中低壓直流變壓器拓?fù)渑c控制綜述

劉 貝，涂春鳴，肖 凡，余雪萍，郭 祺，帥智康

（湖南大學(xué) 國(guó)家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙410082）

0 引言

隨著能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的加劇，全球能源消費(fèi)形式逐漸從傳統(tǒng)化石能源向光伏、風(fēng)電、燃料電池等分布式能源方向發(fā)展。分布式能源減少了化石能源的使用，降低了二氧化碳排放，緩解了溫室效應(yīng)，但以光伏、風(fēng)電為主的分布式能源由于其間歇性和隨機(jī)性，對(duì)現(xiàn)有交流電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成了嚴(yán)重影響，如何合理消納分布式能源已成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。

近年來(lái)，直流電網(wǎng)作為分布式能源消納的重要途徑，得到了廣泛研究?，F(xiàn)有研究表明，直流電網(wǎng)在容量、建設(shè)成本、傳輸效率等方面相比于交流電網(wǎng)具有諸多優(yōu)勢(shì)［1-3］。同時(shí)，直流電網(wǎng)也是解決傳統(tǒng)交流電網(wǎng)無(wú)功、諧波、同步振蕩與環(huán)流等問(wèn)題的有效途徑，可極大緩解大電網(wǎng)與光伏、風(fēng)電等分布式能源之間的矛盾。目前針對(duì)直流電網(wǎng)的研究取得了豐富的成果，包括電網(wǎng)架構(gòu)、關(guān)鍵設(shè)備研制、調(diào)度與控制、運(yùn)行與保護(hù)等方面［4-6］。其中，針對(duì)直流電網(wǎng)中能量匯聚與分配樞紐——直流變壓器的研究最受矚目。

與交流電網(wǎng)中常用的交流變壓器通過(guò)電磁感應(yīng)原理進(jìn)行電壓升降變換不同，應(yīng)用于高壓大功率場(chǎng)合的直流變壓器進(jìn)行直流電壓升降變換時(shí)，只能采用電力電子裝置。利用電力電子裝置進(jìn)行直流電能變換在開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域中已取得了卓越的成果，相關(guān)直流變換器拓?fù)湓谥绷髯儔浩餮芯康脑缙陔A段也得到過(guò)廣泛關(guān)注，并結(jié)合直流電網(wǎng)高壓大功率的運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行了改進(jìn)和調(diào)整，但并非所有拓?fù)涠紳M(mǎn)足直流電網(wǎng)的運(yùn)行需求。

由于直流電網(wǎng)中可能同時(shí)接入多種類(lèi)型的直流負(fù)荷和分布式能源，因此直流電網(wǎng)中將存在多條不同電壓等級(jí)的直流母線(xiàn)。直流變壓器除需具備多直流電壓等級(jí)電能變換的能力外，還應(yīng)當(dāng)具備電氣隔離能力，防止電氣故障在不同系統(tǒng)中擴(kuò)散。同時(shí)，由于分布式能源的多向性，直流電網(wǎng)中各等級(jí)直流母線(xiàn)之間的能量傳遞也將呈現(xiàn)為多向性，直流變壓器需要具備對(duì)公共節(jié)點(diǎn)潮流的多向調(diào)控能力，保障多母線(xiàn)運(yùn)行時(shí)潮流的可靠分配與轉(zhuǎn)移。因此，盡管直流變壓器在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略和參數(shù)設(shè)計(jì)等方面可以找到較多的參考與借鑒，但高壓大功率場(chǎng)合下直流變壓器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行仍然具有巨大挑戰(zhàn)。

本文對(duì)中低壓直流電網(wǎng)中的直流變壓器研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)與分析，介紹了直流變壓器的基本功能和典型運(yùn)行場(chǎng)景，按端口數(shù)量和能量耦合方式對(duì)直流變壓器拓?fù)溥M(jìn)行了梳理和分類(lèi)，全面分析了直流變壓器在暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中的控制策略，并對(duì)直流變壓器核心部件——高頻變壓器的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了討論，最后對(duì)直流變壓器未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)給出了建議。

1 典型運(yùn)行場(chǎng)景

根據(jù)前期調(diào)研，本文總結(jié)了中低壓直流電網(wǎng)中直流變壓器的典型運(yùn)行場(chǎng)景，如圖1 所示，大體可歸納為如下3 個(gè)：居民小區(qū)、城市負(fù)荷密集地區(qū)、工業(yè)園區(qū)。在居民低壓直流供電場(chǎng)景中，選取了單端放射式供電架構(gòu)，分布式能源采用集中接入方式，使用一臺(tái)多端口直流變壓器用于連接光伏、儲(chǔ)能等分布式能源和直流負(fù)荷。在城市負(fù)荷密集地區(qū)和工業(yè)園區(qū)直流供電場(chǎng)景中，由于功率和電壓等級(jí)提高，分別選取了環(huán)網(wǎng)供電和輻射供電架構(gòu)，分布式能源采用了多點(diǎn)接入方式，因此配備了多臺(tái)直流變壓器。

圖1 直流變壓器在中低壓直流系統(tǒng)中的典型運(yùn)行場(chǎng)景Fig.1 Typical operating scenarios of DC transformers in medium- and low-voltage DC systems

對(duì)含多條電壓等級(jí)直流母線(xiàn)的供電場(chǎng)景，可以采用一臺(tái)多端口直流變壓器提供多個(gè)直流母線(xiàn)接口，也可以采用多臺(tái)兩端口直流變壓器連接不同電壓等級(jí)的直流母線(xiàn)。在多臺(tái)直流變壓器共同運(yùn)行的場(chǎng)景中，直流變壓器需要根據(jù)母線(xiàn)電壓狀態(tài)調(diào)整控制方式和工作方式，在定電壓、定功率等多種模式中相互切換。對(duì)于潮流雙向端口，還需要根據(jù)端口運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整功率方向。此外，從圖1 中還可以看到，3 種典型運(yùn)行場(chǎng)景中均包含了與交流電網(wǎng)連接的端口。盡管直流電網(wǎng)在運(yùn)行效率、傳輸容量、建設(shè)成本等方面相較于交流電網(wǎng)有較大優(yōu)勢(shì)，但單一的直流供電并非未來(lái)供配電技術(shù)發(fā)展的最佳策略，交直流供配電技術(shù)的相互配合才是未來(lái)中低壓電網(wǎng)發(fā)展的重要趨勢(shì)。

2 直流變壓器拓?fù)?/h2>

在直流電網(wǎng)中，直流變壓器需要兼顧高增益、大功率、多向潮流和電氣隔離等基本特性，同時(shí)還需具備一定的可擴(kuò)展能力。基于對(duì)現(xiàn)有相關(guān)論文的查閱，本文將直流變壓器拓?fù)浞譃? 類(lèi)：第一類(lèi)為兩端口直流變壓器，第二類(lèi)為多端口直流變壓器，第三類(lèi)為模塊化組合直流變壓器。

2.1 兩端口直流變壓器

對(duì)于兩端口直流變壓器，可以按照是否具備電氣隔離特性將其分為隔離型和非隔離型。非隔離型直流變壓器的輸入側(cè)與輸出側(cè)沒(méi)有電氣隔離，且難以同時(shí)兼顧大功率、高增益的需求，在實(shí)際工程中較少應(yīng)用，故本文主要討論隔離型兩端口直流變壓器?，F(xiàn)有研究中，隔離型兩端口直流變壓器主要有橋式、推挽、交錯(cuò)并聯(lián)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于功率器件受耐壓、耐流等限制，推挽、交錯(cuò)并聯(lián)等結(jié)構(gòu)在高壓大容量直流供電場(chǎng)景中應(yīng)用較少，目前隔離型兩端口直流變壓器中最為常用的是橋式結(jié)構(gòu)。

根據(jù)變壓器兩側(cè)功率單元結(jié)構(gòu)，橋式結(jié)構(gòu)可分為半橋、全橋、全控、不控等結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。其基本工作原理為：通過(guò)輸入側(cè)功率單元將直流電能逆變?yōu)楦哳l交流電能，由高頻變壓器完成電壓升降后，再由輸出功率單元將高頻交流電能整流為直流電能，因此可以兼顧高增益和大功率的直流電能變換能力。在橋式結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用最廣泛的是雙有源橋DAB（Dual Active Bridge）變換器。

