单-双极运行方式转换直流电力电子变压器的启动策略研究

吴思文， 朱 淼， 张建文， 蔡 旭

(上海交通大学电子信息与电气工程学院， 上海 200240)

单-双极运行方式转换直流电力电子变压器的启动策略研究

吴思文， 朱 淼， 张建文， 蔡 旭

(上海交通大学电子信息与电气工程学院， 上海 200240)

直流电网技术的各类场景，均存在实现各类功能的直流型电力电子变压器。分布式/集中式的新能源电站自身的单极性直流输出，与外部连接的双极性电网之间，需要一种专用的单-双极运行方式转换直流电力电子变压器，用以匹配两者运行方式的差异。本文基于双向有源全桥电路，给出一种应用于该场景下的具体实现方案。在分析其电路拓扑、工作原理、控制策略基础上，设计出一套功率30kW，输入150V转换为±150V的单-双极运行方式转换直流电力电子变压器。针对不同的工况下外部条件不同以及控制目标差异，对变压器启动过程进行研究，并设计相应的启动控制策略。仿真与实验结果均证明了理论分析的正确性和有效性。

新能源电站； 单-双极运行方式转换； 双向有源全桥； 启动

1 引言

人类对能源需求不断增加，化石能源终将枯竭，必须探索开发新的能源来源。太阳能、风能等存在于世界的各个角落，其取之不尽用之不竭、清洁、环保的优点，使其成为开发利用的重点[1]。随着智能电网技术的快速发展，支撑新能源发电并网的电力电子变压器概念，日益得到学术界与工业界的重视。传统交流变压器只能实现变压、隔离、能量传递等基本功能，其可控性、兼容性、自愈性等无法满足智能电网中分布式发电接入、灵活性能量管控的需求，更无法满足直流电网中不同电压等级之间、不同运行方式之间的互联要求。在这一研究背景下，考虑将电气隔离、电压变换、无功补偿、新能源接入等功能集于一身的电力电子变压器(Power Electronic Transformer, PET)成为对传统变压器及电力电子设备进行集成优化、提高电网设备智能化水平的重要设备[2,3]。

新能源场站直流型单极性输出与外部直流电网的双极性运行方式有差异，其连接需要接口匹配装置。该装置为一种典型的电力电子变压器，根据其电压转换的性能要求，本文具体称之为“单-双极运行方式转换直流电力电子变压器(Monopolar-to-Bipolar DC-type Power Electronic Transformer， M2B DC-PET)”，其典型应用场景如图1所示。当该种M2B DC-PET的单极性侧接储能装置如蓄电池时，整个装置需具备能量双向流动功能。当其单极性侧接直流型风电场情景下，考虑到风电场黑启动工况[4-6]，整个装置同样需要具备能量双向传输的功能[7,8]。而其单极性侧接光伏场站时，装置则无须具备能量双向传输功能。如考虑到外部直流电网发生单极故障时，新能源电站、电力电子变压器、外部电网三者之间需要继续维持50%功率传输能力，则M2B DC-PET需要具备“单极启动和单极运行”的能力。同时，当故障一极问题排除后，其应具备“在线单极投入”能力[9]。

图1 单-双极运行方式转换直流电力电子变压器(M2B DC-PET)应用场景Fig.1 Application scenario of monopolar-to-bipolar DC-type power electronic transformer (M2B DC-PET)

基于以上考虑，双有源全桥变换器(Dual Active Bridge，DAB)可作为发展M2B DC-PET的一种基本电路单元。文献[10]中展示了多种DAB串并联结构。当采用两个DAB输入并联输出串联结构时，从串联侧引出一根中心线，即可实现单极性直流转换双极性直流的目的。同时采用DAB电路的变换器具备能量双向流动和电气隔离功能，适合应用于新能源场站中[11,12]。文献[13]介绍了一种适用于DAB变换器预充电的方法。该方法将输出侧H桥开关闭锁，相当于不控整流，调节输入侧H桥开关状态，从而达到防止电流过冲，实现给另一侧电容充电的目的，简称为窄脉冲充电方法。

