电力电子变压器直流变换器拓扑及冗余切换技术研究

姚 宇，霍 光

(1．华能吉林发电有限公司九台电厂，长春 130501;2．国网吉林供电公司，吉林 吉林 132000)

电力电子变压器以其在电压转换和电能质量变换方面的优良特性［1-2］，特别是电力电子变压器作为一种将电压变换、频率变换、动态无功补偿及电能质量控制等多项功能集于一身的新型智能设备，在分布式发电、直流配电网、智能电网等新技术中均具有广泛的应用和研究前景。

本文提出了一种适用于配电网的电力电子变压器结构，针对其内部的直流-直流(DC-DC)变换器拓扑结构及软开关技术，冗余设计与平滑切换技术等关键技术进行了综合性的研究，并通过理论分析和仿真实验验证了所提出结构及控制策略的有效性和实用性。

1 电力电子变压器主电路拓扑结构研究

目前比较常见的大功率隔离型全桥双向DCDC变换器有以下几种:LC串联谐振变换器;LC并联谐振变换器;LLC谐振变换器;CLLC谐振双向变换器;典型双向变换器(DAB)。根据变换器拓扑结构，上述5种变换器的各项性能对比如下。

a．LC串联谐振变换器。其具有成本低，功率密度高的特点，可实现前桥臂零电压开通(ZVS);增益曲线在谐振点附近较平缓，易于对输出电压的波动进行调节，保证变换器的稳定运行。

b．LC并联谐振型变换器。其成本及功率密度与前者类似，可实现前桥臂ZVS;增益特性方面，在谐振点附近变换器的增益变化随频率的变化较大。

c．LLC谐振型变换器。其功率密度最高，具有恒压输出特性，成本较前两种变换器略高，可实现前桥臂ZVS和后桥臂零电流关断(ZCS);变换器增益曲线在完全谐振点附近较为平缓，但无法实现功率的双向传递。

d．CLLC谐振型变换器。其工作原理与LLC谐振型变换器类似，具备了双向能力提升了变换器整体的灵活性，可以实现软开关工作;高频大功率条件下，变换器对电容器件要求较高，现有元件难以满足需求。

e．DAB变换器。其功率密度较谐振型变换器略低，成本有所减少，具备双向功率传递能力;能满足大功率传递需求，并可通过改变变换器前后桥臂对应开关的角度实现对传递功率的调节。

2 DC-DC变换器软开关工作原理

上述5种DC-DC变换器中LLC、CLLC谐振型变换器，及DAB变换器在成本、功率密度、增益特性及软开关工作能否实现方面均具有较为优良的特性，因此选取LLC谐振型变换器及DAB变换器2种DC-DC变换器进行软开关工作原理进行分析。

2．1 LLC谐振型变换器工作原理及软开关分析

LLC谐振型变换器在一个开关周期内共有8个工作过程，电路见图1。对不同工作过程的分析如下。

图1 LLC谐振型变换器电路图

a．工作过程1。开关寄生电容C1与C4放电，一次电流反向，直到开关S1、S4电压降为0，电流反向减少，此时，谐振电感 Lr与谐振电容 Cr串联谐振。

b．工作过程2。一次电流反向通过S1、S4的反并联二极管，开关 S1、S4电压降为0，实现 ZVS，此时，励磁电感上的电流近似线性增长，Lr仍与Cr串联谐振，二次侧依旧存在感应电流。

c．工作过程3。Lr仍与Cr串联谐振，直到漏感半周期谐振过程完成。此时，一次电流与励磁电感上的电流相等，谐振过程结束，二次侧电流自然归零，实现ZCS。

d．工作过程4。谐振过程结束后进入励磁电感Lm、Lr与Cr谐振过程，一次侧电流与励磁电流相等，无二次侧感应电流，直到S2、S3开通S1、S4断开，二次侧由并联电容供电。

工作过程5、6、7、8则是谐振过程的负半周，其工作过程刚好与前4种模式对应相反。

LLC谐振型变换器是利用谐振电感Lr及谐振电容Cr的配合，在完全谐振状态下，变换器增益为1，即实现恒压输出。变换器在不同条件下的增益曲线簇见图2，其中h表示谐振型变换器中励磁电感与谐振电感之比，M表示变换器增益，k表示开关频率与谐振频率之比。当k=1时，无论电感参数为多少，总能使变换器的增益M=1，即实现恒压输出。随着h值的增大，曲线在完全谐振点附近也更平缓。但为了满足软开关的需求，h值又无法设计得过大，此值取30～40较为合理，在此数值下，励磁电流不会对一次侧电流波形造成太大干扰，也能较好地保证变换器软开关的实现。