圖2 橋式兩端口直流變壓器拓?fù)銯ig.2 Topology of bridge type two-port DC transformer

2.1.1 DAB變換器

DAB 變換器最早在1988 年由德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)R. W. de Doncker 等人提出［7］，DAB 變換器具備高增益、大功率的電能變換特性，同時(shí)兼顧電氣隔離、高功率密度和靈活可控的雙向功率流動(dòng)能力，在數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)汽車(chē)、電力電子變壓器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。典型的DAB 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3 所示，包含由全控器件組成的輸入側(cè)和輸出側(cè)H 橋功率單元、高頻變壓器、輔助電感以及輸入側(cè)和輸出側(cè)濾波電容。圖中，vAB和vCD分別為輸入側(cè)和輸出側(cè)H橋功率單元橋臂中點(diǎn)電壓；iLs為輔助電感Ls上流過(guò)的電流。將vAB和vCD等效為方波電源，并將輸出側(cè)折算至輸入側(cè)，可以得到如圖4 所示的DAB 變換器等效電路，圖中v′CD為vCD折算至輸入側(cè)的等效電壓。

圖3 DAB變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Topology of DAB converter

圖4 DAB變換器等效電路Fig.4 Equivalent circuit of DAB converter

通過(guò)控制輸入側(cè)和輸出側(cè)方波電源之間的相角差，可以調(diào)整輸入側(cè)和輸出側(cè)之間的功率大小和方向。采用單移相SPS（Single Phase Shift）控制策略的DAB變換器的輸出功率Po為：

其中，V1為輸入電壓；V′2為輸出電壓V2折算至輸入側(cè)的等效電壓；fs為開(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)關(guān)周期Ts=1/fs；β為輸入側(cè)和輸出側(cè)方波電源之間的移相角，當(dāng)功率正向傳輸時(shí)β的取值范圍為（0，π），當(dāng)功率反向傳輸時(shí)β的取值范圍為（-π，0）。

從式（1）中可以看到，Po與Ls、fs成反比，與β在（-π/2，0）和（0，π/2）區(qū)間內(nèi)成正比，且當(dāng)β=±π/2 時(shí)，Po有最大絕對(duì)值V1V′2/(8fsLs)。

2.1.2 兩級(jí)式DAB變換器

DAB變換器輸入／輸出電壓比與變壓器變比相等時(shí)，稱(chēng)為電壓匹配模式，否則稱(chēng)為電壓不匹配模式。在電壓不匹配模式下，變換器內(nèi)部存在較大環(huán)流，部分器件軟開(kāi)關(guān)區(qū)間減小。器件的硬開(kāi)關(guān)限制了器件的開(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)關(guān)頻率的提高有助于減小高頻變壓器的體積并提高裝置的功率密度。為此，相關(guān)文獻(xiàn)提出了兩級(jí)式DAB 變換器，保證DAB 變換器始終工作在電壓匹配狀態(tài)。文獻(xiàn)［8］在DAB 變換器輸入側(cè)和輸出側(cè)均增加了半橋子模塊單元，如附錄中圖A1所示。加入的半橋子模塊可以對(duì)輸入、輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，保證DAB 變換器工作在電壓匹配狀態(tài)。此外，半橋子模塊還可以作為旁路開(kāi)關(guān)，用于隔離故障模塊。文獻(xiàn)［9］研究了Buck／Boost+DAB 的兩級(jí)式拓?fù)洌绺戒浿袌DA2所示。通過(guò)兩級(jí)電路的配合，在不降低DAB 變換器工作效率的同時(shí)增大了變換器的輸入范圍。

2.1.3 諧振型DAB變換器

雖然兩級(jí)式結(jié)構(gòu)在保證運(yùn)行效率的同時(shí)增大了DAB 變換器的工作范圍，但兩級(jí)式的結(jié)構(gòu)降低了系統(tǒng)的集成度，一定程度上也增加了控制的復(fù)雜程度。為進(jìn)一步提高DAB 變換器的軟開(kāi)關(guān)范圍，降低DAB變換器開(kāi)關(guān)損耗，相關(guān)文獻(xiàn)提出了一系列諧振型DAB 變換器，采用諧振單元替換DAB 變換器輔助電感，實(shí)現(xiàn)寬工作范圍下的器件軟開(kāi)關(guān)。常見(jiàn)的諧振單元結(jié)構(gòu)包括LC、LLC、LCC、CLLC 等［10-16］，如圖2 所示，其中應(yīng)用最為廣泛的是LLC 型諧振單元。文獻(xiàn)［12］對(duì)單向LLC型諧振變換器的工作模態(tài)和諧振腔電流進(jìn)行了分析，提出了峰值增益配置的優(yōu)化設(shè)計(jì)法。文獻(xiàn)［13］針對(duì)雙向LLC諧振變換器提出了一種變頻-移相控制方法，實(shí)現(xiàn)了變換器的寬電壓增益及全范圍軟開(kāi)關(guān)。文獻(xiàn)［14］提出了一種LLC型諧振變換器變模式控制策略，在額定輸入電壓附近采用常規(guī)頻率控制方式，在輸入電壓偏離額定值時(shí)，采用脈寬調(diào)制的控制方式調(diào)節(jié)電路增益，有效縮小開(kāi)關(guān)頻率工作范圍。合理設(shè)計(jì)諧振單元參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)功率器件寬工作范圍下的軟開(kāi)關(guān)，提高變換器運(yùn)行效率。但高開(kāi)關(guān)頻率帶來(lái)了較大的電壓、電流應(yīng)力，同時(shí)電容與電感等器件隨著使用時(shí)間的增加，必然會(huì)出現(xiàn)參數(shù)的改變或漂移，給諧振型直流變壓器的設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

兩端口直流變壓器拓?fù)涫侵绷髯儔浩魍負(fù)溲芯康幕A(chǔ)和核心。目前，DAB 變換器及其衍生的諧振型拓?fù)湟殉蔀閮啥丝谥绷髯儔浩髟趯?shí)際工程中的主流方案。同時(shí)，兩端口直流變壓器的相關(guān)研究理論和設(shè)計(jì)方法也在多端口和模塊化組合直流變壓器中得到了推廣與應(yīng)用。

2.2 多端口直流變壓器

分布式能源和不同電壓等級(jí)的直流負(fù)荷接入，直流電網(wǎng)的重要節(jié)點(diǎn)將出現(xiàn)多母線(xiàn)共同運(yùn)行。為保障多母線(xiàn)運(yùn)行時(shí)潮流的可靠分配與轉(zhuǎn)移，各電壓等級(jí)母線(xiàn)之間需安裝兩端口直流變壓器。大量?jī)啥丝谥绷髯儔浩鞯氖褂迷黾恿四芰孔儞Q次數(shù)，降低了能量利用率。此外，多個(gè)兩端口直流變壓器并聯(lián)運(yùn)行產(chǎn)生的環(huán)流、協(xié)調(diào)控制、交互影響等問(wèn)題也不容忽視。多端口直流變壓器是解決上述問(wèn)題的重要途徑，符合直流電網(wǎng)運(yùn)行和發(fā)展的需要。對(duì)于多端口直流變壓器，可以按照能量匯聚形式分為磁耦合型和電耦合型。

2.2.1 電耦合型多端口直流變壓器

電耦合型多端口直流變壓器通過(guò)公共母線(xiàn)匯聚各端口能量，具備靈活的端口數(shù)量和容量擴(kuò)展能力，等效示意圖如圖5 所示。電耦合型多端口直流變壓器通常采用主從控制方式，由一個(gè)端口控制公共母線(xiàn)電壓，其余端口根據(jù)運(yùn)行需求獨(dú)立控制端口電壓或功率。根據(jù)公共母線(xiàn)的電能類(lèi)型，電耦合型多端口直流變壓器可以分為共直流母線(xiàn)型和共交流母線(xiàn)型。

圖5 電耦合型多端口直流變壓器示意圖Fig.5 Schematic diagram of electrically coupled multi-port DC transformer

