一种混合模块型直流变压器冗余设计及控制策略

张 航 李子欣,2 高范强,2 赵 聪 徐 飞,2

一种混合模块型直流变压器冗余设计及控制策略

张 航1李子欣1,2高范强1,2赵 聪1徐 飞1,2

（1. 中国科学院电工研究所中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室 北京 100190 2. 中国科学院大学 北京 100049）

针对移相-谐振双有源桥（PS-SRDAB）混合型直流变压器（DCT），该文提出一种热备用冗余设计及其控制策略。为提高该类DCT内部谐振双有源桥（SRDAB）单元运行可靠性，将所备用的移相双有源桥（PSDAB）与其并联连接。在正常运行时，SRDAB与备用PSDAB单元同时工作，并通过控制高压侧电容电压实现两类模块内部传输能量配比。若SRDAB出现如过电流、过电压、过温等故障，对其进行闭锁后热备用PSDAB将承担模块全部功率。该文分析采用冗余设计时混合模块化直流变压器（HMDCT）的工作原理及运行特性，建立系统动态小信号模型，同时研究在采用传统电压闭环控制策略时的运行稳定性。利用所搭建的实验原理样机验证了所提出的冗余设计及控制策略的有效性。

直流变压器 冗余设计 热备用 混合移相-谐振双有源桥

0 引言

与传统交流配电变压器类似，直流变压器（Direct Current Transformer, DCT）、集成电力电子变换器及高频变压器，能够实现不同等级直流电压变换及电气隔离，同时整合多类型直流分布式能源与直流负荷[1-3]。

由于应用场合不同，导致直流变压器很难实现均一化设计，促使其电路拓扑呈现多元化发展。多模块输入串联输出并联（Input Series Output Parallel, ISOP）型直流变压器，因功能单元配置相对灵活、扩展能力强及控制相对简单，受到研究人员广泛关注。双有源桥（Dual Active Bridge, DAB）变换器作为该类DCT的基本功率单元，具备高效率、高功率密度及能量双向流动等优点[4-5]。移相DAB（Phase- Shifted Dual Active Bridge, PSDAB）和谐振DAB（Series Resonant Dual Active Bridge, SRDAB）为两种常见的形式，在正常工作时，可实现零电压软开关（Zero Voltage Switching, ZVS）或零电流软开关（Zero Current Switching, ZCS）运行。与PSDAB不同，SRDAB可通过同步开环方式在较宽的负载范围内实现ZCS或ZVS。但是，输出电压不可控制，将随负载功率发生改变。虽然可施加移相闭环策略实现恒压控制，但是这种控制方式下变换器开关频率要高于谐振频率，对控制系统精度提出较高要求。对于PSDAB，通过施加单移相、扩展移相、双重移相或三重移相闭环控制策略可实现电压及功率灵活控制。另外，文献[6]指出，当DAB运行在单位电压传输增益比时，通过单移相控制方式即可实现系统高效率运行。然而，PSDAB内部变换器半导体器件在关断时电流非零，仍存在关断损耗。基于PSDAB和SRDAB的运行特性，文献[7-8]提出一种混合移相-谐振双有源桥（Phase-Shifted Series Resonant Dual Active Bridge, PS-SRDAB）型直流变压器，通过PSDAB实现低压直流母线管理，同时利用SRDAB提高系统运行效率。研究表明混合模块化直流变压器（Hybrid Modular Direct Current Transformer, HMDCT）电能传输效率高于96%。

对于SRDAB，在开环控制模式下系统可控性相对较差，当内部出现故障时系统容错能力远低于其他闭环DC-DC变换器[9]。目前，多集中在内部开关器件发生故障时SRDAB保护策略研究。文献[10-11]提出一种并联功率器件或桥臂冗余设计，当开关器件发生故障时，备用支路投入使用。文献[12-13]提出采用串联熔断器或开关来隔离故障。为了减少额外的硬件保护电路，文献[14]提出了保护开关和两个分流电容器连接在输出侧，以避免高压侧的单管短路故障。但是，保护瞬态过程中将会产生高电流冲击和严重的电压跌落。文献[15]提出了一种新颖的双向DC-DC变换器，当故障发生在低压侧时，变换器内部以一种混合移相及谐振模式进行工作，以限制高频变压器中故障电流。

