ａｌｌ ｔｈｅ ｃｏｉｌｓ ａｒｅ ｃａｓｃａｄｅｄ－ｓｏ ａｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｂａｌａｎｃｅ ｏｆ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｖｏｌｔａｇｅ．ＭＡＴＬＡＢ／ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｆｅａｓｉｂｌｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＦ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ ｃａｓｃａｄｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｉｎｇｌｅ・ｐｈａｓｅ ｍｕｌｔｉ－ｃｏｉｌ；ｃｕｒｒｅｎｔ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ－ｌｏｏｐ；Ｓｉｍｕｌｉｎｋ Ｉ’ 引 昌 随着高压直流输电和分布式电能利用技术发展，多端直流电 网是未来分布式输配电网的关键技术 。不同等级直流电网通 过中频变压器隔离，采用ＤＣ／ＡＣ一中频变压器一ＡＣ／ＤＣ的拓扑 功率开关管的通断电流大小和时间长短都不均衡 ，造成功率开 关管和续流二极管的损耗发热不一样，容易造成有些器件热老化 严重，影响系统可靠性。 本文提出一种单相多线圈中频变压器的双向高压ＤＣ／ＤＣ拓 扑结构，这种结构可以有效地改善中频变压器绕组功率流的双向 结构，实现直流电网的互联，故障容错性好。对大功率ＤＣ／ＤＣ变 换器的研究有很多，研究方向是谐振变换器，及变压器的拓扑结 控制过程中电压和电流的时间变化率，自动实现对电容器电压的 均衡，控制灵活，可有效地避免功率控制器件触发导通不同步引 起的功率器件承受电压不可控问题，有效抑制直流电容充电电流 构 ］。本文从对变压器的拓扑结构和控制方法提出一些新的 想法。 文献［３］提出了一种双有源半桥拓扑结构，与全桥结构相比 精减了器件数目，还可以提高系统效率，控制方法也简单，但是电 路结构需要两个电容串联，实际中会出现两个串联电容电压值不 平衡的现象。 正弦波中频变压器需要采用多电平移相控制技术，多电平控 和直流电源的电流纹波。利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模型逐步分析得出 最终的变压器控制方法，通过仿真实验验证了所提方法的有 效性。 １变压器拓扑结构 单相多线圈中频方波变压器的高压ＤＣ／ＤＣ拓扑结构是一种 新型的变压器结构。变压器绕组每个线圈单独引线到控制器，控 制器采用多级半桥控制单元串联结构，每个半桥控制单元由两条 并联支路组成，两条支路的中间点分别连接变压器绕组的一个线 圈。变压器同一绕组每组线圈的半桥控制单元顺极性串联起来， 制电路拓扑结构通常采用中性点二极管钳位或飞跨电容均压，以 及Ｈ桥级联方式，这些拓扑结构和控制方法十分复杂，而且不同 定稿日期：２０１４—１１—２３ 基金项目：国家自然科学基金项目（５１３０７１１０）；直流电网用高压ＤＣ／ ＤＣ变换器前期技术研究资助项目；上海市科委项目：５ ＭＷ 以上直驱型海上风电系统建模与故障预测技术研究 （１１ｄｚ１２００２０４） 组成绕组控制拓扑，两组控制拓扑经滤波电感分隔后顺极性串 联。这种结构可以有效地改善功率器件电压和电流应力，能实现 高于变压器电压的直流母线电压变换。 ＥｌｅｃｔｒｉｃａＩ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ６１ 电力系统及其自动化 Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ 《电气自动化）２ｏ１５年第３７卷第３期 互耦合的多个线圈来示意表达 。