文獻(xiàn)［17］提出了一種整合光伏、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車(chē)充電站和電網(wǎng)的共直流母線(xiàn)型多端口直流變壓器拓?fù)?，如附錄中圖A3 所示。該拓?fù)洳捎昧朔謱涌刂疲源_保直流變壓器在電網(wǎng)調(diào)度、并／離網(wǎng)、電動(dòng)汽車(chē)接入／切除等多種工況下的穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)［18］提出了一種共直流母線(xiàn)型多端光伏直流升壓系統(tǒng)，2組光伏陣列通過(guò)Boost 變換器與直流升壓變壓器相連，再由直流升壓變壓器匯集至±10 kV 電網(wǎng)。文獻(xiàn)［19］提出了一種用于多電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)的共直流母線(xiàn)型多端口直流變壓器拓?fù)洹Ｔ撏負(fù)溆蒼組電池組和n個(gè)Buck／Boost 雙向直流變換器并聯(lián)組成，具有較寬的工作電壓范圍，并聯(lián)連接方式也使得該結(jié)構(gòu)具備較強(qiáng)的擴(kuò)容能力。此外，每個(gè)并聯(lián)的Buck／Boost 模塊可獨(dú)立調(diào)節(jié)該電池組電流，因此電池組之間不會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。

共直流母線(xiàn)型多端口直流變壓器中，互聯(lián)的各端口功率大多需要經(jīng)過(guò)DC／AC／DC 2 次變換，因此直流變壓器各端口總?cè)萘拷咏~定容量的2 倍，這增加了建設(shè)成本和能量轉(zhuǎn)換次數(shù)。采用交流母線(xiàn)進(jìn)行能量匯聚，各端口只需進(jìn)行1 次DC／AC 或AC／DC 變換，減少了端口總?cè)萘?，并提高了能量利用率?/p>

文獻(xiàn)［20］提出了一種共交流母線(xiàn)型多端口直流變壓器，等效電路如附錄中圖A4所示。該結(jié)構(gòu)包含4 個(gè)端口，端口1、2、3 分別通過(guò)高頻變壓器HFT1、HFT2 和HFT3 接入高頻交流母線(xiàn)，端口4 則通過(guò)高頻電感LLA連接高頻交流母線(xiàn)。該拓?fù)洳捎媚K化設(shè)計(jì)，端口種類(lèi)、數(shù)量和容量可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行擴(kuò)展，同時(shí)該拓?fù)錇樗卸丝谥g提供了電氣隔離。相比于共直流母線(xiàn)型多端口直流變壓器，共交流母線(xiàn)型多端口直流變壓器能減少能量變換次數(shù)。但高頻交流母線(xiàn)中存在著固有高頻振蕩，會(huì)增加變換器損耗，并危及系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［21］。文獻(xiàn)［22］提出了一種采用電感-電容-電感電路連接的共交流母線(xiàn)型多端口直流變壓器拓?fù)?，如附錄中圖A5所示。該拓?fù)溆啥鄠€(gè)電壓源型換流器VSC（Voltage Source Converter）通過(guò)LCL 電路匹配不同電壓等級(jí)的直流母線(xiàn)互聯(lián)而成，無(wú)需使用交流變壓器，大幅減小了裝置體積。

文獻(xiàn)［23］提出了一種多端口直流-直流自耦變壓器拓?fù)?，如附錄中圖A6 所示。該拓?fù)溆? 個(gè)VSC串聯(lián)而成，VSC 直流側(cè)與對(duì)應(yīng)的直流電網(wǎng)相連，交流側(cè)通過(guò)變壓器與公共交流母線(xiàn)相連。由多端口直流-直流自耦變壓器互聯(lián)的直流電網(wǎng)之間有直接電氣連接，因此在正常工作時(shí)，部分能量可以通過(guò)直流母線(xiàn)在各端口之間傳遞，減少了能量轉(zhuǎn)換次數(shù)，且降低了直流變壓器的總?cè)萘?。多端口直?直流自耦變壓器互聯(lián)的直流電網(wǎng)電壓等級(jí)越接近，直流變壓器的總?cè)萘吭叫　?/p>

2.2.2 磁耦合型多端口直流變壓器

磁耦合型多端口直流變壓器通過(guò)多繞組高頻變壓器實(shí)現(xiàn)對(duì)各端口能量的匯聚和分配。受結(jié)構(gòu)限制，相比于電耦合型多端口直流變壓器，磁耦合型多端口直流變壓器的拓?fù)浞N類(lèi)較少，典型的多有源橋MAB（Multi Active Bridge）變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。圖中，Vi（i=1，2，…，n）為端口i電壓；Li為端口i輔助電感，vHi為端口i橋臂中點(diǎn)輸出電壓；MHT 為多繞組高頻變壓器。與DAB 變換器相似，磁耦合型多端口直流變壓器通常也采用移相控制方式。除用于連接不同等級(jí)直流母線(xiàn)外，磁耦合型多端口直流變壓器在電力電子變壓器中作為中間隔離級(jí)也得到了廣泛應(yīng)用［24］。

圖6 多有源橋直流變壓器拓?fù)銯ig.6 Topology of MAB DC transformer

文獻(xiàn)［25］研究了連接交直流電網(wǎng)、光伏和儲(chǔ)能系統(tǒng)的MAB 變換器，建立了MAB 變換器的功率傳輸模型，并提出了基于回轉(zhuǎn)器理論的MAB 變換器功率協(xié)調(diào)控制策略。文獻(xiàn)［26］針對(duì)三有源橋TAB（Triple Active Bridge）變換器輕載時(shí)運(yùn)行效率低的問(wèn)題，提出了TAB 變換器的三角波電流控制策略，在輕載時(shí)可以實(shí)現(xiàn)部分功率器件的零電流關(guān)斷ZCS（Zero Current Switching），同時(shí)減小了電感電流有效值，提升了變換器運(yùn)行效率。文獻(xiàn)［27］建立了TAB變換器的阻抗模型，分析了硬件參數(shù)、控制參數(shù)對(duì)TAB 變換器阻抗特性的影響，并定性分析了阻抗的系統(tǒng)參數(shù)敏感性。

磁耦合型多端口直流變壓器的端口之間具備電氣隔離，可以有效防止故障擴(kuò)散，也易于實(shí)現(xiàn)高變比的直流電能變換。但磁耦合型多端口直流變壓器需要高壓大容量的多繞組高頻變壓器，在研制過(guò)程中對(duì)制造工藝提出了更高要求。此外，磁耦合型多端口直流變壓器在端口擴(kuò)展和容量提升等方面的靈活性也略顯不足。電耦合型多端口直流變壓器本質(zhì)上是多個(gè)兩端口直流變壓器的并聯(lián)，設(shè)計(jì)方便，擴(kuò)展靈活，但不具備電氣隔離，同時(shí)各并聯(lián)直流變壓器在容量、阻抗特性、工作模式和控制方式等方面需要進(jìn)行匹配和協(xié)調(diào)。

2.3 模塊化組合直流變壓器

受耐壓、容量、溫升等方面的限制，單功率器件或模塊難以直接應(yīng)用于直流電網(wǎng)高壓大功率場(chǎng)合中。模塊化組合的方式可以有效減小功率器件承受的電壓、電流應(yīng)力。目前常用的模塊化組合方式為輸入輸出串并聯(lián)和模塊化多電平結(jié)構(gòu)。

2.3.1 輸入輸出串并聯(lián)直流變壓器

文獻(xiàn)［28］采用改進(jìn)型半橋子模塊，以輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)ISOP（Input Series Output Parallel）的方式連接12 kV 中壓直流電網(wǎng)和400 V 低壓直流電網(wǎng)。文獻(xiàn)［29］采用DAB 模塊以輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)ISOS（Input Series Output Series）的方式，實(shí)現(xiàn)中高壓直流電網(wǎng)的互聯(lián)。文獻(xiàn)［30］提出了基于ISOP-DAB 結(jié)構(gòu)的直流變壓器拓?fù)?，如附錄中圖A7 所示，并詳細(xì)介紹了其工作模式、功率傳輸特性、能量管理策略、研制與設(shè)計(jì)方法，并指出各DAB 變換器單元在串聯(lián)端的電壓平衡與在并聯(lián)端的功率平衡等價(jià)。

為使得模塊化組合直流變壓器可以兼顧諧振變換器的高效特性和DAB 變換器的高可控特性，文獻(xiàn)［31］提出了一種混合型ISOP 直流變壓器拓?fù)?，子模塊包括CLLLC 型諧振變換器和DAB 變換器。在此拓?fù)渲?，直流變壓器的絕大部分功率由效率較高的CLLLC 型諧振變換器傳輸，DAB 變換器則通過(guò)傳輸較小部分功率實(shí)現(xiàn)對(duì)直流變壓器整體輸出功率的控制。