本文聚焦于图2所示的基于双DAB结构的M2B DC-PET的具体实现方案，结合窄脉冲充电和传统投切预充电电阻两种方法，设计具体的启动控制策略，以实现不同工况下变换器安全启动，有效抑制充电电流，同时延长电容使用寿命。本文相关工作有助于丰富学术界与工程界对于该类特殊的直流型电力电子变压器的理论与实践认知，有助于提出具有自主知识产权并适合工程应用的高压大容量电力电子变压器拓扑，突破紧凑型主电路拓扑、高性能控制保护等方面的关键技术。

图2 双DAB结构的M2B DC-PET拓扑Fig.2 M2B DC-PET topology based on double DAB

2 电路与启动设计

图2所示双DAB结构方案由两个功率回路组成，包括正极回路和负极回路。应用于新能源场站中，能量可以同时流过正负极回路，也可以单独从正极回路或者负极回路传输。正负极回路传输的功率值可以结合工程需求，控制其平衡或者不平衡。其主要电路参数如表1所示。

表1 电路设计参数Tab.1 Parameters of M2B DC-PET circuit

2.1 控制器设计

本文设计的M2B DC-PET采用双DAB结构，两个DAB均采用单移相控制，DAB调制时序如图3所示。其中Gs1,4是图2中DAB的原边开关管1和4的控制信号，Gs2，3、Gm1，4、Gm2，3同Gs1,4类似，Vr1和Vr2为图2中桥臂交流电压，VL和iL分别为图2中辅助电感两端电压和流过电感电流。开关管均以0.5占空比方波脉冲触发导通，两个全桥内对角开关管同时导通，同一桥臂的上下开关管互补导通。两全桥之间的方波脉冲有一移相角，因此在变压器和漏感两端就会产生具有相位差的方波电压。DAB单元传输功率表达式可表示为：

(1)

式中，φ为桥臂之间移相角；fs为开关频率；n为变压器变比；Ls为串联辅助电感和高频变压器的漏感之和。

分析式(1)可以得出，当φ=±π/2时传输功率最大，所以设计中限定传输角度为-π/2～π/2。改变φ的值就可以改变传输能量的值[14,15]。图4为单双极转换变换器的控制器框图。控制器设计采用分层控制思路[16]，由两个控制环路组成，每个控制环路又包括电压、电流闭环控制器[17,18]。

图3 双DAB结构的移相控制时序图Fig.3 Phase shift control strategy of dual-DAB structure

图4 M2B DC-PET控制策略Fig.4 Control strategy of M2B DC-PET

2.2 启动设计

M2B DC-PET有两种基本工作模式，即电压控制模式和电流控制模式。这两种工作模式下的启动控制策略不同。

2.2.1 电压控制模式下启动方式

电压控制模式下可根据变压器外部端口电压条件及控制对象不同，选择控制单极侧电压或者控制双极侧电压。这两种具体的电压控制模式下，变压器端口直流电容充电时序会有所不同。图5为变换器简化电路(含断路器、主回路接触器和充电电阻)，其中Q1～Q3为直流断路器(正常工作状态时处于闭合状态)，SW1～SW4为主回路接触器，T1～T4为充电电阻接触器。

图5 简化电路Fig.5 Simplified circuit

(1)双极侧电压控制模式下启动

启动时序如图6(a)所示。首先依次投入T1和T2预充电电阻给单极侧端口电容充电(即图5中UC1和UC2)，其电容电压平缓上升，等待0.8s后(此时电容电压上升到恒定值)，投入主回路接触器SW1、SW2，然后切除T1和T2断开充电回路。此时单极侧电容电压已建立起来，控制器发送窄脉冲建立双极侧电容电压(即图5中UC3和UC4)，其电容电压平缓上升，充电电流保持在合理值。当双极侧电容电压上升到设定阈值后，投入主回路接触器SW3、SW4，然后控制器进入双极侧电压闭环控制。

