应用于新型微网FREEDM的固态变压器研究

刘金辉 张明锐 金 鑫

（同济大学电子与信息工程学院，上海 201804）

0 引言

为了充分开发利用太阳能、风能、生物能等新能源，在用户附近实施分布式发电是保障能源安全、减少环境污染的重要途径。FREEDM正是为实现这一目标而提出的。FREEDM（Future Renewable Electric Energy Delivery and Management）是未来可再生电能传输和管理网络的简称，是由美国北卡州立大学提出的新型智能微型电网模型，目前正在兴建试验性电网。它由美国国家科学基金会于2008年起开始资助，每年仅官方资助经费即高达1800万美元，此外还联合了其它若干著名大学和跨国企业[1]。

FREEDM做为一个革命性的绿色电力网络，它基于高带宽数字通信、分布式控制和电力电子器件。在系统中，很多传统的机械电磁式设备都将由新型电力电子设备所代替。其中，传统电力变压器将由新型的固态变压器（Solid State Transformer，简称SST）代替。SST通过电力电子变换技术实现电力系统中的电压变换和能量传递。与传统变压器相比，它具有体积小、重量轻、空载损耗小、不需要绝缘油等优点[2]，不仅有变换电压、传递能量的作用，而且兼具限制故障电流、无功功率补偿、改善电能质量以及为各种设备提供标准化接口等多种功能。由于电能在SST中可以双向流动，因此FREEDM中电能的流动是多向的，它是一个能源的因特网，每个电力用户不仅是能源的消费者，也是能源的供应者。用户可以根据自身的需求将分布式电源产生的多余电能卖回给电力公司[3]。SST是实现FREEDM能源因特网的核心设备。目前国际上对于FREEDM和SST的研究尚处于初级阶段;本文率先将FREEDM的先进理念引入国内，并对其核心设备SST进行研究。

1 固态变压器的基本原理

固态变压器是一种将电力电子变换技术和基于电磁感应原理的高频电能变换技术相结合，实现将一种电力特征的电能转变为另一种电力特征的电能的静止电气设备，又称电力电子变压器。所谓电力特征，包括电压（或电流）的幅值、相位、频率和波形等[4]。SST的基本原理为在原方将工频信号通过电力电子电路转化为高频信号，即升频，然后通过中间高频隔离变压器耦合到副方，再还原成工频信号，即降频;并通过采用适当的控制策略来控制电力电子装置的工作，从而将一种频率、电压、波形的电能变换为另一种频率、电压、波形的电能[5]。在结构上，SST包含两个基本部分:电力电子变换器和高频变压器，如图1所示。

由于SST内中间隔离高频变压器的体积取决于铁芯材质的饱和磁通密度以及铁芯和绕组的最大允许温升，而饱和磁通密度与工作频率成反比，这样提高其工作频率就可提高铁芯的利用率，从而大幅减小变压器的体积并提高其整体效率。例如:传统的2.7MVA变压器重量超过6吨，并使用了大量的铜;而同样容量的SST重量只有原来的三分之一左右，耗铜很少[6]。

图1 SST原理图

2 固态变压器的拓扑结构

根据电力电子变换器中是否存在直流单元，SST的拓扑结构分为两大类:一种是在电力电子变换器中不存在直流单元，称为直接交交型SST;另一种是在电力电子变换器中包含直流单元，称为交直交型SST。本文主要研究交直交型SST。

图2所示为美国北卡大学研究人员采用ABB公司提供的6.5kV IGBT开发的应用于FREEDM的第一代单相SST拓扑结构。它采用典型的交直交结构，其拓扑结构包含三个单元:第一部分是AC/DC整流单元，用于将7.2kV、60HZ高压工频交流电转换为11.4kV高压直流电;第二部分是高频（5kHZ～10kHZ）DC－DC直流变换单元，它由高压H桥、高频变压器和低压H桥组成，将11.4kV高压直流电转换为400V低压直流电，并可通过应用软开关技术以增加开关频率;第三部分是一个DC/AC逆变单元，将400V低压直流电转换为±120V、60HZ低压工频交流电（参数为美国标准）。除去器件损耗、高频变压器损耗和输出滤波器损耗，第一代SST的预期效率约为92%[8]。为与传统变压器竞争，效率必须提高到至少97%。三相交直交SST的结构与单相类似，不同之处在于其输入整流部分采用三相整流器，输出逆变部分采用三相逆变器。