2.3.2 模塊化多電平直流變壓器

與采用輸入輸出串并聯(lián)方式連接的直流變壓器不同，基于模塊化多電平結(jié)構(gòu)的直流變壓器將直流電壓調(diào)制成階梯形交流電壓，可以有效減小功率器件承受的電壓應(yīng)力。文獻(xiàn)［32］提出了一種兩相模塊化多電平結(jié)構(gòu)的直流變壓器拓?fù)洌绺戒浿袌DA8所示，并對(duì)三角波、方波和正弦3 種高頻交流鏈電壓調(diào)制方式下的直流變壓器運(yùn)行特性進(jìn)行了分析。該拓?fù)涞墓β侍匦耘cDAB 變換器十分相似，DAB 變換器的相關(guān)控制策略在該拓?fù)渲芯哂休^強(qiáng)的移植性。

文獻(xiàn)［33］提出了一種三相模塊化多電平結(jié)構(gòu)的直流變壓器拓?fù)洌绺戒浿袌DA9所示。輸入側(cè)采用半橋或全橋子模塊級(jí)聯(lián)，輸出側(cè)采用子模塊和功率器件混聯(lián)，減少了器件數(shù)量，降低了制造成本。中間級(jí)采用350 Hz 交流變壓器，相比采用工頻50 Hz 變壓器具有更好的功率傳輸效果，同時(shí)也降低了直流變壓器體積，但相比于兩端口直流變壓器中所采用的高頻變壓器體積依然巨大。

模塊化組合直流變壓器除具備在高壓大功率場(chǎng)合下的運(yùn)行能力外，還具有較強(qiáng)的故障容錯(cuò)運(yùn)行能力，可有效提高直流電網(wǎng)的供電可靠性，是直流變壓器未來(lái)發(fā)展的重要方向。采用模塊化組合結(jié)構(gòu)的直流變壓器在運(yùn)行特性、控制策略等方面與兩端口直流變壓器有諸多相似，一定程度上降低了模塊化組合直流變壓器在研制與設(shè)計(jì)方面的難度，但由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所帶來(lái)的內(nèi)部環(huán)流、均壓和均功率等問(wèn)題也亟待解決。

3 直流變壓器控制策略

直流變壓器的控制策略總體可以分為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行控制策略和暫態(tài)運(yùn)行控制策略。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行控制策略主要針對(duì)直流變壓器運(yùn)行效率的提升，暫態(tài)運(yùn)行控制策略主要用于保障直流變壓器在多工況和多模式下的穩(wěn)定運(yùn)行，包括軟啟動(dòng)、直流偏置電流抑制、功率控制、功率解耦等策略。

3.1 效率優(yōu)化控制策略

針對(duì)直流變壓器效率優(yōu)化的研究主要集中在DAB變換器，多端口直流變壓器由于控制自由度多，進(jìn)行效率優(yōu)化存在較大難度，因此目前鮮有對(duì)多端口直流變壓器的效率優(yōu)化方面的研究。

在SPS 控制下，DAB 變換器只有1 個(gè)控制自由度，輸入側(cè)和輸出側(cè)H 橋功率單元中位于對(duì)角線(xiàn)的開(kāi)關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通，位于同一橋臂的開(kāi)關(guān)器件交替導(dǎo)通。SPS 控制易于實(shí)現(xiàn)，但無(wú)法對(duì)電感電流進(jìn)行控制。當(dāng)DAB 變換器工作在電壓不匹配狀態(tài)時(shí)，內(nèi)部存在較大回流功率，增大了變換器的電流應(yīng)力，降低了變換器的運(yùn)行效率。為提高DAB 變換器的控制靈活度，相關(guān)文獻(xiàn)提出了多重移相MPS（Multi Phase Shift）控制策略，在控制輸入、輸出側(cè)方波電壓之間移相角的基礎(chǔ)上，加入了對(duì)方波電壓占空比的控制，包括擴(kuò)展移相EPS（Extended Phase Shift）控制、雙重移相DPS（Dual Phase Shift）控制和三重移相TPS（Triple Phase Shift）控制。EPS控制通常對(duì)輸入側(cè)方波電壓進(jìn)行占空比控制，在此控制方式下，DAB 變換器包含2 個(gè)控制自由度；DPS 控制對(duì)輸入、輸出側(cè)方波電壓采用相同大小的占空比控制，因此也含有2 個(gè)控制自由度；TPS 控制對(duì)輸入、輸出側(cè)方波電壓采用不同的占空比控制，包含3 個(gè)控制自由度。SPS 和MPS 控制下，DAB 變換器輸出功率Po與移相角β之間的關(guān)系如圖7所示。圖中，以最大傳輸功率為功率基準(zhǔn)值，對(duì)Po進(jìn)行了標(biāo)幺化。從圖7 中可以看到，TPS控制下DAB 變換器的功率范圍最大，包含了其他3 種控制方式，因此也可以將SPS、EPS和DPS 控制看作是特殊形式的TPS 控制。而在SPS控制下，DAB變換器功率范圍最窄，僅為一條正弦曲線(xiàn)。由此也說(shuō)明，在輸出功率相同時(shí)，MPS控制相比于SPS 控制存在更多移相角組合，因而MPS 控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變換器運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)整和效率的優(yōu)化。

圖7 MPS控制下DAB變換器的功率范圍Fig.7 Power range of DAB converter under MPS control

為了對(duì)DAB變換器進(jìn)行精準(zhǔn)優(yōu)化，文獻(xiàn)［34-35］建立了DAB 變換器的損耗模型。DAB 變換器的損耗組成主要包括通態(tài)損耗、開(kāi)關(guān)損耗和變壓器損耗三部分。為了優(yōu)化上述三部分損耗，現(xiàn)有文獻(xiàn)選取了多種優(yōu)化目標(biāo)，主要包括回流功率、電流應(yīng)力、電流有效值、電流平均值、高頻模型下的無(wú)功功率等［36-39］。

文獻(xiàn)［40］提出了基于EPS控制的最優(yōu)電流應(yīng)力和全功率范圍軟開(kāi)關(guān)控制策略，并將輸出側(cè)電容電流和運(yùn)行效率平均值加入控制環(huán)路中，當(dāng)電路運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生突變時(shí)可以實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。文獻(xiàn)［41］從開(kāi)關(guān)組合規(guī)律出發(fā)，建立了全功率范圍下的DAB變換器功率傳輸模型，提出了針對(duì)TPS 控制的分段分析方法，實(shí)現(xiàn)了全功率范圍內(nèi)對(duì)DAB 變換器電流應(yīng)力的優(yōu)化。文獻(xiàn)［42］分析了TPS 控制下回流功率的傳輸特性，采用KKT（Karush-Kuhn-Tucker）算法對(duì)輸入、輸出側(cè)回流功率進(jìn)行了優(yōu)化。文獻(xiàn)［43］通過(guò)方波電源疊加建立了DAB 變換器的等效電路，求取了TPS 控制下全功率范圍內(nèi)的電流有效值表達(dá)式，提出了基于全局最優(yōu)化條件的DAB 變換器電流有效值優(yōu)化控制策略。文獻(xiàn)［44］對(duì)DAB 變換器的高頻鏈電壓和電流進(jìn)行了傅里葉分解，建立了DAB 變換器的高頻模型，采用粒子群優(yōu)化算法對(duì)高頻模型下DAB變換器的無(wú)功功率進(jìn)行了優(yōu)化。

DAB變換器效率優(yōu)化的研究工作已取得了豐富的成果，但也存在諸多問(wèn)題。在現(xiàn)有的研究中，對(duì)DAB 變換器的回流功率優(yōu)化通常只考慮輸入側(cè)，實(shí)際上在輸出側(cè)同樣也存在回流功率從負(fù)載側(cè)向輸入側(cè)流動(dòng)。完全消除回流功率也并非最優(yōu)策略，回流功率能使部分開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)ZVS（Zero Voltage Switching）。此外，對(duì)比電流有效值和回流功率的優(yōu)化研究可以發(fā)現(xiàn)，回流功率和電流有效值的最優(yōu)工作點(diǎn)并非在同一移相角組合下取得，不同優(yōu)化目標(biāo)在最優(yōu)工作點(diǎn)移相角組合選取上存在較大差異。雖然DAB 變換器在全功率范圍下的優(yōu)化控制策略難以統(tǒng)一，但在低功率段的優(yōu)化方式上相關(guān)文獻(xiàn)具有高度一致性。在低功率段，采用三角波電流控制策略，如圖8 所示，可以減小開(kāi)關(guān)器件電流應(yīng)力，并實(shí)現(xiàn)部分器件的ZCS。另一方面，在實(shí)際應(yīng)用中難以同時(shí)對(duì)通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)行優(yōu)化，因此根據(jù)DAB 變換器的工作場(chǎng)合選擇優(yōu)化目標(biāo)是實(shí)際應(yīng)用中的最優(yōu)方案。一般而言，在高壓大功率場(chǎng)合，功率器件開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)較低，通態(tài)損耗在總損耗中占比較大，因此優(yōu)先對(duì)通態(tài)損耗進(jìn)行優(yōu)化；在低壓小功率場(chǎng)合，功率器件運(yùn)行在較高開(kāi)關(guān)頻率，暫態(tài)損耗是總損耗中的主要部分，因此應(yīng)當(dāng)優(yōu)先實(shí)現(xiàn)器件的軟開(kāi)關(guān)。

