T型三电平DC-DC变换器PWM脉冲调制方式

张 亮 水恒华 安薇薇 陈国栋奚玲玲吉小鹏

（1.南京工程学院江苏配电网智能技术与装备协同创新中心 南京 211167 2.清华大学人工智能国家重点实验室 北京 100083 3.上海电气输配电集团技术中心 上海 200042 4.南京四方亿能电力自动化有限公司 南京 211100）

1 引言

大量分布式可再生能源的接入，推动了直流网以及交直流混合配电技术的发展，大功率高效型DC-DC变换器作为电能传输与汇聚的关键部件，获得了较为广泛的关注[1-4]。目前，DC-DC变换器主要分为两大类：①非隔离型DC-DC变换器，如Buck、Boost等电路；②隔离型DC-DC变换器，如双边有源全桥电路（Dual Active Bridge，DAB）[5]、单边有源全桥变换器（Sigle Active Bridge，SAB）[6]、串联谐振变换器（LC）[7]、串并联谐振变换器（LLC）[8]、以及二极管钳位型（Neutral Point Clamped，NPC）三电平DC-DC变换器[9]。隔离型DC-DC变换器相比于非隔离型 DC-DC变换器，在拓扑结构中加入了一个中频变压器，具有以下优势：它能够实现配电电压级的电气隔离，使得系统具有更高的可靠性；同时，若整流逆变侧均采用全控型开关器件，能够实现能量的双向流动，从而适用于能量储能环节。此外，隔离型 DC-DC变换器更适用于高压大容量的场合，它能够有效提高系统稳定性，对海上直流网、陆上分布式能源的汇聚具有重要的作用。

目前，隔离型 DC-DC变换器电路拓扑主要以两电平为主[10]，即 SAB、DAB、LC、LLC结构，三电平结构研究的相对较少，且以NPC结构为主。两电平结构中，由于逆变侧输出电平数少，电压波形畸变严重，会注入大量谐波到中频变压器，增加损耗，甚至引起饱和。NPC型三电平结构中开关器件数量增加，且存在中点电压平衡问题需要解决。本文提出一种基于T型三电平（Three-Level T-Type Converter，3LT2C）结构[11]的新型DC-DC变换器，它减少了每一桥臂的开关器件数量，降低了功率损耗，因而更加紧凑高效。论文研究了 T型三电平DC-DC变换器的主电路结构与工作原理，在详细分析开关状态的基础上，提出一种脉冲平衡控制策略，实现了一个周期内的中点电压自平衡，从而达到系统输出电压的稳定控制。

2 T型三电平 DC-DC变换器拓扑结构及工作原理

图1所示为单相全桥T型三电平DC-DC变换器主电路拓扑。

图1 T型三电平DC-DC变换器拓扑结构Fig.1 Topology of T-type three level DC-DC converter

其每一桥臂中由四个全控型功率开关器件组成，呈 T字形结构，VT2、VT3（VT6、VT7）组成双向开关，VT1（VT5）是高压开关，VT4（VT8）是低压开关，C1、C2是直流中点钳位电容。Vdc是变换器低压侧输入的直流电压，Vout是变换器高压侧输出的直流电压，Vl是中频变压器低压侧交流电压，Vh是中频变压器高压侧输出电压，C3是直流侧输出电容。

对于每相T型桥臂当开关VT1、VT2（VT5、VT6）开通时，桥臂输出电压为 Vdc/2；当开关 VT2、VT3（VT5、VT7）开通时，桥臂输出电压为零；当开关VT3、VT4（VT7、VT8）开通时，桥臂输出电压为-Vdc/2。因此，每一桥臂可输出Vdc/2、0、-Vdc/2三种电平，而对于单相全桥结构，其a、b两点间输出电压可有五种电平，即 Vdc、Vdc/2、0、-Vdc/2、-Vdc。逆变侧输出交流电压Vl通过变比为1:n的中频变压器升压，变压器二次输出电压经不可控整流桥整流后输出，从而实现低压直流到高压直流的高效变换。

3 T型三电平DC-DC变换器PWM调制方式

T型三电平 DC-DC全桥变换器的八个功率开关管，其驱动脉冲两两互补，即VT1和VT3脉冲互补，VT2和 VT4脉冲互补，VT5和 VT7脉冲互补，VT6和VT8脉冲互补。表1给出了单相T型三电平变换器的九组工作脉冲矢量，不难发现影响直流电压平衡的中间电平Vdc/2和-Vdc/2，各有两种矢量能够实现，即矢量2和矢量6、矢量4和矢量8，但矢量组合方式的不同对直流电压的影响不同。矢量2和矢量6互为冗余矢量，矢量4和矢量8互为冗余矢量，因此，对于采用固定占空比调制的中频输出系统，为了保证变换器输出电压波形畸变率更小，在一个周期内中间电平的矢量在相位上共有四种组合方式，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°。而四种中矢量的相位关系可分为两种，即中点电压自平衡的矢量相位关系和中点电压不平衡的矢量相位关系。图2给出一种中点电压不平衡中矢量相位关系。其中，Ts为开关周期，D0为每个桥臂中单个开关导通的占空比，Dc是3LT2C输出高电平时间的占空比。由图2中电容C1中电流iC1和电容C2中电流iC2的波形可以看到：在一个周期中电容 C1的充电量要大于电容 C2的充电量，周而复始，必会引起中点电压偏移，造成输出电压波形的严重畸变，严重情况下，会导致3LT2C无法正常工作。图3所示为中点电压自平衡矢量相位关系。

