新型混合式高压直流输电DC/DC变换器

李彬彬, 张书鑫, 程　达, 王　卫, 徐殿国

(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院, 黑龙江省哈尔滨市 150001)

0　引言

随着风力发电、光伏发电等新能源发电技术的快速发展,电能的消纳与送出成为了目前制约中国可再生能源发展的瓶颈问题[1]。基于电压源型换流器的柔性直流输电技术则是解决可再生能源接入、送出问题的有效途径[2-3],尤其是模块化多电平换流器(MMC)拓扑的成功应用,使柔性直流输电技术得到了迅猛发展,仅过去5年间全球即有数十个柔性直流输电工程投入运行或正在规划建设[4]。在此背景下,多个国家已开始将多条直流线路构建成多端输电甚至是直流电网,以更好地实现大规模可再生能源接纳,提升直流系统的稳定性[5-6]。但正如变压器对于传统交流电网的重要性一样,直流电网中也需要变压设备来实现不同电压等级直流线路的互联[7]。然而直流变压无法利用电磁感应原理,必须依赖于电力电子变换器。尽管目前低压应用中存在有大量的DC/DC变换器拓扑,但这些拓扑由于器件应力、损耗、成本、体积等不同制约因素而无法拓展到高压大容量应用中。

对于高压大容量直流系统互联,Jovcic教授较早地提出了一类晶闸管LC谐振型DC/DC变换器[8-9],但谐振导致全部器件的电压应力至少需按高压侧电压的1.4倍进行设计,元件数目过多且输入、输出谐波严重。为解决这一问题,近年来学者们陆续提出了一系列基于模块化原理的高压DC/DC拓扑[10-11],采用子模块串联的方式来有效分担器件应力及开关损耗。这些拓扑按其是否具备电气隔离[12],可分为隔离型[13-16]与非隔离型[17-26]两大类。隔离型拓扑采用交流变压器进行隔离,功率需要经过逆变—整流两套变流装置,导致元器件数目较多、功率损耗较大,因此这类拓扑多适用于电压变比较大或对电气绝缘有严格要求的场合当中。

相对而言,非隔离型DC/DC变换器的拓扑形式更为灵活。文献[17-18]直接将面对面MMC的中间交流变压器省去,构成非隔离DC/DC拓扑。文献[19]在此基础上利用二极管整流器替代一级MMC构成单向DC/DC变换器以降低器件成本。但这几种拓扑的功率传递仍然需要经过两级变换。文献[20]直接令MMC输出直流电压,形成单级功率变换的DC/DC拓扑,但为了保证上下桥臂子模块的能量稳定,需要在桥臂中注入交流电压、电流进行桥臂功率交换[21]。注入的交流环流会显著提高器件的电流应力与损耗,而注入的交流电压又增加了器件的电压应力并要求在输出侧安装笨重的滤波装置[22]。文献[23-24]通过将2个MMC在直流侧相串联,巧妙地提出了自耦型DC/DC拓扑,该拓扑采用交流变压器实现上下MMC的功率交换,避免了在输出侧造成交流电压谐波,从而可省去滤波装置。文献[25-26]则另辟蹊径,提出一种新颖的非隔离DC/DC拓扑。该拓扑引入一个模块化储能环节并使其交替连接至高压侧与低压侧,以此实现不同直流电压间的能量传递。这一拓扑具有一系列的技术优势,包括结构简洁、体积小、不需要注入交流电压电流、软开关,但不足之处是需要绝缘栅双极型晶体管(IGBT)直接串联,技术相对复杂。此外,在功率传递过程中,电流相继流过储能环节和IGBT串联单元,流经的器件数目较多,导通损耗偏大。

在文献[26]的基础上,本文提出一种新型全控型与半控型器件混合式非隔离DC/DC变换器拓扑,其特点在于采用模块串联以及晶闸管、二极管串联,具有元件数目少,效率高、成本低、工程实现容易的优点。本文对该拓扑的电路结构、工作原理、脉宽调制(PWM)策略、控制方法进行了全面分析。最后,通过仿真研究证明了新拓扑及其相应控制策略的有效性。