通过仿真模块设定各绕组的 一 ＿ ．电阻、自感和互感值。测量输入功率、输出功率，如图１Ｏ所示。 ＼ 、ｊ／—＼ —／，、、、—／ ． ／ ／，＼ ／ ／，、 ＼ 、—／图７不够完美的电流跟踪波形图 一一－ Ｉ ＼＼／ ／ ＼＼／ ／／ １＼／ ＼／， Ｖ Ｖ 、 每 ？ ｆ‘ ．Ｉ Ｉ ： 奄 ７ ｆ’ ｌ 图１Ｏ输入功率、输出功率波形 电容电压波动以及输入和输出侧线圈上的方波电压如图１１ 所示。当电压稳定时，每个电容电压的波动约为０．６％，测出输 玺 入平均功率为４．２４１ Ｘ １０ Ｗ，输出平均功率为４．１７５ Ｘ ｌ０ Ｗ。 一次侧和二次侧的控制信号波形如图１２所示。 ｌ Ｏ ｌ Ｏ ｌ Ｏ １ Ｏ ５Ｏ８卜 ｒ — ｔ ． 图８ 比较理想的电流跟踪波形图 ‘ —ｒ … ． ：－ ｌ － ｌｌ ： 。 ：二 『－｝ ｌ～ 、 … 、 ／ ／ 、 ／… ／ 、 ＼ ／ ｌｌｌ＿ｊ１．． ／ ７ ＼ 、 、 、、—／ ／ 、 ／图９滞环控制策略的功率波形图 ３变压器双侧控制的实现 ３．１控制方法 在单侧的输出线圈单元模块基础上，搭建较为完备的变压器 双侧ＤＣ／ＤＣ控制系统。每一侧的功率开关管按顺序奇偶数编号。 输入侧各半桥控制单元的功率开关管奇数与偶数编号轮换 导通，保持变压器输入侧线圈同名端电压极性相同，轮流将各半 桥控制单元的两个电容电压加到变压器输入侧对应线圈，即形成 方波电压输入线圈。这样变压器磁芯内部形成耦合磁场，并在变 压器输出侧各线圈产生电压，再通过变压器输出侧各半桥控制单 元的功率开关管奇数与偶数编号轮换导通，将变压器输出侧的线 圈电压输出，并轮流对各半桥控制单元的两个电容器充电。概括 来说，输入侧控制开关管产生方波输入线圈，输出侧按３．２中的 控制策略对开关管控制。 当输入端与输出端的各串联电容器形成的总直流电压达到 预期稳定状态后，根据输入端和输出端的总直流电压稳定要求进 行功率控制。 图１２一次侧和二次侧控制信号波形 在仿真过程中，输入功率可能会出现小于０的时刻，可以通过提 高电容的初始电压值解决，串联后的电容初始电压要高于直流电源 电压，用以保证电容电压在波动的情况下也不会超过电源电压。 ４结束语 本文提出了一种单相多线圈中频变压器级联ＤＣ／ＤＣ控制拓 扑结构及方法，与传统控制方法相比，简单且能均衡不同开关管 的导通电流大小和通断时间长短，功率开关器件能实现零电流导 通，避免多电平控制器件因发热不均或触发不同步等引起的问 题，直流母线各电容电压具有自主平衡功能，减少电流纹波。 （下转第７４页） Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ６３ ３．２仿真方法与结果 两侧各有两个线圈控制单元串联，与单个线圈仿真不同的 是，线圈通过变压器同一磁芯耦合，类似多绕组变压器可以用相 《电气自动化）２０１５年第３７卷第３期 电力系统及其自动化 Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ 图ｌ１ 对称有畸变与无畸变时Ａ相波形图 图１４ 电压对称有畸变电流ｆ 与无畸变电流ｆ：的波形图 ３结束语 本文针对三相四线制ＡＰＦ电流检测的三种方法进行理论和 仿真结果的对比分析得出，Ｐ—ｑ一０法由于有三相电压参与运 算，所以其只能用在三相电压对称且无畸变的ＡＰＦ中。而咖一曲 法所需要正余弦的相位与Ａ相电压的相位相同。在其不对称时 其产生相应的相位也不同，所以其只能应用于对称的ＡＰＦ中。 无论电压是否对称还是发生畸变的ＡＰＦ虽然都有误差的出现， 图１２对称无畸变电流ｉ 与不对称无畸变电流ｆ 相波形图 但三种检测方法中ｄ—ｑ一０法的检测精度最高，在实际应用中电 压不可能完全对称且没有畸变，所以对三相四线制ＡＰＦ的ｄ—ｇ —基波波形有延迟，即无法准确的检测出负载谐波指令电流。