基于IDC 配電系統的直流變壓器拓撲及其控制方法的研究

趙亞雄

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

作為互聯網數據中心（Internet Data Center，IDC）配電系統的重要組成部分，直流變壓器擔負著整個IDC 配電系統安全、穩定、可靠運行的職責。從底層原理角度來說，直流變壓器無法采用磁耦合的方式進行兩側電壓的變換，因此需采用電力電子技術完成兩側直流電壓的變換功能。利用直流-直流變換器的功能作為基礎，通過各個功能部件的有機組合，完成直流變壓器電壓轉換和能量的流動[1-5]。

現階段，直流變壓器被廣泛應用于實際運營生產過程，對其的研究也成為現行IDC 配電網技術的重要方向。文章將傳統邏輯鏈路控制（Logical Link Control，LLC）諧振變換器與模塊化多電平技術相結合，提出一種適用于直流配電網的直流變壓器新型拓撲結構和控制策略，使其在直流配電網中穩定運行，保證在負載突變、網壓波動的情況下具有良好的調節能力。文章設計了一款10 kV/400 V 的系統，該系統具有較高的實用性和穩定性[6-10]。

1 拓撲結構及特性分析

1.1 拓撲結構

基于LLC 的直流變壓器的拓撲結構如圖1 所示。為防止原邊開關承載過高電壓，文章設計的拓撲可有效分擔主側輸入高電壓，同時可以保證功率密度維持在一定水平，同時實現電磁隔離。本文設計的基于IDC 配電系統的直流變壓器為輸入串聯輸出并聯（Input Series and Output Paralle，ISOP） 結構，LLC 諧振單元是其基本組成單元，可輸出較寬的負載范圍，保證主側開關維持低損耗。目前為止，LLC諧振變換器多使用功率較低的金氧半場效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET），很少有在LLC 諧振變換器中應用高壓絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的技術方案，本文設計的基于IDC 配電系統的直流變壓器對電壓有較高要求，因此采用IGBT 開關成為本目標拓撲的不二選擇。

圖1 直流變壓器拓撲

1.2 輸入輸出均壓均流特性分析

文章所提的拓撲結構，輸入側有4 個電容串聯分攤輸入電壓，輸入網絡的電容間需保持均壓。輸出側的電流由組成的4 組LLC 諧振單元統一輸出，同樣需保持輸出電流為均流狀態。

從理想的電路原理方面考慮，此拓撲可自行完成均壓均流的運行狀態。文章設計的直流變壓器運行時，4 個LLC 諧振單元（4 個基本模塊）以相同的電壓同時工作。當其中一個模塊輸入電壓降低時，相應副側的整流二極管會發生反偏，進而使得其他模塊承擔、傳遞更多功率，此模塊輸入電壓相應降低。但是，由于總的輸入電壓不變，相鄰模塊輸入電壓的降低使得此模塊的輸入電壓升高，而電壓的升高又會使其副側的整流二極管再次導通，最終達到自動均壓的目的。從單獨的變換器模塊角度考慮，隨著輸入電壓的變化。當S1閉合而S2斷開時，如圖2 所示，C1、C2分別放、充電，因此C1電壓下降、C2電壓上升。反之，當S1斷開而S2閉合時，C1電壓上升、C2電壓下降。當電容達到平衡狀態后，電容C1電壓會被輸出電壓鉗位于Up，最后完成自動均壓運行狀態。

圖2 理想等效電路

在實際運行過程中，變壓器自動均壓的影響因素有諧振電容、諧振電感和漏感、繞線電阻以及匝數等。

為了方便分析，需要簡化拓撲結構。如圖3所示，在ISOP 模型中，各模塊的輸入級電流相等，即Iin1=Iin2=…=Iinn；輸出級的輸出電壓相等，即Uo1=Uo2=…=Uon。如果保證輸出級的電流也相等，即Io1=Io2=…=Ion，則每個模塊的輸出功率相等，即Po1=Po2=…=Pon。假設各模塊的效率為ηi，在輸入級電流相等的情況下，則Uin1η1=Uin2η2=…=Uinnηn。由此可知：如果無法滿足效率相等的條件，無法實現均壓效果，則導致效率降低，電壓升高。假如Uin1=Uin2=…=Uinn，ISOP 結構各模塊輸入級輸入電流都相等，因此各模塊的輸入功率相等，即Pin1=Pin2=…=Pinn。因為Pinη=Po，且Po=IoUo、Uo1=Uo2=…=Uon，所以要使得Io1=Io2=…=Ion，須有η1=η2=…=ηn。換句話說，假如每個單元模塊的輸入級輸入電壓相等，每個單元的效率相等，那么輸出的電流就相等，可以達到均流的效果。

圖3 ISOP 簡化結構

因此，各個模塊輸入均壓時，輸入功率相等，輸出電流相等，從而保證輸出功率也相等，反過來也可以使得輸入電壓保持相等。

2 控制策略

本文所提出的直流變壓器系統的控制策略如圖4所示，為三環策略，電壓外環主要負責穩定輸出電壓，為電流內環提供參考值。系統輸出電壓經反饋網絡后與輸出電壓的參考值相比較，其差值經PI 調節輸出，成為電流內環的參考值之一；輸入均壓環主要負責直流變壓器輸入側各模塊輸入電壓的均壓，并為電流內環提供參考電流。每個單元模塊的輸入電壓經采樣后與輸入電壓的參考值相比，其差值經PI 調節后輸出，成為電流內環的又一個參考值；電流內環的存在加強了系統的動態調節性能，使系統對系統偏差的反應速度更快，電流內環采集輸出電流，與之前輸出電壓環和輸入均壓環產生的參考值之和相比，差值進入系統的補償網絡，其輸出值作為信號輸入到系統脈沖頻率調制（Pulse Frequency Modulation，PFM）的發生器中，從而產生開關信號，調節系統的工作頻率和運行情況。

圖4 系統控制策略

3 仿真實驗結果

本文通過MATLAB/Simulink 平臺對設計系統進行仿真實驗，實驗參數如表1 所示。

表1 系統仿真實驗數據

系統滿載轉換為輕載時的模擬波形如圖5 所示。當系統在0.3 s 時，負荷突變為30%負載，此時輸出電壓存在細微波動，但又迅速穩定在400 V 輸出電壓。如圖6 所示，系統在0.3 s 處負荷轉換為滿載狀態，此時輸出電壓在細微波動后再一次穩定在輸出為400 V 的電壓狀態，此現象證明了系統工作的穩定性。

圖5 系統滿載變輕載

圖6 系統輕載變滿載

4 結 論

實驗結果表明，文章所提的直流變壓器拓撲及其控制策略能夠很好地應對直流配電網發生的各種突發情況，對負載突變、網壓波動等情況具有良好的適應能力及調整能力，從而保證系統在整個直流配電網的穩定運行。