图2 LLC谐振变换器增益曲线

结合工作过程和电荷守恒定律，可知谐振变换器的软开关是利用励磁电流在死区时间内对开关器件的寄生电容充电实现的，因此，为满足ZVS操作需满足:

式中:Lm为变压器励磁电感;Tdead为开关死区时间;Cds为开关器件寄生电容;fr为谐振频率。

根据以上分析可知:LLC谐振型变换器具有良好的软开关工作特性，并可实现恒压输出，在保证较高效率的同时降低控制的复杂性，然而其软开关是依靠电容及电感的谐振过程实现的，对电容器件要求较高。

2．2 DAB变换器工作原理及软开关分析

DAB变换器软开关工作时的一次侧简化电路见图3，图中Cdc为直流的稳压电容，UDCin为输入的直流电压，UDCout为输出的直流电压，N为变压器变比，C1、C2、C3、C4为开关寄生电容。

变换器一次侧电流与移相过程结束后达到峰值Ipeak，设此时间为t，对变换器一次侧电流有:

图3 DAB变换器软开关工作一次侧简化电路图

而谐振过程中，一次侧串联电感L上产生的电流为:

式中:ωr为谐振角频率;Z为谐振阻抗值;uC1、uC2、uC3、uC4为 C1、C2、C3、C4的电压。一个谐振周期结束后，uC2=uC3=1/2UDC，uC1=uC4=0，但电感电流 iL方向不会立即变化。这样，前桥臂绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的相应反并联二极管D1和D4开启，实现了S1和S4的软开关操作。整个谐振过程的时间Δt可由下式计算得到:

谐振过程结束后，流过电感L的电流iL为:

为了保证软开关的实现，谐振过程结束时，必须保证:iL＜ 0，uC1=uC4=0。即，满足:

通过以上分析可知，DAB变换器的软开关工作需要保证工作时的额定电流大于Ipeck，即存在最低功率限制，但其工作的实现对谐振电容要求较高。DAB变换器虽无硬件条件限制，但其软开关的实现存在最低功率限制。通过比较可以得出，在低功率应用时宜采用LLC谐振型变换器，而在功率较高时宜采用DAB变换器，以最大限度地提升效率。

通过对LLC及DAB两种变换器的分析可知，LLC谐振型变换器在全负载范围内均可以实现软开关工作模式［3］。

3 冗余设计与平滑切换技术研究

传统的电力电子变压器冗余设计效率较低。现在虽采用热备用设计，相比传统方案有一定的效率提升，冗余子模块可以瞬间投入替代故障子模块，但是依然牺牲直流利用率，降低了系统的效率。

为了解决热备用冗余设计方案存在的问题，本文提出一种优化冗余设计方案(见图4)。这种适用于本拓扑结构的动态冗余运行方案，在不牺牲直流侧利用率的前提下，通过DC-DC耦合预充电方式最大程度的缩短冗余模块的充电时间，以达到冗余模块瞬间投入的目的，提高电力电子变压器(PET)系统的可靠性。且该冗余策略能保证 PET一直处于对称运行，相比其他方案出现不对称运行的情况，产生的谐波环流较小。

图4 优化设计后的冗余方案保护框图

在这种模式下的充电过程中，冗余模块的电压将维持其参考值不变，始终保持热备用状态，随时准备投切，但不参与功率交换。在故障发生瞬间，由于冗余模块已经通过DC-DC耦合预充电，达到参考值，可以瞬间完成投切，不会产生电压冲击且不影响后端直流侧电压的稳定性。通过PSCAD软件对所提出的优化冗余设计方案进行仿真(见图5)。在本冗余设计及平滑切换策略下，PET本体模块发生故障并不会影响PET的三相平衡，也不会产生电压冲击、过流，能够维持系统的正常稳定运行，有效地提高了PET的运行可靠性。

图5 故障时冗余设计方案动作仿真图

4 结论

本文通过对电力电子变压器隔离级DC-DC变换器的拓扑对比分析，比较了几种不同变换器模块的各项特性，并选取其中性能较为优异的LLC谐振变换器和DAB型变换器进行了工作过程及软开关工作分析。提出了一种优化后的电力电子变压器冗余设计及平滑切换技术方案，并通过仿真实验验证了所提出结构的可行性和优越性。