T型三電平DC-DC變換器PWM脈沖調(diào)制方式

張 亮 水恒華 安薇薇 陳國(guó)棟奚玲玲吉小鵬

（1.南京工程學(xué)院江蘇配電網(wǎng)智能技術(shù)與裝備協(xié)同創(chuàng)新中心 南京 211167 2.清華大學(xué)人工智能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100083 3.上海電氣輸配電集團(tuán)技術(shù)中心 上海 200042 4.南京四方億能電力自動(dòng)化有限公司 南京 211100）

1 引言

大量分布式可再生能源的接入，推動(dòng)了直流網(wǎng)以及交直流混合配電技術(shù)的發(fā)展，大功率高效型DC-DC變換器作為電能傳輸與匯聚的關(guān)鍵部件，獲得了較為廣泛的關(guān)注[1-4]。目前，DC-DC變換器主要分為兩大類：①非隔離型DC-DC變換器，如Buck、Boost等電路；②隔離型DC-DC變換器，如雙邊有源全橋電路（Dual Active Bridge，DAB）[5]、單邊有源全橋變換器（Sigle Active Bridge，SAB）[6]、串聯(lián)諧振變換器（LC）[7]、串并聯(lián)諧振變換器（LLC）[8]、以及二極管鉗位型（Neutral Point Clamped，NPC）三電平DC-DC變換器[9]。隔離型DC-DC變換器相比于非隔離型 DC-DC變換器，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中加入了一個(gè)中頻變壓器，具有以下優(yōu)勢(shì)：它能夠?qū)崿F(xiàn)配電電壓級(jí)的電氣隔離，使得系統(tǒng)具有更高的可靠性；同時(shí)，若整流逆變側(cè)均采用全控型開(kāi)關(guān)器件，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，從而適用于能量?jī)?chǔ)能環(huán)節(jié)。此外，隔離型 DC-DC變換器更適用于高壓大容量的場(chǎng)合，它能夠有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，對(duì)海上直流網(wǎng)、陸上分布式能源的匯聚具有重要的作用。

目前，隔離型 DC-DC變換器電路拓?fù)渲饕詢呻娖綖橹鱗10]，即 SAB、DAB、LC、LLC結(jié)構(gòu)，三電平結(jié)構(gòu)研究的相對(duì)較少，且以NPC結(jié)構(gòu)為主。兩電平結(jié)構(gòu)中，由于逆變側(cè)輸出電平數(shù)少，電壓波形畸變嚴(yán)重，會(huì)注入大量諧波到中頻變壓器，增加損耗，甚至引起飽和。NPC型三電平結(jié)構(gòu)中開(kāi)關(guān)器件數(shù)量增加，且存在中點(diǎn)電壓平衡問(wèn)題需要解決。本文提出一種基于T型三電平（Three-Level T-Type Converter，3LT2C）結(jié)構(gòu)[11]的新型DC-DC變換器，它減少了每一橋臂的開(kāi)關(guān)器件數(shù)量，降低了功率損耗，因而更加緊湊高效。論文研究了 T型三電平DC-DC變換器的主電路結(jié)構(gòu)與工作原理，在詳細(xì)分析開(kāi)關(guān)狀態(tài)的基礎(chǔ)上，提出一種脈沖平衡控制策略，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)周期內(nèi)的中點(diǎn)電壓自平衡，從而達(dá)到系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)定控制。

2 T型三電平 DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

圖1所示為單相全橋T型三電平DC-DC變換器主電路拓?fù)洹?/p>

圖1 T型三電平DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of T-type three level DC-DC converter

其每一橋臂中由四個(gè)全控型功率開(kāi)關(guān)器件組成，呈 T字形結(jié)構(gòu)，VT2、VT3（VT6、VT7）組成雙向開(kāi)關(guān)，VT1（VT5）是高壓開(kāi)關(guān)，VT4（VT8）是低壓開(kāi)關(guān)，C1、C2是直流中點(diǎn)鉗位電容。Vdc是變換器低壓側(cè)輸入的直流電壓，Vout是變換器高壓側(cè)輸出的直流電壓，Vl是中頻變壓器低壓側(cè)交流電壓，Vh是中頻變壓器高壓側(cè)輸出電壓，C3是直流側(cè)輸出電容。