1　DC/DC变换器拓扑结构与工作原理

1.1　拓扑结构介绍

本文提出的新型DC/DC变换器拓扑结构如图1所示,该拓扑由三相结构相同的电路并联构成,每相电路包含2组晶闸管、2组二极管以及1个桥臂支路。UL和iL分别代表低压侧电压和电流,UH和iH分别代表高压侧电压和电流。每个桥臂由N个结构相同的子模块与一个电感器串联而成。每个子模块则由3个IGBT与2个电容器构成,如图2所示。

图1　新型DC/DC变换器拓扑结构Fig.1　Topology of novel DC/DC converter

图2　新型DC/DC变换器子模块Fig.2　Sub-module of novel DC/DC converter

与文献[26]拓扑相比,本文拓扑的不同之处在于:①采用晶闸管/二极管串联替代了IGBT串联,导通损耗小、成本低廉;②提出一种新型子模块结构,可节省IGBT数量,且子模块损耗可显著降低。

1.2　工作原理与电路分析

本文所提出的DC/DC变换器的工作原理示意图如图3所示,以a相为例,三相电路彼此交错工作。

图3　新型DC/DC变换器工作原理示意图Fig.3　Schematic diagram of working principle of novel DC/DC converter

通过控制桥臂支路与高压侧和低压侧交替连通,实现UH与UL之间功率的传递。同时,利用桥臂支路对电流的控制能力,实现晶闸管/二极管的电流换向。以功率由低压侧向高压侧传输为例,当a相桥臂支路分别与低压侧和高压侧连通时,有

(1)

(2)

当功率由高压侧向低压侧传递时,对晶闸管施加相应的触发信号;反之,当功率由低压侧向高压侧传递时,电流由二极管D1a与D2a流过,无需触发晶闸管。

根据IGBT的开关情况,本文提出的子模块可实现的全部工作状态如表1所示,其特点在于每个子模块只能输出2倍或1倍的电容电压,因此能实现的总的桥臂电压区间为[NUC,2NUC]。当连接的2个直流系统电压满足[UL,UH]∈[NUC,2NUC],即UH∶UL≤2时,该子模块结构即能够符合DC/DC变换的要求。而对于传统的半桥型子模块结构,为生成2UC电压则要采用2个模块串联,共需要2个电容器和4个IGBT。因此,采用所提出的子模块结构相比之下一共能节省1/4的IGBT数量。另一方面,由表1可看出,任意工作状态下每个时刻电流只流过1个IGBT或者并联流过2个IGBT,仅产生1个IGBT的导通压降,相比传统的2个半桥子模块,导通损耗亦可降低1/2左右。

表1　子模块开关工作状态Table 1　Switch operation state of sub-modules

此外需要指出,对于直流输电系统的电压变比在UH∶UL>2的情况,可以采用所提子模块与传统半桥子模块相混合的方式来实现,由于篇幅所限,本文对此不再详细展开。

1.3　参数设计

新型DC/DC变换器的主要参数设计如下。

首先,给定电容电压UC,每相桥臂所需要的子模块个数为:

(3)

其中U0用于施加在桥臂电感上,进而控制桥臂电流,相比于UH,U0的值相对很小。

桥臂子模块的电流应力即为流过的电流峰值为IL(因为IL>IH);T1和D1的电压、电流应力分别为UH-UL和IL;而T2和D2的电压、电流应力分别为UH-UL和IH。

桥臂电感的作用是抑制电流纹波,应满足:

(4)

式中:fs为桥臂中全部子模块的等效开关频率。

子模块电容器主要承担该相桥臂的功率波动,其容量的选取应保证电容电压波动在预定的比例ε之内,有

(5)

式中:P为DC/DC变换器传输的总功率;fh为桥臂与高低压侧交替连通的频率。

2　控制策略

2.1　DC/DC变换器控制方法

为保证新型DC/DC变换器的稳定运行,提出如图4所示的控制方法,以A相电路为例。当DC/DC变换器稳态工作时,其输入、输出侧功率应保持平衡。由于输入、输出的功率差将直接影响子模块电容器中存储的能量,因此采用能量平衡控制,通过调节低压侧电流指令iLa,ref来约束电容电压UC,sum等于其参考值UC,ref。而功率控制则用于生成高压侧的电流参考信号iHa,ref,进而通过求和得到总的桥臂电流指令iPa,ref=iHa,ref+iLa,ref。该电流经电流内环跟踪控制后得到桥臂输出电压指令uPa,ref。最终,经PWM后得到各子模块IGBT的驱动信号以及晶闸管的触发信号。

