基于IDC 配电系统的直流变压器拓扑及其控制方法的研究

赵亚雄

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

作为互联网数据中心（Internet Data Center，IDC）配电系统的重要组成部分，直流变压器担负着整个IDC 配电系统安全、稳定、可靠运行的职责。从底层原理角度来说，直流变压器无法采用磁耦合的方式进行两侧电压的变换，因此需采用电力电子技术完成两侧直流电压的变换功能。利用直流-直流变换器的功能作为基础，通过各个功能部件的有机组合，完成直流变压器电压转换和能量的流动[1-5]。

现阶段，直流变压器被广泛应用于实际运营生产过程，对其的研究也成为现行IDC 配电网技术的重要方向。文章将传统逻辑链路控制（Logical Link Control，LLC）谐振变换器与模块化多电平技术相结合，提出一种适用于直流配电网的直流变压器新型拓扑结构和控制策略，使其在直流配电网中稳定运行，保证在负载突变、网压波动的情况下具有良好的调节能力。文章设计了一款10 kV/400 V 的系统，该系统具有较高的实用性和稳定性[6-10]。

1 拓扑结构及特性分析

1.1 拓扑结构

基于LLC 的直流变压器的拓扑结构如图1 所示。为防止原边开关承载过高电压，文章设计的拓扑可有效分担主侧输入高电压，同时可以保证功率密度维持在一定水平，同时实现电磁隔离。本文设计的基于IDC 配电系统的直流变压器为输入串联输出并联（Input Series and Output Paralle，ISOP） 结构，LLC 谐振单元是其基本组成单元，可输出较宽的负载范围，保证主侧开关维持低损耗。目前为止，LLC谐振变换器多使用功率较低的金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET），很少有在LLC 谐振变换器中应用高压绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的技术方案，本文设计的基于IDC 配电系统的直流变压器对电压有较高要求，因此采用IGBT 开关成为本目标拓扑的不二选择。

图1 直流变压器拓扑

1.2 输入输出均压均流特性分析

文章所提的拓扑结构，输入侧有4 个电容串联分摊输入电压，输入网络的电容间需保持均压。输出侧的电流由组成的4 组LLC 谐振单元统一输出，同样需保持输出电流为均流状态。

从理想的电路原理方面考虑，此拓扑可自行完成均压均流的运行状态。文章设计的直流变压器运行时，4 个LLC 谐振单元（4 个基本模块）以相同的电压同时工作。当其中一个模块输入电压降低时，相应副侧的整流二极管会发生反偏，进而使得其他模块承担、传递更多功率，此模块输入电压相应降低。但是，由于总的输入电压不变，相邻模块输入电压的降低使得此模块的输入电压升高，而电压的升高又会使其副侧的整流二极管再次导通，最终达到自动均压的目的。从单独的变换器模块角度考虑，随着输入电压的变化。当S1闭合而S2断开时，如图2 所示，C1、C2分别放、充电，因此C1电压下降、C2电压上升。反之，当S1断开而S2闭合时，C1电压上升、C2电压下降。当电容达到平衡状态后，电容C1电压会被输出电压钳位于Up，最后完成自动均压运行状态。

图2 理想等效电路

在实际运行过程中，变压器自动均压的影响因素有谐振电容、谐振电感和漏感、绕线电阻以及匝数等。

为了方便分析，需要简化拓扑结构。如图3所示，在ISOP 模型中，各模块的输入级电流相等，即Iin1=Iin2=…=Iinn；输出级的输出电压相等，即Uo1=Uo2=…=Uon。如果保证输出级的电流也相等，即Io1=Io2=…=Ion，则每个模块的输出功率相等，即Po1=Po2=…=Pon。假设各模块的效率为ηi，在输入级电流相等的情况下，则Uin1η1=Uin2η2=…=Uinnηn。由此可知：如果无法满足效率相等的条件，无法实现均压效果，则导致效率降低，电压升高。假如Uin1=Uin2=…=Uinn，ISOP 结构各模块输入级输入电流都相等，因此各模块的输入功率相等，即Pin1=Pin2=…=Pinn。因为Pinη=Po，且Po=IoUo、Uo1=Uo2=…=Uon，所以要使得Io1=Io2=…=Ion，须有η1=η2=…=ηn。换句话说，假如每个单元模块的输入级输入电压相等，每个单元的效率相等，那么输出的电流就相等，可以达到均流的效果。

图3 ISOP 简化结构

因此，各个模块输入均压时，输入功率相等，输出电流相等，从而保证输出功率也相等，反过来也可以使得输入电压保持相等。

2 控制策略

本文所提出的直流变压器系统的控制策略如图4所示，为三环策略，电压外环主要负责稳定输出电压，为电流内环提供参考值。系统输出电压经反馈网络后与输出电压的参考值相比较，其差值经PI 调节输出，成为电流内环的参考值之一；输入均压环主要负责直流变压器输入侧各模块输入电压的均压，并为电流内环提供参考电流。每个单元模块的输入电压经采样后与输入电压的参考值相比，其差值经PI 调节后输出，成为电流内环的又一个参考值；电流内环的存在加强了系统的动态调节性能，使系统对系统偏差的反应速度更快，电流内环采集输出电流，与之前输出电压环和输入均压环产生的参考值之和相比，差值进入系统的补偿网络，其输出值作为信号输入到系统脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，PFM）的发生器中，从而产生开关信号，调节系统的工作频率和运行情况。

图4 系统控制策略

3 仿真实验结果

本文通过MATLAB/Simulink 平台对设计系统进行仿真实验，实验参数如表1 所示。

表1 系统仿真实验数据

系统满载转换为轻载时的模拟波形如图5 所示。当系统在0.3 s 时，负荷突变为30%负载，此时输出电压存在细微波动，但又迅速稳定在400 V 输出电压。如图6 所示，系统在0.3 s 处负荷转换为满载状态，此时输出电压在细微波动后再一次稳定在输出为400 V 的电压状态，此现象证明了系统工作的稳定性。

图5 系统满载变轻载

图6 系统轻载变满载

4 结 论

实验结果表明，文章所提的直流变压器拓扑及其控制策略能够很好地应对直流配电网发生的各种突发情况，对负载突变、网压波动等情况具有良好的适应能力及调整能力，从而保证系统在整个直流配电网的稳定运行。