大功率直流变压器的仿真研究

王乐+杨用春+陶建业+王泽轩

摘 要：本文基于PSIM搭建了移相式全桥型逆变电路，构建直流变压器的仿真模型。在电路的结构设计上，采用多模块串并联相结合的方式，解决了电力电子器件耐压值低的问题。[1]同时采用开关触发信号移相的方式，减少开关的损耗。并且，避免在换相时上下两开关同时导通而损坏开关。在电路的控制策略上，采用基于PI控制的閉环控制策略。通过改变开关的触发信号的移相角，达到改变输出电压的目的。

关键词：直流变压器、开关移相、闭环控制

1引言：

与交流输电相比，直流输电可以有效减小损耗，并且传送距离更远。而随着微网的快速发展以及直流电网深入研究，直流电压改变以及功率交换的应用情况越来越多，因而需要类似于传统交流变压器的装置去进行直流的功率交换。直流变压器由美国弗吉尼亚电力电子中心Fred C.Lee为首的学者们提出，属于DC-DC变换器中的一种不调压形式，具有快速的动态响应能力、稳定性高等特点，适合用于功率传输等场合。[2]

2.全桥直流变压器原理介绍

全桥直流变压器由高频逆变部分、高频变压器、高频整流部分和控制四个部分构成。其中逆变部分电路由4个开关组构成。

如图，桥臂V1、V4作为一对，桥臂V2、V3作为一对，两对桥臂交替导通，将直流电压Ud逆变成交流电压U1，并加在变压器一次侧，经过高频变压器的变压过程，变压出交流电压U2，最终，经过桥式高频整流电路，将交流电压U2整流成直流电压。

由于变压器的为阻感特性，直流侧需要并联电容起缓冲无功能量，提供无功功率的作用。由于逆变侧电流不能突变，因此在逆变桥各桥臂都并联了反馈二极管，在开关不导通时构成回路。

假设施加于开关管的触发信号为正负半波各为180°的方波，并且VT1、VT3栅极信号互补，VT2和VT4栅极信号互补，VT2的信号比VT1落后 。

在一个周期内，电路共经过四种状态，设在0～t1时刻，VT1和VT4同时导通，输出电压为Ud，t1～t2时刻V4截止，由于i0不能突变，VT3不能立刻导通，所以通过VD3二极管续流。由基尔霍夫电压定律可知输出电压为零。t2～t3时刻，V1截止，V2不能立即导通，VD2和VD3二极管一起构成电流通路，输出电压为-Ud。至负载电流过零并开始反向时，VD2和VD3截止，V2和V3同时导通，输出电压认为-Ud. t3～t4时刻V3截止，V4不能立刻导通，电路通过VD4二极管导通续流。同理，输出电压为零。因此可以通过改变移相角 来调节输出电压。[3]

在控制策略的选取上，我们选用了基于PI调节器与维持阻塞边沿D触发器的闭环控制策略。PI调节器是一种线性调节器，它可根据定值与实际输出值的偏差，通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。

维持阻塞边沿D触发器由CMOS传输门电路构成。当CP施加二倍频率的D的时钟信号时，会对原D的信号产生一定相角的偏移，因此可利用此来设计闭环控制策略，实现对电压的控制。

3.仿真研究

利用PSIM搭建了移相式全桥型DC/DC闭环变换电路，构建直流变换器的仿真模型。在电路的结构上，采用4模块串并联相结合的方式，每级模块参考电压设置为25kv。原理图与仿真结果如图所示：

可见，通过设置参考电压，经闭环负反馈调节，可通过改变不同的移相角θ，来调节输出电压的有效值u0，并最终与参考电压幅值u*一致。输出电压有效值与移相角θ符合下面关系式：

其中：u0输出电压的有效值

θ移相角

u2变压器二次电压有效值

k变压器变比

4.结论

基于多模块串并结合思想和闭环控制策略，本文给出了一种适合高电压直流电输入的直流变压器的拓扑结构，并可以实现以下功能：

（1）通过输入直流电，根据直流变压器的变比，可以改变输入电压的幅值，实现直流电压等级的升高或降低。

（2）引入基于PI控制的闭环控制策略，可以通过设定参考电压，负反馈控制触发脉冲的移相角来调节输出电压幅值，实现与参考电压匹配。

（3）采用多模块串并联相结合的方式，解决电力电子器件耐压值低的问题。提高了输出电压等级。

参考文献：

[1]王子龙，肖岚，赵鹏. 全桥直流变压器/变换器ISOP组合式系统的研究[J]. 中国电机工程学报，2014，（33）：5819-5826.

[2]陈曦. 模块化高压输出直流电源的研究[D].南京航空航天大学，2011.

[3]石新春，王毅，孙丽玲. 电力电子技术[M].第二版.北京.中国电力出版社.2013年：107

作者简介：

王乐， 1995出生，男，河北保定人，华北电力大学，电气工程及其自动化专业学生；

杨用春，1982出生，男，河北保定人，华北电力大学，讲师，主要研究方向为高压直流输电与FACTS技术。