图2 第一代单相SST拓扑结构

3 固态变压器的控制策略

在FREEDM中，通过采用合适的控制策略，SST需要实现以下控制目标:（1）维持输入电流正弦且与输入电压保持同步，以期获得单位输入功率因数，实现无功功率补偿;（2）维持输入整流单元直流侧电压恒定;（3）维持逆变器输出电压幅值恒定，能有效抵抗电网电压波动和负载扰动;（4）维持输出电压三相正弦且对称。SST的电力电子部分主要为三相变流器，因此可以采用PWM控制。按其拓扑结构分为输入整流单元、中间DC－DC变换单元、输出逆变单元三部分加以讨论。单相SST的控制策略与此类似，不同之处在于进行单相DQ电流解耦控制时需要引入相应的虚拟电量。

3.1 输入整流单元的控制策略

三相SST的输入单元是一个电压型PWM整流器，建立在dq旋转坐标系下的简化数学模型，则对于三相交流对称系统，稳态时dq模型的d、q分量均为直流变量;按照瞬时无功功率理论，d轴表示有功分量，q轴表示无功分量，有利于实现FREEDM电网侧输入功率因数的控制。PWM整流器通常采用电压、电流双闭环控制策略，电压外环的作用主要是控制输出直流电压，保证直流电压的恒定;电流内环的作用主要是按照电压外环输出的电流指令进行电流控制，只需要令q轴电流参考量=0，即可实现单位输入功率因数。

根据文献[9]，dq旋转坐标系下的整流器数学模型可以表示为:

式中p为微分算子;ud、uq为电网输入电压的d、q分量;urd、urq为整流器交流侧输入电压的d、q分量;id、iq为整流器交流侧输入电流的d、q分量。由式（1）可以看出，输入电流d轴分量和q轴分量之间存在耦合，因此考虑引入无静差PI调节器解耦输入电流，且把电网电压作为前馈补偿来提高系统动态性能，于是得到整流单元d、q解耦控制框图如图3所示。

图3 SST输入PWM整流单元控制图

3.2 中间DC-DC变换单元的控制策略

中间DC－DC变换单元由单相全桥逆变电路、高频变压器和单相桥式全控整流电路组成。由SST整流单元输出的直流电首先通过逆变器调制成高频方波，再通过高频变压器耦合到副方，最后通过一个由同步信号控制的整流器还原成低压直流。其中的逆变器和整流器均采用PWM控制，驱动信号是占空比为50%的互补触发脉冲。高频变压器主要起到电气隔离和电压等级变换的作用。DC－DC单元在结构上完全对称，从而允许电能双向传输。此外，增加软开关电路可以实现零电压开通和关断，提高工作频率，减少开关损耗。

式中P0为DC－DC单元传输的有功功率，Vdc为高压侧输入直流电压，fH为开关频率，L为漏感，Vdc_link为低压侧输出直流电压，ddc为原副方调制信号的移相角差。由式（2）可以看出，通过控制移相角差ddc，即可控制低压侧输出直流电压Vdc_link，引入PI调节器，其控制框图如图4所示。

图4 SST中间DC-DC变换单元控制图

3.3 输出逆变单元的控制策略

三相SST的输出单元由三相半桥逆变器和输出LC滤波器组成，其控制目标为输出恒定幅值的三相工频正弦交流电。由于三相之间没有耦合关系，因此可以应用单相逆变器的控制方法。本文采用电压瞬时值控制;为了保证输出波形的有效值精度，在瞬时值内环外面再加一个平均值环对输出波形的幅值进行调整[11]。这样，内环通过瞬时值控制获得快速的动态性能，保证输出畸变率较低，外环通过输出电压的平均值控制，具有较高的输出精度。其控制框图如图5所示。