此外，通过设计冗余功率模块亦可解决器件故障问题。该类冗余设计方式还可以处理其他故障情况，例如，直流端口过电压、内部器件过电流、内部过温等。通常，冗余设计方式包括冷备用和热备用两种方式。与冷备用方式相比，热备用方式可降低故障处理过程中产生的冲击电压和电流，同时系统恢复时间相对较短。在文献[16-17]中，通过将SRDAB并联有源前端（Active Front End, AFE），以实现内部出现故障时对该模块进行旁路，同时备用模块通过AFE接替故障模块运行。

对于文献[7-8]所提出的HMDCT，在高压侧SRDAB与PSDAB进行串联，当SRDAB内部发生故障导致其开关器件进行闭锁时，串联在高压侧母线电容电压将会上升，严重时会引起系统停机运行。为解决该问题，本文提出一种SRDAB并联PSDAB冗余设计方式及控制策略。在系统正常运行时，SRDAB与PSDAB同时投入工作，通过控制模块高压侧电容电压可实现备用PSDAB与SRDAB传输功率配比。当SRDAB发生故障时，通过闭锁内部变换器将其从系统中移除，此时备用PSDAB模块将承担全部功率。另外，本文在分析系统工作原理及运行特性的基础上，建立了采用冗余设计时的系统动态小信号模型，以便于控制器参数设计。最后，通过所搭建的实验原理样机验证了所提出的冗余设计模式及控制策略的有效性。

1 HMDCT的工作原理及运行特性分析

当采用本文所提出的热备用冗余设计策略时， PSDABs和混合模块化DAB（Hybrid Modular Dual Active Bridge, HyMDAB）采用ISOP进行连接，HMDCT及HyMDAB电路拓扑如图1所示，r1_pr为DAB模块流入高频变压器的电流。每个HyMDAB均由SRDAB及所并联的备用PSDAB构成。对于各PSDAB模块，内部集成高、低压侧H桥变换器及高频变压器。PSDAB及SRDAB典型内部波形示意图如图2所示。在移相闭环控制方式下，各变换器输出存在相位差异50%的占空比方波电压1、2，该电压差异1-2作用于高频变压器漏感从而产生电流ri_ps，如图2a所示，s为PSDAB开关频率，D为PSDAB移相比。对于SRDAB模块，内部除集成高、低压侧H桥变换器及高频变压器外，谐振电容串联在高频变压器绕组两端，与变压器漏感形成串联谐振单元。在同步方波控制模式下，各变换器输出同频同相50%占空比方波电压1、2，由于线路存在损耗电阻，则高、低压侧方波电压差1-2作用于串联谐振单元，从而产生同频同相高频正弦电流ri_sr，如图2b所示，r为SRDAB开关频率。

图1 HMDCT及HyMDAB电路拓扑

图2 PSDAB及SRDAB典型内部波形示意图

假设在所提出的HMDCT中有个PSDAB和个HyMDAB，同时为便于分析，假设各类模型内部电路元器件参数均一致。对于各PSDAB，根据文献[18-19]可计算得到在单开关周期内有

式中，IN_ps、o_psi分别为高、低压侧平均电流；TF1为高频变压器电压比；D为各PSDAB中高、低压侧方波电压移相比；s为PSDAB内部变换器开关频率；ri为高频变压器漏感；o为低压直流侧输出电压；Ii_ps为PSDAB模块高压侧电容电压。上述分析同样适合备用PSDAB，因此不再进行赘述。

