大功率直流變壓器的仿真研究

王樂+楊用春+陶建業+王澤軒

摘 要：本文基于PSIM搭建了移相式全橋型逆變電路，構建直流變壓器的仿真模型。在電路的結構設計上，采用多模塊串并聯相結合的方式，解決了電力電子器件耐壓值低的問題。[1]同時采用開關觸發信號移相的方式，減少開關的損耗。并且，避免在換相時上下兩開關同時導通而損壞開關。在電路的控制策略上，采用基于PI控制的閉環控制策略。通過改變開關的觸發信號的移相角，達到改變輸出電壓的目的。

關鍵詞：直流變壓器、開關移相、閉環控制

1引言：

與交流輸電相比，直流輸電可以有效減小損耗，并且傳送距離更遠。而隨著微網的快速發展以及直流電網深入研究，直流電壓改變以及功率交換的應用情況越來越多，因而需要類似于傳統交流變壓器的裝置去進行直流的功率交換。直流變壓器由美國弗吉尼亞電力電子中心Fred C.Lee為首的學者們提出，屬于DC-DC變換器中的一種不調壓形式，具有快速的動態響應能力、穩定性高等特點，適合用于功率傳輸等場合。[2]

2.全橋直流變壓器原理介紹

全橋直流變壓器由高頻逆變部分、高頻變壓器、高頻整流部分和控制四個部分構成。其中逆變部分電路由4個開關組構成。

如圖，橋臂V1、V4作為一對，橋臂V2、V3作為一對，兩對橋臂交替導通，將直流電壓Ud逆變成交流電壓U1，并加在變壓器一次側，經過高頻變壓器的變壓過程，變壓出交流電壓U2，最終，經過橋式高頻整流電路，將交流電壓U2整流成直流電壓。

由于變壓器的為阻感特性，直流側需要并聯電容起緩沖無功能量，提供無功功率的作用。由于逆變側電流不能突變，因此在逆變橋各橋臂都并聯了反饋二極管，在開關不導通時構成回路。

假設施加于開關管的觸發信號為正負半波各為180°的方波，并且VT1、VT3柵極信號互補，VT2和VT4柵極信號互補，VT2的信號比VT1落后 。

在一個周期內，電路共經過四種狀態，設在0～t1時刻，VT1和VT4同時導通，輸出電壓為Ud，t1～t2時刻V4截止，由于i0不能突變，VT3不能立刻導通，所以通過VD3二極管續流。由基爾霍夫電壓定律可知輸出電壓為零。t2～t3時刻，V1截止，V2不能立即導通，VD2和VD3二極管一起構成電流通路，輸出電壓為-Ud。至負載電流過零并開始反向時，VD2和VD3截止，V2和V3同時導通，輸出電壓認為-Ud. t3～t4時刻V3截止，V4不能立刻導通，電路通過VD4二極管導通續流。同理，輸出電壓為零。因此可以通過改變移相角 來調節輸出電壓。[3]

在控制策略的選取上，我們選用了基于PI調節器與維持阻塞邊沿D觸發器的閉環控制策略。PI調節器是一種線性調節器，它可根據定值與實際輸出值的偏差，通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。

維持阻塞邊沿D觸發器由CMOS傳輸門電路構成。當CP施加二倍頻率的D的時鐘信號時，會對原D的信號產生一定相角的偏移，因此可利用此來設計閉環控制策略，實現對電壓的控制。

3.仿真研究

利用PSIM搭建了移相式全橋型DC/DC閉環變換電路，構建直流變換器的仿真模型。在電路的結構上，采用4模塊串并聯相結合的方式，每級模塊參考電壓設置為25kv。原理圖與仿真結果如圖所示：

可見，通過設置參考電壓，經閉環負反饋調節，可通過改變不同的移相角θ，來調節輸出電壓的有效值u0，并最終與參考電壓幅值u*一致。輸出電壓有效值與移相角θ符合下面關系式：

其中：u0輸出電壓的有效值

θ移相角

u2變壓器二次電壓有效值

k變壓器變比

4.結論

基于多模塊串并結合思想和閉環控制策略，本文給出了一種適合高電壓直流電輸入的直流變壓器的拓撲結構，并可以實現以下功能：

（1）通過輸入直流電，根據直流變壓器的變比，可以改變輸入電壓的幅值，實現直流電壓等級的升高或降低。

（2）引入基于PI控制的閉環控制策略，可以通過設定參考電壓，負反饋控制觸發脈沖的移相角來調節輸出電壓幅值，實現與參考電壓匹配。

（3）采用多模塊串并聯相結合的方式，解決電力電子器件耐壓值低的問題。提高了輸出電壓等級。

參考文獻：

[1]王子龍，肖嵐，趙鵬. 全橋直流變壓器/變換器ISOP組合式系統的研究[J]. 中國電機工程學報，2014，（33）：5819-5826.

[2]陳曦. 模塊化高壓輸出直流電源的研究[D].南京航空航天大學，2011.

[3]石新春，王毅，孫麗玲. 電力電子技術[M].第二版.北京.中國電力出版社.2013年：107

作者簡介：

王樂， 1995出生，男，河北保定人，華北電力大學，電氣工程及其自動化專業學生；

楊用春，1982出生，男，河北保定人，華北電力大學，講師，主要研究方向為高壓直流輸電與FACTS技術。