圖8 三角波控制策略下DAB變換器方波電壓和電感電流Fig.8 Square wave voltage and inductor current of DAB converter under triangle wave control strategy

3.2 軟啟動(dòng)策略

直流變壓器尚未啟動(dòng)時(shí)，直流電容初始電壓為0，可視為短路狀態(tài)［45］。因此，直接啟動(dòng)會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成器件損壞，也可能觸發(fā)直流變壓器內(nèi)部保護(hù)裝置誤動(dòng)作，導(dǎo)致啟動(dòng)失敗。因此需要在變換器正常投入運(yùn)行前對(duì)直流電容進(jìn)行預(yù)充電，以減小啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流?，F(xiàn)有的直流變壓器軟啟動(dòng)策略主要包括基于外部輔助電路的軟啟動(dòng)策略［19，46］和基于直流變壓器自身控制的軟啟動(dòng)策略［45，47-51］。

基于外部輔助電路方面，文獻(xiàn)［19］在多電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)中增加了由啟動(dòng)電阻和直流斷路器組成的預(yù)充電電路，提出了電流閉環(huán)和電壓閉環(huán)切換的預(yù)充電控制策略，該方法具備較好的動(dòng)態(tài)特性，但直流斷路器和啟動(dòng)電阻的使用增加了裝置的體積和成本。文獻(xiàn)［46］提出了一種針對(duì)隔離型Boost 全橋變換器的軟啟動(dòng)策略，為輸入電感增加了類(lèi)似反激式繞組的輔助電路，如附錄中圖A10 所示。在啟動(dòng)時(shí)輔助電路向電感提供能量泄放通路，避免了沖擊電流的產(chǎn)生。但該方法只適用于特定拓?fù)?，在直流變壓器常用拓?fù)渲须y以推廣應(yīng)用。

基于直流變壓器自身控制方面，文獻(xiàn)［45］提出了一種采用兩段式充電的軟啟動(dòng)方法：第一階段中將輸出側(cè)功率器件閉鎖，輸出電容由反并聯(lián)二極管充電；第二階段中加入移相控制，調(diào)整輸出電壓至額定值。但該方法在控制模式切換時(shí)會(huì)導(dǎo)致輸出電壓發(fā)生跌落或振蕩。為此文獻(xiàn)［47］提出了改進(jìn)的兩段式軟啟動(dòng)方法，在切換為移相控制時(shí)，結(jié)合變換器運(yùn)行狀態(tài)給定移相角初始值，有效減小了切換過(guò)程中的電壓跌落，啟動(dòng)電壓波形如附錄中圖A11 所示。文獻(xiàn)［48］提出了一種包括恒流充電、SPS 控制和輸出電壓閉環(huán)控制的三段式軟啟動(dòng)策略，分析了啟動(dòng)過(guò)程中移相角、電壓比等參數(shù)與充電電流應(yīng)力之間的關(guān)系，并考慮了啟動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的直流偏置分量對(duì)變壓器的影響。文獻(xiàn)［49］分析了DAB 變換器啟動(dòng)過(guò)程中沖擊電流產(chǎn)生的原因，提出了SPS 和TPS控制下的軟啟動(dòng)方法，在啟動(dòng)的第一個(gè)1/4開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，閉鎖系統(tǒng)輸出脈沖，可以降低啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流。文獻(xiàn)［50］分析了不同啟動(dòng)時(shí)刻對(duì)DAB 變換器啟動(dòng)過(guò)程中電流應(yīng)力的影響，在輸入、輸出側(cè)方波電壓占空比逐漸增大的基礎(chǔ)上，保持輸入、輸出側(cè)方波電壓始終處于交錯(cuò)位置，確保電感電流前后半個(gè)周期內(nèi)在不同方向上的增量相同，避免了沖擊電流和直流偏置分量的產(chǎn)生。

現(xiàn)有文獻(xiàn)中提出的軟啟動(dòng)策略大多用于實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)，并未充分考慮直流變壓器在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的具體工況。在實(shí)際工程中，直流變壓器高、低壓側(cè)二次供電系統(tǒng)通常是各自獨(dú)立地從高、低壓側(cè)直流電容取電［52］，上述取能方式對(duì)于直流變壓器的啟動(dòng)邏輯制定具有重大影響，在后續(xù)的研究中應(yīng)當(dāng)充分考慮。

3.3 直流偏置電流抑制策略

直流變壓器在啟動(dòng)、負(fù)載投切等暫態(tài)過(guò)程中，電感電流中會(huì)出現(xiàn)直流偏置分量，具體原因是由于暫態(tài)過(guò)程中電感兩端電壓伏秒積不為0，導(dǎo)致電感伏秒平衡被破壞，從而在電感電流中產(chǎn)生了直流偏置分量。直流偏置分量增加了開(kāi)關(guān)器件的電流應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)還將導(dǎo)致變壓器磁飽和，影響了直流變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行。消除直流偏置分量的方式可以分為硬件消除和軟件消除。硬件消除方法通常在直流變壓器內(nèi)部加入隔直電容，但隔直電容降低了直流變壓器的功率密度，也改變了直流變壓器的運(yùn)行特性。因此，現(xiàn)有文獻(xiàn)中通常采用軟件消除方式對(duì)直流偏置分量進(jìn)行消除。

采用軟件消除方式消除直流偏置分量可以分為電路分析方式［53-58］和磁路分析方式［59-61］。電路分析方式通過(guò)保持電感電壓伏秒平衡來(lái)抑制直流偏置分量產(chǎn)生，磁路分析方式則通過(guò)保持變壓器磁平衡來(lái)抑制直流偏置分量產(chǎn)生。

在電路分析方面，文獻(xiàn)［53］詳細(xì)分析了移相控制下DAB 變換器直流偏置分量產(chǎn)生的原理，并提出了適用于各類(lèi)MPS 控制的直流偏置分量抑制策略，如附錄中圖A12所示。但該方法需要實(shí)時(shí)記錄暫態(tài)過(guò)程前的移相角，具體實(shí)現(xiàn)有一定難度。文獻(xiàn)［54］建立了DAB 變換器輸入、輸出側(cè)直流偏置分量的交直流等效模型，提出了一種基于硬件電路的直流偏置分量檢測(cè)方法。文獻(xiàn)［55］提出了一種基于不對(duì)稱(chēng)占空比控制和電流預(yù)測(cè)的直流偏置分量抑制策略，其控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅需1 個(gè)電壓比例-積分（PI）環(huán)節(jié)，但需要準(zhǔn)確采集電感高頻鏈電流峰值。文獻(xiàn)［56］建立了考慮勵(lì)磁電感參數(shù)的DAB 變換器小信號(hào)模型，分析了高頻變壓器原、副邊高頻電流直流分量的耦合機(jī)理，提出了基于直流共模差模分量的直流偏磁抑制方法。

在磁路分析方面，文獻(xiàn)［59］提出了一種基于主磁芯和輔助磁芯之間磁路共享的磁通量檢測(cè)方法，并通過(guò)該方法對(duì)變壓器直流磁化分量進(jìn)行補(bǔ)償，檢測(cè)方法的等效電路如附錄中圖A13所示。文獻(xiàn)［60］從磁路平衡角度出發(fā)，在閉環(huán)磁通平衡控制中引入偏差預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)，提出了一種抑制穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)直流偏置分量的磁通平衡控制方法。