對(duì)于每相T型橋臂當(dāng)開(kāi)關(guān)VT1、VT2（VT5、VT6）開(kāi)通時(shí)，橋臂輸出電壓為 Vdc/2；當(dāng)開(kāi)關(guān) VT2、VT3（VT5、VT7）開(kāi)通時(shí)，橋臂輸出電壓為零；當(dāng)開(kāi)關(guān)VT3、VT4（VT7、VT8）開(kāi)通時(shí)，橋臂輸出電壓為-Vdc/2。因此，每一橋臂可輸出Vdc/2、0、-Vdc/2三種電平，而對(duì)于單相全橋結(jié)構(gòu)，其a、b兩點(diǎn)間輸出電壓可有五種電平，即 Vdc、Vdc/2、0、-Vdc/2、-Vdc。逆變側(cè)輸出交流電壓Vl通過(guò)變比為1:n的中頻變壓器升壓，變壓器二次輸出電壓經(jīng)不可控整流橋整流后輸出，從而實(shí)現(xiàn)低壓直流到高壓直流的高效變換。

3 T型三電平DC-DC變換器PWM調(diào)制方式

T型三電平 DC-DC全橋變換器的八個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，其驅(qū)動(dòng)脈沖兩兩互補(bǔ)，即VT1和VT3脈沖互補(bǔ)，VT2和 VT4脈沖互補(bǔ)，VT5和 VT7脈沖互補(bǔ)，VT6和VT8脈沖互補(bǔ)。表1給出了單相T型三電平變換器的九組工作脈沖矢量，不難發(fā)現(xiàn)影響直流電壓平衡的中間電平Vdc/2和-Vdc/2，各有兩種矢量能夠?qū)崿F(xiàn)，即矢量2和矢量6、矢量4和矢量8，但矢量組合方式的不同對(duì)直流電壓的影響不同。矢量2和矢量6互為冗余矢量，矢量4和矢量8互為冗余矢量，因此，對(duì)于采用固定占空比調(diào)制的中頻輸出系統(tǒng)，為了保證變換器輸出電壓波形畸變率更小，在一個(gè)周期內(nèi)中間電平的矢量在相位上共有四種組合方式，即矢量2和矢量8相差180°、矢量2和矢量6相差180°、矢量6和矢量8相差180°、矢量2和矢量4相差180°。而四種中矢量的相位關(guān)系可分為兩種，即中點(diǎn)電壓自平衡的矢量相位關(guān)系和中點(diǎn)電壓不平衡的矢量相位關(guān)系。圖2給出一種中點(diǎn)電壓不平衡中矢量相位關(guān)系。其中，Ts為開(kāi)關(guān)周期，D0為每個(gè)橋臂中單個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的占空比，Dc是3LT2C輸出高電平時(shí)間的占空比。由圖2中電容C1中電流iC1和電容C2中電流iC2的波形可以看到：在一個(gè)周期中電容 C1的充電量要大于電容 C2的充電量，周而復(fù)始，必會(huì)引起中點(diǎn)電壓偏移，造成輸出電壓波形的嚴(yán)重畸變，嚴(yán)重情況下，會(huì)導(dǎo)致3LT2C無(wú)法正常工作。圖3所示為中點(diǎn)電壓自平衡矢量相位關(guān)系。

表1 單相T型三電平變換器輸出電壓矢量Tab.1 Output vector of T-type three level DC-DC converter

圖2 中點(diǎn)電壓不平衡下3LT2 C輸出電壓及電容電流波形Fig.2 Voltage output and DC capacitor current of 3LT2 C without neutral point voltage balancing

圖3 中點(diǎn)電壓自平衡3LT2 C輸出電壓及電容電流波形Fig.3 Voltage output and DC capacitor current of 3LT2 C with neutral point voltage balancing

由圖3可以看到，在中點(diǎn)電壓自平衡調(diào)制模式下，一個(gè)周期內(nèi)電容 C1與電容 C2的電流正負(fù)情況相同，充放電能量相等，從而在一個(gè)周期內(nèi)有效校正了電容電壓偏移。總結(jié)矢量相位組合關(guān)系得到，當(dāng)矢量8滯后矢量2的相位為180°并且矢量6滯后矢量4的相位為180°時(shí)能夠保證電容在一個(gè)周期內(nèi)充放電量相等，從而能夠?qū)崿F(xiàn)中點(diǎn)電壓的自平衡。而根據(jù)矢量2和矢量6的超前滯后關(guān)系在該平衡模式有兩種脈沖實(shí)現(xiàn)方式。