对于SRDAB，文献[20]建立了单开关周期内等效平均值模型，如图3所示。同时利用复频域分析方法，推导得到了等效模型中各支路电感和支路电阻分别表示为

式中，r_pr、loss分别为SRDAB内部高频变压器漏感及模块内部损耗电阻。图3中，计算可得SRDAB内部高频电流平均值IN_sr为

式中，Ii_sr为SRDAB模块高压侧电容电压；TF2为混合模块化双有源桥中SRDAB模块高频变压器电压比；IN_sr为开关周期内流入SRDAB模块等效平均电流。此时，若低压直流侧电压被控制在恒定值，显然通过控制高压侧电容电压IN_pr即可实现SRDAB所传输功率控制。

图3 单开关周期内SRDAB等效平均值模型

因此根据式（1）～式（3），在考虑高、低压侧模块电容的基础上，此时得到单开关周期内HMDCT等效平均电路模型如图4所示，IN_ps、IN_pr、IN_sr及o_ps、o_pr、o_sr分别为PSDAB模块、SRDAB模块及备用PSDAB模块等效高、低压侧电容，其表达式分别为

式中，IN_psi、IN_pri、IN_sri和o_psi、o_pri、o_sri分别为PSDAB模块、SRDAB模块及备用PSDAB模块高低压侧各模块电容。

图4 HMDCT等效平均电路模型

Fig.4 The equivalent average model of the HMDCT

根据图4所示的等效平均模型，当系统达到稳态运行时，各模块高低压侧电容电压趋于恒定，此时有

式中，IN1为直流变压器高压侧等效平均电流；IN2为开关周期内HyMDAB中PSDAB模块高压侧电流；h为开关周期内HyMDAB中SRDAB模块高压侧电流；o_ps、o_sr、o_pr分别为开关周期内流出PSDAB模块、SRDAB模块及备用PSDAB模块等效平均电流；IN_ps、IN_pr为开关周期内流入PSDAB模块及备用PSDAB模块等效平均电流；TF2为备用PSDAB模块高频变压器电压比；IN为直流变压器高压侧端口电压；Ii_pr为备用PSDAB模块高压侧电容电压。

因此，联合式（1）～式（6），推导可得HMDCT低压直流侧输出电流o及传输功率o分别为

此外，结合表1中所列HMDCT主要仿真参数，包含2台PSDAB模块和1台HyMDAB模块，可绘制HMDCT功率传输曲面，如图5所示，图中，2为备用PSDAB模块内部高、低压侧方波电压移 相比。

表1 HMDCT主要仿真参数

图5 HMDCT功率传输曲面

2 HMDCT动态小信号模型

基于如图4所示的HMDCT动态平均值模型，本节主要阐述所建立的动态小信号模型。根据基尔霍夫定律，有

式中，eq1=eq2=…=eqi=eq；eq1=eq2=…=eqi=eq；电容o_eq为低压直流侧电容o_ps、o_pr和o_sr之和；电压I_ps、I_sr、I_pr为PSDAB模块、SRDAB模块及备用PSDAB模块各高压侧电容电压之和，可表示为

通过在稳态工作点附近对各变量施加小信号扰动，则存在

此外，根据基尔霍夫电压定律，有

将式（15）代入式（13），可得

式中，1、2、3、1、2、1、2、1、2、1、2、1、2、1、2、1、2均为中间变量系数。通过对式（13）～式（17）进行拉普拉斯变换，在复频域中有

式中，各间接支路阻抗eqi（=1, 2,…, 10）为

其中，各中间变量系数为

为验证所建立的HMDCT动态小信号模型的有效性，在Matlab/Simulink中搭建了140kW、DC 2.25kV/DC 750V三单元HMDCT仿真模型，包含两台PSDAB及一台HyMDAB，仿真参数见表1。在小信号扰动下，开关模型和所建立的动态小信号模型输出电压uo及输入电压uI_pr响应比对结果如图6、图7所示。