目前，針對(duì)直流偏置分量抑制策略的研究主要集中在兩端口直流變壓器，對(duì)于多端口直流變壓器暫態(tài)過(guò)程中直流偏置分量抑制的研究較少［62］。多端口直流變壓器內(nèi)部電磁能量交互相比兩端口直流變壓器更加復(fù)雜，端口間的相互影響也更為顯著。此外，多端口直流變壓器控制變量增多，增加了暫態(tài)過(guò)程中直流偏置分量的求解難度。開(kāi)展多端口直流變壓器的直流偏置分量抑制策略研究，有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)多端口直流變壓器的暫態(tài)運(yùn)行特性，保障復(fù)雜工況下多端口直流變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4 功率控制策略

分布式能源的接入使得直流電網(wǎng)內(nèi)潮流方向具有多向性，負(fù)載投切、線(xiàn)路故障等因素引起的直流母線(xiàn)電壓波動(dòng)，使得直流變壓器的功率控制策略更加復(fù)雜。保持多工況下直流母線(xiàn)潮流合理的分配與轉(zhuǎn)移以及維持直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定，是直流變壓器功率控制的核心目標(biāo)。現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，對(duì)兩端口直流變壓器功率控制策略的研究主要集中在負(fù)載投切、輸入電壓脈動(dòng)等工況下保持輸出端口電壓穩(wěn)定［63-69］；對(duì)多端口直流變壓器功率控制策略的研究主要集中在考慮分布式能源接入后的端口能量管理［70-76］。

針對(duì)兩端口直流變壓器，文獻(xiàn)［63］提出了一種DAB 變換器的直接功率控制方法，利用電壓外環(huán)PI控制器校正參數(shù)偏差，避免了硬件參數(shù)誤差對(duì)控制精度產(chǎn)生的影響，同時(shí)將輸入、輸出電壓加入控制環(huán)路中，提高了DAB 變換器在輸入電壓脈動(dòng)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。文獻(xiàn)［64］在直接功率控制的基礎(chǔ)上，提出了基于負(fù)載電流前饋的DAB 變換器功率控制方法，如附錄中圖A14 所示。通過(guò)將負(fù)載電流加入移相占空比的求取環(huán)節(jié)中，可以在負(fù)載突變時(shí)維持輸出電壓基本不變。文獻(xiàn)［65］建立了DAB 變換器輸出電壓離散模型，提出了一種基于模型前饋的電流應(yīng)力優(yōu)化方法，在提升變換器運(yùn)行效率的同時(shí)，提高了變換器對(duì)負(fù)載突變和輸入電壓突變的響應(yīng)能力。文獻(xiàn)［66］建立了基于開(kāi)關(guān)信號(hào)函數(shù)的DAB 變換器線(xiàn)性動(dòng)態(tài)模型，可以準(zhǔn)確表征DAB 變換器對(duì)參考電壓和負(fù)載電流變化的瞬態(tài)響應(yīng)，并提出了基于負(fù)載電流前饋和死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償?shù)腄AB 變換器功率控制策略。文獻(xiàn)［67］提出了一種電流模式調(diào)制下DAB轉(zhuǎn)換器的負(fù)載前饋控制策略，并建立了線(xiàn)性和非線(xiàn)性前饋控制模型。

針對(duì)多端口直流變壓器，文獻(xiàn)［70］提出了應(yīng)用于風(fēng)能／光伏混合發(fā)電系統(tǒng)的多端口直流變壓器功率管理策略。文獻(xiàn)［71］構(gòu)建了基于三端口直流變壓器的智能住宅微電網(wǎng)系統(tǒng)，提出了基于模糊控制的能量管理單元，根據(jù)實(shí)時(shí)和長(zhǎng)期預(yù)測(cè)的能量產(chǎn)生和消耗數(shù)據(jù)選擇合理運(yùn)行模式。文獻(xiàn)［72］提出了電動(dòng)汽車(chē)站中多電源和多負(fù)載之間的功率切換和功率流動(dòng)策略，可以同時(shí)對(duì)多個(gè)具有不同電壓和功率等級(jí)的電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電。文獻(xiàn)［73］研究了連接燃料電池、超級(jí)電容和電網(wǎng)的三端口直流變壓器并／離網(wǎng)運(yùn)行策略。文獻(xiàn)［74］利用電壓下垂和移相控制實(shí)現(xiàn)了多電飛機(jī)中多電源之間的能量交互。文獻(xiàn)［75］提出了一種基于電壓下垂的直流微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能控制策略，通過(guò)直流母線(xiàn)電壓、超級(jí)電容電壓及蓄電池荷電狀態(tài)自動(dòng)切換工作模式。單一的下垂控制在對(duì)直流微電網(wǎng)間能量交換的協(xié)調(diào)控制上具有較大局限性，容易受到敏感負(fù)荷、電壓跌落、線(xiàn)路參數(shù)等因素的影響，為此文獻(xiàn)［76］提出了基于標(biāo)幺化下垂移相的三端口直流變壓器功率協(xié)調(diào)控制策略，如附錄中圖A15 所示。將單母線(xiàn)直流微電網(wǎng)的電壓-有功功率下垂特性標(biāo)幺化，得到不同電壓等級(jí)直流微電網(wǎng)間需交互的能量，實(shí)現(xiàn)在正常、不正常和功率故障等多種運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)直流電網(wǎng)的功率支撐。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)直流變壓器在多工況下的功率控制策略研究取得了豐富的成果，但對(duì)直流變壓器運(yùn)行工況的全面梳理還有待完善，對(duì)不同運(yùn)行工況下直流變壓器的端口能量交互機(jī)理、多運(yùn)行模式間直流變壓器的無(wú)縫切換控制策略等關(guān)鍵問(wèn)題的研究也有待進(jìn)一步深入。

3.5 解耦控制策略

對(duì)于電耦合型多端口直流變壓器，通常采用主從控制策略，端口間一般不存在耦合功率。對(duì)于磁耦合型多端口直流變壓器，受移相控制策略影響，方波電壓存在移相角的端口之間均有功率流動(dòng)，因此同為輸入或輸出端口之間存在耦合功率，圖9 給出了單輸入雙輸出模式下TAB 變換器的等效電路圖。圖中，端口1 為輸入端口；端口2、3 為輸出端口；v0為三繞組變壓器中性點(diǎn)電壓；Pij為端口i、j之間的等效傳輸功率（i，j=1，2，3 且i≠j）；Pi為端口i的輸入或輸出功率；Lij為端口i、j之間的等效電感；L1為端口1輔助電感；L′2、L′3分別為端口2、3 輔助電感折算至端口1 的等效電感；vH1為端口1 橋臂中點(diǎn)輸出電壓；v′H2、v′H3分別為端口2、3 橋臂中點(diǎn)輸出電壓折算至端口1的等效電壓。從圖9（a）中可以看到，由于等效電感L23支路的存在，輸出端口2、3 之間存在耦合功率。耦合功率的存在加劇了端口間的相互影響，在某一端口出現(xiàn)電壓或功率波動(dòng)時(shí)，將導(dǎo)致耦合端口也發(fā)生波動(dòng)，嚴(yán)重影響了直流變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)此，現(xiàn)有的解耦策略主要包括軟件解耦和硬件解耦。

圖9 TAB變換器的等效電路Fig.9 Equivalent circuit of TAB converter

常用的軟件解耦策略包括前饋解耦、逆矩陣解耦和單位矩陣解耦等策略。文獻(xiàn)［77］建立了SPS 控制策略下的TAB 變換器小信號(hào)模型，提出了基于逆矩陣的解耦策略。文獻(xiàn)［78］提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的解耦矩陣在線(xiàn)計(jì)算方法，可以降低解耦算法復(fù)雜度，但該方法只適用于固定參數(shù)，靈活度不高。為避免前饋解耦策略中產(chǎn)生的電流諧振尖峰，文獻(xiàn)［79］在控制環(huán)路中增加了虛擬電阻，消除了解耦控制策略中的電流諧振，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。文獻(xiàn)［80］提出了一種針對(duì)TAB 變換器的模型預(yù)測(cè)控制策略，在不借助解耦矩陣的情況下達(dá)到了功率解耦的效果。