(2)单极侧电压控制模式下启动

启动时序如图6(b)所示。首先依次投入T3和T4预充电电阻给双极侧端口电容充电，其电容电压平缓上升，等待0.8s后(此时UC3和UC4电容电压上升到恒定值)，投入主回路接触器SW3、SW4，然后切除T3和T4断开充电回路。此时双极侧电容电压已建立起来，控制器发送窄脉冲建立单极侧电容电压，其电容电压平缓上升，充电电流保持在合理值。当单极侧电容电压上升到设定阈值后，投入主回路接触器SW1、SW2。然后控制器进入单极侧电压闭环控制。

2.2.2 电流控制模式下启动

启动时序如图6(c)所示，变压器两端口外部均有电压，首先依次投入T1～T4预充电电阻给四个电容充电，等待0.8s后(此时电容电压上升到恒定值)，再投入主回路接触器SW1～SW4，然后切除T1～T4断开充电回路。当单极侧和双极侧端口电容电压均稳定后，控制器进入电流闭环控制。

图6 启动时序Fig.6 Startup sequence

窄脉冲是指开启一侧H桥的IGBT控制信号而封锁另一侧H桥的IGBT控制信号，被封锁的一侧H桥通过IGBT反并联二极管实现全桥整流。单双极转换变换器的单极电压启动等效电路如图7所示，变换器有电压的一侧H桥下发IGBT的PWM控制信号，封锁没有电压一侧H桥的IGBT控制信号。窄脉冲波形如图8所示，其中S1～S4为图7中开关管控制信号，同一桥臂上下开关管互补导通，对角开关管之间有一相位差，其等效控制信号如图8所示。

图7 电压启动等效电路Fig.7 Equivalent of start circuit

图8 充电窄脉冲序列Fig.8 Pulse sequence of charging

图9为本文设计的M2B DC-PET样机实物。样机试制采用分布式与模块化设计，逻辑架构清晰。

图9 M2B DC-PET样机的硬件实现Fig.9 Hardware implementation of M2B DC-PET prototype

3 仿真与实验验证

为验证第2节的理论设计，本文分别开展了仿真与实验验证，结果与分析讨论如下。

3.1 仿真验证

在MATLAB中搭建M2B DC-PET详细模型，验证系统设计的有效性。图10为双极侧电压控制模式下，变压器启动的端口电压波形。其中UC1～UC4为图5中变压器端口电容电压。为了便于观察，仿真中单极侧端口充电电阻选取有一差值。阶段一为电阻充电过程，阶段二为窄脉冲充电过程，阶段三为电压闭环控制。从图10中可以看出，单极侧端口电容电压平缓建立。当UC1和UC2上升到阈值后，投入主回路接触器，断开充电接触器，然后控制器发送窄脉冲信号建立双极侧端口电容电压UC3和UC4，其电容电压平缓上升，当上升到设定阈值后，投入双极侧电压闭环控制。

图10 双极侧电压控制模式的启动仿真Fig.10 Simulation under the bipolar-side voltage control mode

其他控制模式下，启动过程仿真结果类似，故不再给出。

3.2 实验验证

为验证各类启动控制模式，实际测试环境中，用两台可编程直流电源分别接M2B DC-PET装置的单极侧和双极侧，具体实验结果如图11所示。

(1)单极侧电压控制模式下的双极同时启动

如图11(a)所示，双极性侧电容电压(即图5中UC3和UC4)通过充电电阻平缓建立。当双极侧电容电压稳定后，控制器发送窄脉冲建立单极侧电容电压(即图5中UC1和UC2)，待其电压上升到设定的阈值后投入单极端口电压闭环控制，单极侧电压稳定在设定值150V。随后改变输入变换器的总电流(即图2中iinput)，先从零增加到50A，然后由50A增加到100A，从图11(a)可以看出，单极侧端口电压稳定在设定值150V。

图11 实验波形Fig.11 Experiment waveforms

(2)双极侧电压控制模式下的双极同时启动

如图11(b)所示，单极侧电容电压(即图5中UC1和UC2)，通过充电电阻平缓建立。当单极侧电容电压稳定后，控制器发送窄脉冲建立双极侧电容电压(即图5中UC3和UC4)，待其电压上升到设定的阈值后投入双极端口电压闭环控制，双极侧电压稳定在设定值±150V。