2.2　新型DC/DC变换器拓扑PWM策略与电容电压平衡方法

相比于传统的MMC变换器,所提出的DC/DC变换器桥臂电压不会按正弦规律变化,若采用传统的最近电平调制方法生成直流电压会出现开关长时间不动作的情况,导致桥臂电流畸变较为严重。因此,本文采用载波移相调制方法生成PWM信号[27],令桥臂中N个子模块的载波移相角度为360°/N,桥臂电压的等效开关频率可提升N倍,即fs=Nfc,从而可显著降低各子模块的开关频率,降低开关损耗,且各子模块的开关频率可保持一致,方便散热以及可靠性设计。

由于DC/DC拓扑中各子模块中的电容器彼此独立悬浮,若不加以控制,实际运行中会造成电容电压之间的不平衡,导致个别子模块电容电压过高,引发过压故障。为解决这一问题,本文首先令子模块仅工作在表1中的最后2种开关状态,即S1=0,S2=1,S3=0或S1=1,S2=0,S3=1,从而保证子模块中2个电容器始终保持串联或并联,电容充放电一致、电压保持相等;而对于子模块之间的电压平衡则采用独立调节每个子模块的调制参考信号的方式实现:当第k个子模块(k=1,2,…,N)电容电压UC(i)与平均电容电压UC,sum/N之间存在偏差时,该误差经比例控制器放大,并乘以桥臂电流方向函数sign(x),最终得到PWM参考信号的调整量Δu(k),从而控制该子模块吸收或释放一定的功率,实现电容电压的平衡。

图4　新型DC/DC变换器的控制框图Fig.4　Control block diagram of novel DC/DC converter

对于晶闸管的开通触发信号,需要防止T1a与T2a同时导通,以避免造成高压侧与低压侧的直通故障。因此,本文设计了防止直通的晶闸管触发逻辑。当要触发晶闸管T1a时,此时要求桥臂电流由D2a流过并大于一个阈值,才施加触发信号。类似的,当触发晶闸管T2a时,此时要求桥臂电流由D1a流过并大于一个阈值。本文阈值设定为10 A。

3　与现有拓扑的技术经济性对比

为充分证明所提拓扑结构的技术经济性,令其与文献[17,20,23,25]提出的几种现有的非隔离型DC/DC拓扑进行对比,对比结果如附录A表A1所示。对比分析过程中所有拓扑采用耐压一致的功率器件和电容器,标准电压为UC,且定义NH为高压侧直流电压与标准电压的比值,NH=UH/UC;NL为低压侧直流电压与标准电压的比值,NL=UL/UC。

对于文献[17]中的面对面型MMC拓扑,共需要6NH和6NL个半桥子模块,由于MMC的桥臂电流中包含交流与直流2个成分,桥臂子模块的电流应力为:

(6)

对于文献[20]中的拓扑,每个桥臂在NH个子模块的基础上,还需要额外加入NL个左右的子模块以注入高幅值的共模电压与桥臂环流电流,实现上下桥臂的能量平衡。而对于文献[23]中拓扑,通过加入交流变压器巧妙地实现了自耦变压原理,元器件利用率较高。而文献[25]中的拓扑元器件数量更少,但该拓扑需要采用IGBT直接串联,工程可靠性设计困难。

根据对比,可知所提出的拓扑结构元器件数目最少,特别是IGBT的数目非常少;虽然分别加入了6(NH-NL)个晶闸管与二极管,但晶闸管、二极管相比于IGBT成本大幅降低、可靠性更高。特别地,与文献[25]提出的传统拓扑相比,本文拓扑的技术经济性在于:①采用晶闸管/二极管串联替代了IGBT串联,串联均压技术更成熟，导通损耗小，成本显著下降;②提出了一种新的子模块结构,相比传统2个半桥电路级联,可节省一个全控型器件,并且损耗可显著下降。

此外,需要指出的是,附录A表A1所示的DC/DC拓扑中,除文献[17]中拓扑之外,其他拓扑均不具备高压侧直流短路故障的保护能力。为实现短路故障保护,一种方法是在桥臂中采用全桥子模块结构[28],使拓扑具备输出反向电压的能力,阻挡故障电流。但全桥子模块的IGBT数量过多,成本高昂,导通损耗加倍,导致其工程应用困难。相比于在三相桥臂中分别加入全桥子模块,在低压直流侧集中引入一个直流断路器的方案技术经济性更好,其元器件数目可显著减少。