图5 SST输出逆变单元控制图

图中输出电压V0经整流滤波后得到直流量与给定参考信号的有效值进行比较，得到的误差信号经外环PI调节器后的输出作为内环参考正弦波的幅值，这个幅值与单位正弦波相乘后作为内环给定信号。内环给定信号与输出电压瞬时值比较，得到的误差信号经内环PI调节器运算，得到PWM控制信号。

4 仿真试验与波形

按照我国电力系统的电压等级，FREEDM电网的额定线电压应为10kV（美国为7.2kV），本文搭建了一个相应的三相交直交SST模型，并在Simulink环境下进行了仿真。该SST电网侧的输入为线电压UL=10kV、f=50HZ的三相正弦交流电，负载侧的输出为线电压380V的三相工频正弦交流电。其它主要参数为:SST输入整流单元的等值电阻R=0.5Ω，电感L=10mH，电流内环PI调节器的比例增益Kip=42，积分增益Kii=20830，电压外环PI调节器的比例增益Kup=235，积分增益Kui=2000，PWM开关频率fs=10kHZ，直流侧电容C=4700μF，直流输出电压Vdc=18000V;中间DC－DC变换单元高频变压器的原边电压为18000V，副边电压为700V，工作频率为5kHZ，移相角PI调节器的比例增益Kdp=0.5×10－6，积分增益Kdi=0.2 ×10－3;SST 输出逆变单元的滤波电感L=9μH，滤波电容C=312μF，电压平均值外环的比例增益Kwp=0.1006，积分增益Kwi=63.2，电压瞬时值内环的比例增益Knp=2.855 ×10－4，积分增益Kni=5.383，整个 SST 的容量为3.6MW。得到有关仿真波形如下:

由图6、图7可以看出，在经过短暂的过渡过程之后，SST输入交流电压电流波形基本保持同相，FREEDM电网侧输入功率因数恒定为1。由图8可以看出，SST输入整流单元的输出直流电压在经过约0.8秒调整后稳定在18000V。由图9可以看出，SST的输出交流电压在经过约0.6秒调整后保持为三相对称正弦交流波形，相电压有效值约为220V。将SST所接负载由3.6MW切换为1.8MW时，仿真所得波形基本保持不变，可见SST对负载扰动具有良好的抗干扰性。通过仿真结果的分析可见，本文所设计的SST基本实现了FREEDM所要求的控制目标。

5 总结与展望

综上所述，本文对应用于新型智能微网FREEDM的SST进行了研究，探讨了其工作原理、拓扑结构和控制策略，并设计了一个适合我国电力系统电压等级的SST模型，通过仿真验证了该设计方案的有效性，为开发中国化的FREEDM电网打下了基础。由于我国常用配电电压等级高达10 kV，而现在商用IGBT模块的最高电压等级一般在6.5 kV左右，因此必须采用串联分压和并联分流来弥补功率器件的不足。目前国际国内对SST的研发仍停留在理论研究阶段，尚没有实用化的产品，主要原因是由于硅材料元器件开关频率的限制、耐压水平不足和通态损耗过高等，最有潜力的方案是研究利用高能隙带的SiC、GaN等新材料制造新一代的电力电子器件[12]。相对Si来说，SiC的击穿电压高10倍，散热性更好，

图6 SST输入电压电流a相波形

图7 SST电网侧输入功率因数波形

图8 SST整流单元输出电压波形

图9 SST交流输出电压波形

有望将SST的效率提高到接近100%。FREEDM及其核心设备SST的研究为我国智能电网建设和新能源开发利用提供了一个全新的思路，具有重要的现实应用价值。

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