在硬件解耦策略方面，文獻(xiàn)［81］提出了基于半橋諧振網(wǎng)絡(luò)的硬件解耦策略，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和等效電路如附錄中圖A16所示。在變壓器和輔助電感之間串入電容構(gòu)成諧振網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)串聯(lián)電感和電容發(fā)生諧振時(shí)，諧振端口等效電抗趨近于0，諧振端口方波電源直接連接至多繞組變壓器中性點(diǎn)v0，使得相互耦合的3條支路變?yōu)?條獨(dú)立支路，達(dá)到了功率解耦的效果。文獻(xiàn)［82］提出了一種LCLC 型多諧振三端口雙向直流變換器拓?fù)洌⒘诵铍姵囟丝诤统?jí)電容端口之間的功率耦合模型，并提出了基于硬件參數(shù)和開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)頻率選型的減小功率耦合的方法。

硬件解耦策略解耦精度高，控制也較為簡(jiǎn)便，但由于增加了解耦網(wǎng)絡(luò)，改變了直流變壓器的功率傳輸特性和工作模式。軟件解耦策略需要準(zhǔn)確獲取直流變壓器硬件參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，而在實(shí)際工況中，部分硬件參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)會(huì)隨直流變壓器工作狀態(tài)的改變而改變，難以準(zhǔn)確獲取。因此，如何準(zhǔn)確獲取解耦矩陣是提高軟件解耦策略的解耦精度需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

4 高頻變壓器

高頻變壓器是直流變壓器的重要組成部分，對(duì)直流變壓器的運(yùn)行特性有著直接影響。高頻變壓器可用于直流變壓器中高頻鏈電壓幅值的升降，有助于實(shí)現(xiàn)高增益的直流電能變換；高頻變壓器的漏感直接影響了DAB 變換器的最大傳輸功率；高頻變壓器的勵(lì)磁電感和諧振單元參數(shù)匹配，才能實(shí)現(xiàn)諧振變換器寬工作范圍內(nèi)的軟開(kāi)關(guān)。相比于傳統(tǒng)工頻變壓器，高頻變壓器在體積、重量等方面也具有明顯優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提高了直流變壓器的功率密度。此外，高頻變壓器還提供了良好的電氣隔離特性，有效防止了故障擴(kuò)散?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)對(duì)高頻變壓器的設(shè)計(jì)理論與研制方法開(kāi)展了豐富的研究，本節(jié)對(duì)高頻變壓器的磁芯材料、繞組結(jié)構(gòu)、絕緣和散熱等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了討論。

4.1 磁芯材料

高頻變壓器的磁芯材料通常具有高磁飽和密度和高磁導(dǎo)率。較高的磁飽和密度可以減小高頻變壓器體積，較高的磁導(dǎo)率可以降低磁芯損耗［83］。此外，高頻變壓器磁芯選型時(shí)重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)還包括居里溫度、電阻率、磁致伸縮系數(shù)、單位損耗等。高頻變壓器常用的磁芯材料主要包括硅鋼片、鐵氧體、非晶合金和納米晶等。

硅鋼片是一種含碳量極低的硅鐵軟磁合金，具有較高的磁導(dǎo)率和磁通密度，但隨著工作頻率的增加，硅鋼片磁芯損耗將大幅提升，因此硅鋼片通常應(yīng)用于低頻工作場(chǎng)合。鐵氧體高頻損耗相比硅鋼片較低，但其磁飽和密度低，一般為硅鋼片的1/3 左右。因此，同樣的設(shè)計(jì)指標(biāo)下，采用鐵氧體的高頻變壓器體積相比采用硅鋼片的高頻變壓器較大。常用的非晶合金種類(lèi)包括鐵基、鐵鎳基、鈷基、超微晶合金等［84］，非晶合金具有較高的磁導(dǎo)率和磁飽和密度，損耗相比硅鋼片可以減小60%～70%，廣泛用于配電變壓器、大功率開(kāi)關(guān)電源等場(chǎng)合，但非晶合金磁致伸縮效應(yīng)明顯，導(dǎo)致高頻變壓器振動(dòng)和噪聲較大［85］。納米晶相比其他幾種磁芯材料具有出色的綜合性能，不但具有較高的磁飽和密度和磁導(dǎo)率，還具備較低的損耗，但其制作成本較高，因此使用范圍受限。文獻(xiàn)［86］研制了2 臺(tái)具有相同容量、分別采用硅鋼片和納米晶作為磁芯材料的高頻變壓器，采用納米晶作為磁芯材料的高頻變壓器的體積和重量減小超過(guò)85%。

表1 給出了3 種磁芯材料的主要參數(shù)［87］，表2 對(duì)比了主要磁芯材料的性能并給出了不同磁芯材料的適用場(chǎng)合［83-85］。從表1和表2中可以看到，各種磁芯材料參數(shù)存在較大差異，難以同時(shí)兼顧損耗小、成本低、功率密度高等特性。在磁芯材料選型時(shí)，除對(duì)比不同磁芯材料主要參數(shù)外，還應(yīng)當(dāng)充分結(jié)合高頻變壓器實(shí)際工作場(chǎng)合及直流變壓器運(yùn)行特性，從而確定最優(yōu)磁芯材料選型。

表1 3種磁芯材料參數(shù)［87］Table 1 Parameters of three core materials［87］

表2 主要磁芯材料性能比較［83-85］Table 2 Comparison of material characteristics of main magnetic cores［83-85］

4.2 繞組結(jié)構(gòu)

高頻變壓器常采用銅箔、圓導(dǎo)體及利茲線(xiàn)作為繞組材料。在高頻下受導(dǎo)體自身的集膚效應(yīng)及相鄰導(dǎo)體的鄰近效應(yīng)影響，高頻變壓器繞組導(dǎo)體中電流密度分布不均勻，繞組損耗加劇。為降低繞組損耗，一般采用利茲線(xiàn)以螺線(xiàn)管的形式纏繞在磁芯上［88］。

高頻變壓器常見(jiàn)的繞組結(jié)構(gòu)有無(wú)交叉式、三明治式和交叉換位式3 種，如附錄中圖A17 所示。無(wú)交叉式結(jié)構(gòu)中原、副邊繞組完全分開(kāi)繞制，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，但會(huì)引起很大的漏感，并導(dǎo)致鄰近效應(yīng)增強(qiáng)，變壓器銅損較大；三明治式結(jié)構(gòu)中原、副邊繞組隔層交叉繞制，工藝較為復(fù)雜，漏感和鄰近效應(yīng)相較無(wú)交叉式結(jié)構(gòu)較小，相應(yīng)地變壓器銅損也降低；交叉換位式結(jié)構(gòu)中原、副邊繞組每層交叉繞制，工藝最為復(fù)雜，但漏感和鄰近效應(yīng)得到了進(jìn)一步降低。此外，采用交叉換位式結(jié)構(gòu)的高頻變壓器故障率低，可靠性和效率均得到了提高［89］。

繞組損耗實(shí)質(zhì)是高頻變壓器繞組導(dǎo)體的歐姆損耗［90］，其損耗特性隨工作頻率的變化而變化。高頻運(yùn)行時(shí)，繞組內(nèi)存在較大交流損耗。對(duì)于工頻變壓器，由于繞組的交流電阻與直流電阻幾乎相等，可以將直流電阻近似等效為工作電阻。對(duì)于高頻變壓器，高頻效應(yīng)增加了繞組的交流電阻，且遠(yuǎn)大于直流電阻［85］，因此高頻變壓器繞組的損耗計(jì)算中需重點(diǎn)考慮高頻交流損耗。此外，高頻變壓器的繞組結(jié)構(gòu)會(huì)影響其窗口內(nèi)磁場(chǎng)分布，進(jìn)而影響繞組內(nèi)渦流場(chǎng)分布，使繞組損耗分析更為復(fù)雜［91］。目前，繞組損耗的計(jì)算方法主要有：用于計(jì)算銅箔繞組交流電阻的Dowell模型［92］；在Dowell模型的基礎(chǔ)上，考慮集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，用于計(jì)算圓導(dǎo)體交流電阻的Ferreira 模型［93］；用于計(jì)算利茲線(xiàn)繞組損耗的Bartoli和Tourkhani模型等［94-95］。

4.3 絕緣和散熱

相比工頻變壓器，高頻變壓器大幅降低了體積，提高了功率密度，但減小了絕緣距離和散熱面積。高頻高壓場(chǎng)合下的復(fù)雜工況，如高頻脈沖、混合頻率應(yīng)力等，加速了絕緣材料的老化，增加了絕緣擊穿的風(fēng)險(xiǎn)［83，96-97］。此外，高頻變壓器多為干式變壓器，對(duì)緊湊型設(shè)計(jì)的要求高，導(dǎo)致其絕緣和散熱的設(shè)計(jì)相比傳統(tǒng)變壓器難度更大。