4　仿真分析

为验证所提拓扑结构及控制方法的正确性,本文在MATLAB/Simulink仿真软件中搭建了仿真模型,实现UL=200 kV与UH=300 kV直流系统之间的互联,最大传输容量为150 MW,每个子模块电容额定电压设计为4.6 kV,子模块电容容量为4 mF,每个桥臂含有36个子模块,桥臂电感为10 mH,桥臂工作频率为200 Hz,载波移相开关频率为800 Hz。仿真得到的结果如图5所示。

图5　新型DC/DC变换器的仿真结果Fig.5　Simulation results of the novel DC/DC converter

图5中,在0～0.15 s期间,从高压侧向低压侧传递150 MW的功率;在0.15～0.35 s期间,功率由-150 MW线性变化至+150 MW,完成了功率的反转;在0.35～0.5 s期间,功率保持由低压侧向高压侧传递150 MW。整个过程中波形保持平滑,变换器运行稳定,验证了所提出DC/DC拓扑结构的原理及其控制策略。特别地,在0.5～0.55 s期间,人为去掉了子模块电容电压的平衡控制,可见各子模块电容电压波形逐渐变得发散;在0.55 s之后,重新使能对电容电压的平衡控制,电容电压波形逐渐恢复平衡,证明了电容电压平衡控制的有效性。

需要指出的是,仿真中每个子模块电容额定电压设计为4.6 kV是为了降低所需的子模块个数,加快仿真速度。实际工程中子模块电容电压通常设计在2 kV左右,此时DC/DC变换器所需的模块数目将提升1倍以上。在保证桥臂等效开关频率不变的前提下,这意味着每个子模块的开关频率可以进一步减半,降低开关损耗。同时，桥臂输出电压的台阶更小,输入、输出电压、电流的波形质量更好。

5　结语

直流电网是大规模新能源接入与构建未来能源互联网的关键技术。本文针对直流电网中的关键设备——直流变压器,提出了一种新型高压DC/DC变换器拓扑结构,由晶闸管、二极管以及新型子模块结构串联而成。本文介绍了新型DC/DC变换器的工作原理,并提出了相应的控制策略与参数设计原则,分析了新拓扑的经济性,最后搭建了DC/DC变换器的仿真模型,仿真结果证明了所提拓扑结构及控制方案的有效性。与目前国内外已有的DC/DC拓扑结构相比,所提拓扑的优势包括元器件数目少、效率高、成本低、工程实现容易。下一步的工作将围绕新拓扑的故障保护和运行控制做进一步的完善。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

[1] 朱凌志,陈宁,韩华玲.风电消纳关键问题及应对措施分析[J].电力系统自动化,2011,35(22):29-34.

ZHU Lingzhi, CHEN Ning, HAN Hualing. Key problems and solutions of wind power accommodation[J]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(22): 29-34.

[2] 汤广福,庞辉,贺之渊.先进交直流输电技术在中国的发展与应用[J].中国电机工程学报,2016,36(7):1760-1771.

TANG Guangfu, PANG Hui, HE Zhiyuan. R&D and application of advanced power transmission technology in China[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(7): 1760-1771.

[3] FLOURENTZOU N, AGELIDIS V G, DEMETRIADES G D. VSC-based HVDC power transmission systems: an overview[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2009, 24(3): 592-602.

[4] 徐政,等.柔性直流输电系统[M].北京:机械工业出版社,2013.

[5] 汤广福,罗湘,魏晓光.多端直流输电与直流电网技术[J].中国电机工程学报,2013,33(10):8-17.

TANG Guangfu, LUO Xiang, WEI Xiaoguang. Multi-terminal HVDC and DC-grid technology[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(10): 8-17.

[6] RAO Hong. Architecture of Nanao multi-terminal VSC-HVDC system and its multi-functional control[J]. CSEE Journal of Power and Energy Systems, 2015, 1(1): 9-18.

[7] BARKER C D, DAVIDSON C D, TRAINER D R, et al. Requirements of DC-DC converters to facilitate large DC grids[C]// CIGRE, 2012: 10p.