(3)单极侧电压控制模式下的单极依次启动

如图11(c)所示，首先启动变换器正极回路，单极性侧正极电容电压(即图5中UC1)通过充电电阻平缓建立。当UC1稳定后，正极控制器发送窄脉冲建立双极侧正极电容电压(即图5中UC3)，待UC3上升到设定的阈值后投入电压闭环控制，UC3稳定在设定值150V。正极回路启动后，按同样的过程启动负极回路，负极启动实验波形如图11(c)中的UC2和UC4所示。

(4)电流控制模式下的双极同时启动

如图11(d)所示，单极侧和双极侧电容电压(即图5中UC1～UC4)，通过充电电阻平缓建立(由于示波器通道限制直流四个通道，所以实验中只采样了UC3和UC4)。当UC1～UC4稳定后，控制器投入电流闭环控制，电流i3和i4以设定的斜率上升到指令值50A。

(5)电流控制模式下的单极依次启动

如图11(e)所示，首先启动变换器正极回路，正极回路电容电压(即图5中UC1和UC3)，通过充电电阻平缓建立。当UC1和UC3稳定后，正极控制器投入电流闭环控制，正极电流i3以设定的斜率上升到指令值50A。正极回路启动后，按同样的过程启动负极回路，负极启动实验波形如图11(e)中的UC4和i4所示。

(6)功率双向传输验证

变压器单极侧和双极侧电容电压(即图5中UC1～UC4)均通过充电电阻建立后，控制器投入电流控制。增大电流上升斜率，首先控制电流由零变化到30A,然后再由零变化到-30A。如图11(f)所示，外部电压极性保持不变的情况下，传输电流改变方向，从而验证了变换器能量双向流动功能。

(7)DAB移相角度测试

图11(g)为DAB单元的桥臂内交流电压、电感两端电压和流过电感电流波形(即图2中Vr1、Vr2、漏感两端电压和iL)。图11(g)验证了所设计的DAB单元的单移相控制策略的有效性。

4 结论

本文给出了一种基于双DAB并入串出结构的单-双极运行方式转换直流电力电子变压器解决方案。该直流变压器接口的控制架构和硬件实现均体现分布式和模块化设计理念。结合应用中不同的工作模式和外部工况，本文给出一种结合预充电电阻与窄脉冲控制技术结合的启动控制策略，可以平缓建立电容电压，实现变换器启动，有效抑制充电电流，延长了电容使用寿命，安全性高，可靠性好。仿真与实验结果均验证了本设计的正确性和有效性。

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Startup strategy of monopolar-to-bipolar DC-type power electronic transformer

WU Si-wen， ZHU Miao， ZHANG Jian-wen， CAI Xu

(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

In the DC network, different DC-type power electronics transformers are required for different functions. The centralized/distributed renewable energy generation station is usually with monopolar configuration, which leads to the mismatch with the outside DC grid with the bipolar configuration. Therefore, a particular monopolar-to-bipolar DC-type power electronic transformer, M2B DC-PET, is needed to serve as interface between renewable energy generation station and DC grid. A detailed implementation scheme has been given in this paper, of which the rated transmission power is 30kW and rated voltage is 150V transformed into ±150V. On the basis of theoretical analysis, corresponding startup strategies is designed according to the different scenarios. Both simulation and experimental results validated both the correctness and effectiveness of the theoretical analysis and discussion results on the proposed M2B DC-PET.

renewable energy generation station; monopolar-to-bipolar; DAB; startup

2017-01-03

国家自然科学基金项目(51477102)、 上海市软科学研究计划项目(16692107400)

吴思文(1991-)， 男， 江苏籍， 硕士研究生， 主要研究方向为DC-DC变换器、 直流配网； 朱 淼(1979-)， 男， 江苏籍， 研究员， 博导， 博士， 主要研究方向为新能源发电与并网技术、 直流电力与直流电网技术。

TM46

A

1003-3076(2017)05-0059-08