所以 ｉｐ一幻法可以用与对称的ＡＰＦ中。 ２．２．３ ｄ—ｇ—Ｏ法波形图（见图ｌ３、图１４） Ｏ法的研究是具有实际意义的。 参考文献： ［１］姜齐荣，赵东元，陈建业．有源电力滤波器：结构・原理・控制［Ｍ］． 北京：科学出版社，２００５． ［２］刘志元．三相四线制并联型有源电力滤波器的研究与设计［Ｄ］．沈 阳：东北大学，２０１１． ［３］李伟彬，有源电力滤波器在无功补偿与谐波抑制中的研究［Ｄ］．武 汉：武汉理工大学，２００９． ［４］孙驰，魏光辉，毕增军．基于同步坐标变换的三相不对称系统的无功 与谐波电流的检测［Ｊ］．中国机电工程学报，２００３，１２（２３）：４２—４８． ［５］王兆安，杨君．谐波抑制和无功功率补偿［Ｍ］．北京：机械工业出版 社．２００４． 由图１３可知，当电源无畸变时无论是否畸变都可以准确的 检测出负载谐波的波形图，由图１４可知，当电源对称有畸变时与 对称无畸变时相比负载波形图稍有差异，但是与前两种方法相比 其精确度最高。 ” ｉ ／ 、 ［６］杨晓利，三相四线多重化有源电力滤波器控制的研究［Ｄ］．北京：北 京交通大学，２０１２． 一 【作者简介】常国祥（１９７３一）男，内蒙古人．博士，副教授，硕士研究生导 师，研究方向为电力电子技术及应用，电力传动及其控制等。 【通信简介】马素琦（１９８９一）女，河南新乡人，研究生，研究方向为电力电 图１３ 无畸变对称与不对称时负载波形图 子。 （上接第６３页） 参考文献： ［１］汤广福，罗湘，魏晓光，等．多端直流输电与直流电网技术［Ｊ］．中国电 机工程学报，２０１３，３３（１０）：８—１７． １２ ｌ ＲＡＨＭＡＮ Ｍ Ｉ，Ｊ０ＶＣＩＣ Ｄ，ＡＨＭＥＤ Ｋ Ｈ．Ｒｅａｃｔｉｖｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｐｔｍｉｓａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｄｕａｌ ａｃｔｉｖｅ ｂｒｉｄｇｅ ＤＣ／ＤＣ ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ ｌ Ｃ Ｉ／／ＰｏｗｅｒＴｅｃｈ ［４］李永东，高跃，候轩，等．大容量多电平变换器ＰＷＭ控制技术现状及 进展［Ｊ］．电力电子技术，２００５，３９（５）：２—６． ［５］顾和荣，杨子龙，邬伟扬，等．并网逆变器输出电流滞环跟踪控制技术 研究［Ｊ］．中国电机工程学报，２００６，２６（９）：１０８—１１２． ［６］张杰，罗隆福，ＡＧＧＡＲＷＡＬ Ｒ Ｋ，ｅｔ ａ１．基于多线圈耦合的新型换流 变压器仿真模型设计［Ｊ］．电工技术学报，２０１０，２５（１１）：６８—７９． （ＰＯＷＥＲＴＥＣＨ）．２０１３ ＩＥＥＥ Ｇｒｅｎｏｂｌｅ．ＩＥＥＥ，０１３：１—６．２ 『３］ＨＵＩ ＬＩ，ＦＡＮＧ ＺＨＥＮＧ ＰＥＮＧ，Ｊ Ｓ ＬＡＷＬＥＲ．Ａ ｎａｔｕｒａｌ ＺＶＳ ｍｅｄｉｕｍ— ｐｏｗｅｒ ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ＤＣ—ＤＣ ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ ｗｉｔｈ ｍｉｎｉｍｕｍ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｄｅｖｉｃｅｓ ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００３，３９（２）：５２５—５３５． 【作者简介】郑天奇（１９９０一），女，河南濮阳人，硕士生，上海交通大学电 气工程系，主要从事电机与电器研究。