4 改進(jìn)調(diào)制方式下直流電壓控制研究

4.1 DC-DC變換器電壓控制方式

對(duì) DC-DC變換器的控制采用雙閉環(huán)控制[12]，內(nèi)環(huán)為輸入到 DC-DC變換器的電流控制，外環(huán)為電壓環(huán)控制，包括對(duì)其輸入、輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)：為保證 DC-DC變換器穩(wěn)定工作，對(duì)其直流輸入電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其穩(wěn)定在參考值；同時(shí)，為避免系統(tǒng)故障或受端功率突然減小而引起直流過(guò)電壓情況，還需對(duì) DC-DC變換器的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而輸入電壓調(diào)節(jié)和輸出過(guò)電壓調(diào)節(jié)共同組成了電壓外環(huán)控制。圖4所示是DC-DC變換器控制系統(tǒng)。

圖4 T型三電平DC-DC變換器電壓控制系統(tǒng)Fig.4 Voltage control scheme for T-type three level DC-DC converter

4.2 PWM脈沖生成的簡(jiǎn)化方式

由表2和圖3可知，T型三電平全橋DC-DC變換器，其八個(gè)功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖自由度為 4，因此，只需控制 VT1VT4VT5VT8的脈沖即可，VT3VT2VT7VT6由互補(bǔ)關(guān)系得到。圖3表明 VT1和VT4的脈沖相位相差 Ts/2，VT5和 VT8的脈沖相位相差 Ts/2，因此，功率開(kāi)關(guān)的脈沖自由度降為 2，故需控制VT1VT8脈沖即可。若設(shè)定

式中，A為常數(shù)。

則 VT8的脈沖可有 VT1的脈沖延遲( 1 - A ) Ts獲得，因此，功率開(kāi)關(guān)的脈沖自由度降為 1，只需控制VT1的初始延遲時(shí)間即可控制全部開(kāi)關(guān)脈沖。設(shè)VT1的初始延遲時(shí)間為 t1

將式（1）代入式（2），求解得

因 為10t≥ 所 以，當(dāng)時(shí)三電平退化為兩電平。

t1確定后，可得

式（3）～式（6）確定了四個(gè)開(kāi)關(guān)的延時(shí)時(shí)間，其他四個(gè)開(kāi)關(guān)脈沖波形與此四個(gè)開(kāi)關(guān)互補(bǔ)運(yùn)行。

5 仿真分析

在Matlab/Simulink中，搭建系統(tǒng)仿真模型。設(shè)定D0=0.3，A=0.8，Vdc=1500V，驗(yàn)證不同脈沖調(diào)制模式下的T型三電平DC-DC變換器的運(yùn)行情況，結(jié)果分別如圖5～圖8所示。

圖5 中點(diǎn)電壓不平衡調(diào)制模式下T型三電平輸出電壓無(wú)均衡控制調(diào)制模式下T型三電平變換器輸出電壓Fig.5 Voltage output waveform of T-Type three level DC-DC converter by normal PWM modulation

圖5是中點(diǎn)電壓不平衡調(diào)制模式下的T型三電平變換器的輸出電壓，輸出電壓出現(xiàn)了嚴(yán)重偏移和畸變。圖6是中點(diǎn)電壓自平衡調(diào)制模式下的T型三電平輸出電壓波形，中點(diǎn)電壓偏移現(xiàn)象被有效地抑制，波形正弦度較高。圖7是中頻變壓器高壓側(cè)電壓，其值是T型三電平輸出電壓的10倍。圖8是DC-DC變換器的輸出電壓，其值可以穩(wěn)定到中頻變壓器高壓側(cè)電壓的峰值。

圖6 中點(diǎn)電壓自平衡調(diào)制模式下T型三電平輸出電壓含電壓均衡控制調(diào)制模式下T型三電平變換器輸出Fig.6 Output waveform of T-type three level DC-DC converter by balancing PWM modulation