表1 单相T型三电平变换器输出电压矢量Tab.1 Output vector of T-type three level DC-DC converter

图2 中点电压不平衡下3LT2 C输出电压及电容电流波形Fig.2 Voltage output and DC capacitor current of 3LT2 C without neutral point voltage balancing

图3 中点电压自平衡3LT2 C输出电压及电容电流波形Fig.3 Voltage output and DC capacitor current of 3LT2 C with neutral point voltage balancing

由图3可以看到，在中点电压自平衡调制模式下，一个周期内电容 C1与电容 C2的电流正负情况相同，充放电能量相等，从而在一个周期内有效校正了电容电压偏移。总结矢量相位组合关系得到，当矢量8滞后矢量2的相位为180°并且矢量6滞后矢量4的相位为180°时能够保证电容在一个周期内充放电量相等，从而能够实现中点电压的自平衡。而根据矢量2和矢量6的超前滞后关系在该平衡模式有两种脉冲实现方式。

4 改进调制方式下直流电压控制研究

4.1 DC-DC变换器电压控制方式

对 DC-DC变换器的控制采用双闭环控制[12]，内环为输入到 DC-DC变换器的电流控制，外环为电压环控制，包括对其输入、输出电压进行调节：为保证 DC-DC变换器稳定工作，对其直流输入电压进行调节，使其稳定在参考值；同时，为避免系统故障或受端功率突然减小而引起直流过电压情况，还需对 DC-DC变换器的输出电压进行调节，因而输入电压调节和输出过电压调节共同组成了电压外环控制。图4所示是DC-DC变换器控制系统。

图4 T型三电平DC-DC变换器电压控制系统Fig.4 Voltage control scheme for T-type three level DC-DC converter

4.2 PWM脉冲生成的简化方式

由表2和图3可知，T型三电平全桥DC-DC变换器，其八个功率开关管驱动脉冲自由度为 4，因此，只需控制 VT1VT4VT5VT8的脉冲即可，VT3VT2VT7VT6由互补关系得到。图3表明 VT1和VT4的脉冲相位相差 Ts/2，VT5和 VT8的脉冲相位相差 Ts/2，因此，功率开关的脉冲自由度降为 2，故需控制VT1VT8脉冲即可。若设定

式中，A为常数。

则 VT8的脉冲可有 VT1的脉冲延迟( 1 - A ) Ts获得，因此，功率开关的脉冲自由度降为 1，只需控制VT1的初始延迟时间即可控制全部开关脉冲。设VT1的初始延迟时间为 t1

将式（1）代入式（2），求解得

因 为10t≥ 所 以，当时三电平退化为两电平。

t1确定后，可得

式（3）～式（6）确定了四个开关的延时时间，其他四个开关脉冲波形与此四个开关互补运行。

5 仿真分析

在Matlab/Simulink中，搭建系统仿真模型。设定D0=0.3，A=0.8，Vdc=1500V，验证不同脉冲调制模式下的T型三电平DC-DC变换器的运行情况，结果分别如图5～图8所示。

图5 中点电压不平衡调制模式下T型三电平输出电压无均衡控制调制模式下T型三电平变换器输出电压Fig.5 Voltage output waveform of T-Type three level DC-DC converter by normal PWM modulation

图5是中点电压不平衡调制模式下的T型三电平变换器的输出电压，输出电压出现了严重偏移和畸变。图6是中点电压自平衡调制模式下的T型三电平输出电压波形，中点电压偏移现象被有效地抑制，波形正弦度较高。图7是中频变压器高压侧电压，其值是T型三电平输出电压的10倍。图8是DC-DC变换器的输出电压，其值可以稳定到中频变压器高压侧电压的峰值。

图6 中点电压自平衡调制模式下T型三电平输出电压含电压均衡控制调制模式下T型三电平变换器输出Fig.6 Output waveform of T-type three level DC-DC converter by balancing PWM modulation

图7 改进调制模式下DC-DC变换器空载输出电压图7含电压均衡控制调制模式下DC-DC变换器直流输出Fig.7 DC Output of T-Type three level DC-DC converter by balancing PWM modulation

6 结论

无论是海上风电直流组网，还是陆上分布式电源接入直流电网，高效 DC-DC功率变换器是核心关键部件，本文提出一种基于T型三电平全桥技术的 DC-DC变换器。在介绍其主电路拓扑和工作原理的基础上，开展了换流过程的开关模态分析。同时，深入分析了中性点电压偏移原因，提出一种三电平单相全桥 DC-DC变换器的中点电压自平衡型PWM 调制方式，并推导了脉宽控制时间的简化计算公式，且给出了 DC-DC变换器的控制方式。最后，在Matlab/Simulink中构建仿真模型，结果表明论文所提PWM脉冲调制模式和DC-DC控制方法具有良好的效果。对推广应用该类型变换器，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] 汪令样.光伏发电用 DC-DC变换器的研究[D].合肥: 合肥工业大学,2006.

[4] 李建,胡长生,刘瞾煤,等.一种带储能的光伏发电 DC-DC变换器控制制方法[J].电力电子技术,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,刘志刚,洪祥.隔离式双向全桥DC-DC变换器的功率控制特性比较与分析[J].电工技术学报,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,张燕枝,李子欣,等.一种隔离式双向全桥DC-DC变换器的控制策略[J].电机与控制学报,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.