高頻變壓器的絕緣設(shè)計(jì)主要包括主絕緣設(shè)計(jì)和繞組間絕緣設(shè)計(jì)［85］。常用的主絕緣方式包括環(huán)氧樹(shù)脂澆注和油浸式。環(huán)氧樹(shù)脂澆注的絕緣性能好，但熱導(dǎo)率低。油浸式的散熱性能佳，但高頻下鐵芯振動(dòng)產(chǎn)生的碎屑會(huì)進(jìn)入變壓器油中，導(dǎo)致絕緣失效［84］。繞組間絕緣則通常采用漆包線(xiàn)漆或絕緣紙分隔繞組導(dǎo)線(xiàn)［83］。

高頻變壓器的散熱方式主要有自然對(duì)流、強(qiáng)迫風(fēng)冷、水冷、油冷等。自然對(duì)流是高頻變壓器最理想的散熱形式，但需要足夠大的空間，不利于裝備的緊湊型設(shè)計(jì)。水冷與油冷可以較好地滿(mǎn)足高頻變壓器的散熱需求，但增大了變壓器的重量，也增加了絕緣設(shè)計(jì)的難度。強(qiáng)迫風(fēng)冷具有較好的綜合性能，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式的變壓器輸出容量可提高50%［83］。

高頻變壓器能提高直流變壓器功率密度和傳輸效率，但由于長(zhǎng)期工作在高壓高頻和大功率場(chǎng)合下，其設(shè)計(jì)存在諸多難題。除磁芯損耗、繞組損耗、絕緣和散熱設(shè)計(jì)外，隨著工作頻率的提高，高頻變壓器分布參數(shù)對(duì)自身和電力電子器件產(chǎn)生的影響也顯著增加。在高頻變壓器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合直流變壓器的實(shí)際運(yùn)行工況和功率傳輸特性，開(kāi)展對(duì)磁芯材料、繞組結(jié)構(gòu)、絕緣和散熱等設(shè)計(jì)指標(biāo)的多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化，兼顧高效能量傳輸和可靠運(yùn)行。

5 總結(jié)與展望

直流變壓器是具有直流電壓變換與直流電能分配能力的高效電力電子裝備，是直流電網(wǎng)發(fā)展與建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)。本文針對(duì)中低壓直流變壓器的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)和分析，主要包括直流變壓器的基本功能和運(yùn)行場(chǎng)景、直流變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略、高頻變壓器的關(guān)鍵技術(shù)等。近年來(lái)，直流變壓器的發(fā)展已經(jīng)頗具規(guī)模，在理論工作研究和工程樣機(jī)研制等方面都取得了重大突破。對(duì)于未來(lái)直流變壓器的研究，筆者有以下展望。

（1）面向全局的直流變壓器運(yùn)行效率提升方法?，F(xiàn)有的研究針對(duì)直流變壓器的運(yùn)行效率取得了豐富的研究成果，但對(duì)直流變壓器的效率優(yōu)化方法尚未取得統(tǒng)一的結(jié)論，對(duì)直流變壓器內(nèi)部環(huán)流、無(wú)功功率等物理量也無(wú)精準(zhǔn)闡釋。在后續(xù)的研究工作中，可以重點(diǎn)開(kāi)展直流變壓器內(nèi)部電磁能量交互機(jī)理分析，構(gòu)建直流變壓器完備精確的損耗模型，發(fā)掘影響直流變壓器運(yùn)行效率的核心因素，從而提出面向全局的直流變壓器運(yùn)行效率優(yōu)化理論和方法。

（2）多工況下直流變壓器瞬態(tài)能量平衡控制方法。在實(shí)際運(yùn)行中，直流變壓器面臨分布式能源波動(dòng)、負(fù)荷隨機(jī)投切、電網(wǎng)異常擾動(dòng)、運(yùn)行方式改變等復(fù)雜工況，導(dǎo)致直流變壓器端口間能量交互頻繁，對(duì)直流母線(xiàn)電壓和直流電網(wǎng)內(nèi)的潮流分配與轉(zhuǎn)移造成了嚴(yán)重影響。建立多時(shí)間尺度下直流變壓器瞬態(tài)能量交互模型，探索多工況下直流變壓器瞬態(tài)能量流動(dòng)平衡機(jī)理，實(shí)現(xiàn)直流變壓器在多運(yùn)行模式間的無(wú)縫切換，確保直流電網(wǎng)內(nèi)能量的平穩(wěn)流動(dòng)，是未來(lái)直流變壓器多工況運(yùn)行研究中值得關(guān)注的方向。

（3）直流變壓器容錯(cuò)技術(shù)研究。直流電網(wǎng)短路、斷線(xiàn)等故障引起的直流母線(xiàn)電壓突變，對(duì)直流變壓器的運(yùn)行與控制造成嚴(yán)重影響，直流變壓器自身功率器件、高頻變壓器等硬件設(shè)備故障也將危及直流電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。目前，針對(duì)直流變壓器外部故障的研究集中在含直流變壓器的直流電網(wǎng)極間、極地短路故障的識(shí)別和定位，針對(duì)直流變壓器本體故障的研究集中在功率器件開(kāi)路故障下直流變壓器的容錯(cuò)運(yùn)行策略，對(duì)直流變壓器穩(wěn)定運(yùn)行影響最為嚴(yán)重的短路故障鮮有研究。為保障直流變壓器在劇烈電壓擾動(dòng)及自身局部故障等極端工況下的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)直流電網(wǎng)的高可靠供電，需對(duì)直流變壓器的故障容錯(cuò)技術(shù)開(kāi)展深入研究，包括直流變壓器故障態(tài)下的運(yùn)行機(jī)理分析、運(yùn)行邊界刻畫(huà)和容錯(cuò)運(yùn)行策略研究等。

（4）高壓大功率高頻變壓器的設(shè)計(jì)和制造。高壓大功率的工作場(chǎng)合增加了高頻變壓器絕緣材料擊穿的風(fēng)險(xiǎn)；體積的大幅減小，使得高頻變壓器散熱面積減小，導(dǎo)致高頻變壓器的散熱問(wèn)題突出；工作頻率的提高，使得變壓器分布參數(shù)對(duì)功率器件和直流變壓器運(yùn)行特性產(chǎn)生的影響顯著增強(qiáng)，給高頻變壓器的設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在未來(lái)的研究中，刻畫(huà)高壓高頻場(chǎng)合下磁芯繞組損耗分布特性，剖析高頻高溫等惡劣工況下絕緣材料的老化機(jī)理，開(kāi)展高頻變壓器散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)與綜合熱管理，探索寄生參數(shù)高精度量測(cè)方法，完善高壓大功率場(chǎng)合下高頻變壓器的設(shè)計(jì)理論和制造方法，對(duì)提高高頻變壓器的運(yùn)行效率和功率密度、保障直流變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

（5）新型功率器件在直流變壓器中的應(yīng)用。直流變壓器是高度電力電子化的電能變換裝備，功率器件的發(fā)展水平直接影響了直流變壓器的運(yùn)行效率、功率密度、可靠性和應(yīng)用場(chǎng)合。新型功率器件包括以碳化硅SiC（Silicon Carbide）功率器件為代表的寬禁帶半導(dǎo)體功率器件，也包括近年來(lái)得到廣泛關(guān)注的混合功率器件。相比于硅基功率器件，SiC功率器件在開(kāi)關(guān)速度、耐壓等級(jí)和導(dǎo)通損耗等方面有明顯優(yōu)勢(shì)。但現(xiàn)階段SiC 功率器件還不能完全代替硅基器件，一方面目前尚無(wú)商用的高壓SiC 功率器件，另一方面，高開(kāi)關(guān)頻率下的串?dāng)_電壓、短路耐受時(shí)間短等因素降低了SiC 功率器件的可靠性，制約了SiC功率器件在高壓大功率場(chǎng)合下的應(yīng)用。對(duì)于混合功率器件，其通常將優(yōu)劣互補(bǔ)的2 種功率器件進(jìn)行組合，充分發(fā)揮2 種功率器件的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)各自不足，具有“1+1>2”的效果。混合功率器件應(yīng)用的關(guān)鍵在于與電力電子裝備的實(shí)際運(yùn)行特性相結(jié)合，但目前在混合功率器件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面還未形成成熟的體系，是未來(lái)研究中值得重點(diǎn)關(guān)注的方向。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.epae.cn）。