圖7 改進(jìn)調(diào)制模式下DC-DC變換器空載輸出電壓圖7含電壓均衡控制調(diào)制模式下DC-DC變換器直流輸出Fig.7 DC Output of T-Type three level DC-DC converter by balancing PWM modulation

6 結(jié)論

無(wú)論是海上風(fēng)電直流組網(wǎng)，還是陸上分布式電源接入直流電網(wǎng)，高效 DC-DC功率變換器是核心關(guān)鍵部件，本文提出一種基于T型三電平全橋技術(shù)的 DC-DC變換器。在介紹其主電路拓?fù)浜凸ぷ髟淼幕A(chǔ)上，開(kāi)展了換流過(guò)程的開(kāi)關(guān)模態(tài)分析。同時(shí)，深入分析了中性點(diǎn)電壓偏移原因，提出一種三電平單相全橋 DC-DC變換器的中點(diǎn)電壓自平衡型PWM 調(diào)制方式，并推導(dǎo)了脈寬控制時(shí)間的簡(jiǎn)化計(jì)算公式，且給出了 DC-DC變換器的控制方式。最后，在Matlab/Simulink中構(gòu)建仿真模型，結(jié)果表明論文所提PWM脈沖調(diào)制模式和DC-DC控制方法具有良好的效果。對(duì)推廣應(yīng)用該類型變換器，做出了一定的探索研究。

[1] Kenichiro Sano,Masahiro Takasaki.A boost conversion system consisting of multiple DC-DC converter modules for interfacing wind farms and HVDC transmission[C].IEEE Energy Conversion Congress and Exposition Conference,2013:2613-261.

[2] Etienne Veilleux,Boon Teck Ooi.Marx-DC-DC converter for connecting offshore wind farms to multiterminal HVDC[C].IEEE Power and Energy Society General Meeting,2013: 1-5.

[3] 汪令樣.光伏發(fā)電用 DC-DC變換器的研究[D].合肥: 合肥工業(yè)大學(xué),2006.

[4] 李建,胡長(zhǎng)生,劉瞾煤,等.一種帶儲(chǔ)能的光伏發(fā)電 DC-DC變換器控制制方法[J].電力電子技術(shù),2014,48(6): 29-31.Li Jian,Hu Changsheng,Liu Zhaomei,et al.A novel control method of converter DC-DC in PV system with energy storage[J].Power Electronics,2014,48(6): 29-31.

[5] 武琳,劉志剛,洪祥.隔離式雙向全橋DC-DC變換器的功率控制特性比較與分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(10): 179-187.Wu Lin,Liu Zhigang,Hong Xiang.Comparison and analysis of power control characteristic for isolated bidirectional full-bridge DC-DC converter[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2013,28(10): 179-187.

[6] 武琳,張燕枝,李子欣,等.一種隔離式雙向全橋DC-DC變換器的控制策略[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2012,16(12): 21-27.Wu Lin,Zhang Yanzhi,Li Zixin,et al.A control strategy of isolated bidirectional full bridge DC-DC converter[J].Electric Machines and Control,2012,16(12): 21-27.

[7] Yeh Ting,de Haan S,Ferreira J A.The partial-resonant single active bridge DC-DC converter for conduction losses reduction in the single active bridge[C].IEEE ECCE Asia Downunder Conference,2013: 987-993.

[8] Ray Lee Lin,Chiao Wen Lin.Design criteria for resonant tank of LLC DC-DC resonant converter[C].IEEE IECON 36th Annual Conference,2010:427-432.

[9] Padilha F,Suemitsu W I,Bellar M D.DC-DC converter connected to three-level NPC inverter for renewable energy sources application[C].IEEE Industrial Electronics Conference,2008: 264-269.

[10] Zhou Y,Macpherson D E,Blewittand D Jovcic W.Comparisonof DC-DC converter topologies for offshore wind-farm applation[C].6th IET International Conference,on Power Electronics,Machines and Drives,2012:1-5.

[11] Mario Schweizer,Johann W Kolar.Design and implementation of a highly efficient three-level T-type converter for low-voltage applications[J].IEEE Transaltions on Power Electronics,2013,28(2):3680-3693.

[12] Deng Fujin,Chen Zhe.An offshore wind farm with DC grid connection and its performance under power system transients[C].Power and Energy Society General Meeting,2011: 1-8.