[8] JOVCIC D. Bidirectional, high-power DC transformer[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2009, 24(4): 2276-2283.

[9] JOVCIC D. Step-up DC-DC converter for megawatt size applications[J]. IET Power Electronics, 2009, 2(6): 675-685.

[10] ADAM G P, GOWAID I A, FINNEY S J, et al. Review of DC-DC converters for multi-terminal HVDC transmission networks[J]. IET Power Electronics, 2016, 9(2): 281-296.

[11] 杨晓峰,郑琼林.用于直流电网的大容量DC/DC变换器研究综述[J].电网技术,2016,40(3):670-677.

YANG Xiaofeng, ZHENG Qionglin. Survey of high-power DC/DC converter for HVDC grid application[J]. Power System Technology, 2016, 40(3): 670-677.

[12] 王新颖,汤广福,魏晓光,等.MMC-HVDC输电网用高压DC/DC变换器隔离需求探讨[J].电力系统自动化,2017,41(8):172-178.DOI:10.7500/AEPS20160805008.

WANG Xinying, TANG Guangfu, WEI Xiaoguang, et al. Discussion on isolation requirement of high voltage DC/DC converter for MMC-HVDC transmission systems[J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(8): 172-178. DOI: 10.7500/AEPS20160805008.

[13] KENZELMANN S, RUFER A, VASILADIOTIS M, et al. Isolated DC/DC structure based on modular multilevel converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(1): 89-98.

[14] GOWAID I A, ADAM G P, MASSOUD A M, et al. Quasi two-level operation of modular multilevel converter for use in a high-power DC transformer with DC fault isolation capability[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(1): 108-123.

[15] XING Z, RUAN X. Soft-switching operation of isolated modular DC/DC converters for application in HVDC grids[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, 31(4): 2753-2766.

[16] ENGEL S P, STIENEKER M, SOLTAN N, et al. Comparison of the modular multilevel DC converter and the dual-active bridge converter for power conversion in HVDC and MVDC grids[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(1): 124-137.

[17] 王新颖,汤广福,魏晓光,等.适用于直流电网的LCL谐振式模块化多电平DC/DC变换器[J].电网技术,2017,41(4):1106-1113.

WANG Xinying, TANG Guangfu, WEI Xiaoguang, et al. LCL-based resonant modular multilevel DC/DC converter for DC grids[J]. Power System Technology, 2017, 41(4): 1106-1113.

[18] 石邵磊,李彬彬,张毅,等.模块化多电平高压DC/DC变换器的研究[J].电源学报,2015,13(6):110-116.

SHI Shaolei, LI Binbin, ZHANG Yi, et al. Research on modular multilevel high voltage DC/DC converter[J]. Journal of Power Supply, 2015, 13(6): 110-116.

[19] 赵成勇,李路遥.新型模块化高压大功率DC-DC变换器[J].电力系统自动化,2014,38(4):72-78.DOI:10.7500/AEPS20130530014.

ZHAO Chengyong, LI Luyao. A new type of modular high-voltage high-power DC-DC converter[J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(4): 72-78. DOI: 10.7500/AEPS20130530014.

[20] FERREIRA J A. The multilevel modular DC converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(10): 4460-4465.

[21] KISH G J, RANJRAM M, LEHN P W. A modular multilevel DC/DC converter with fault blocking capability for HVDC interconnects[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(1): 148-162.

[22] LI B, SHI S, YANG Y, et al. Analysis of the operating principle and parameter design for the modular multilevel DC/DC converter[C]// 9th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia (ICPE-ECCE Asia), June 1-5, 2015, Seoul, South Korea: 2832-2837.

[23] SCHON A, BAKRAN M M. A new HVDC-DC converter for the efficient connection of HVDC networks[C]// PCIM Europe, May 14-16, 2013, Nuremberg, Germany: 525-532.

[24] 林卫星,文劲宇,程时杰.直流-直流自耦变压器[J].中国电机工程学报,2014,34(36):6515-6522.

LIN Weixing, WEN Jinyu, CHENG Shijie. DC-DC autotransformer[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(36): 6515-6522.

[25] 杨杰,贺之渊,汤广福,等.一种直流电压变换装置及其桥臂控制方法:CN105375757A[P].2016.

[26] YANG J, HE Z, PANG H, et al. The hybrid-cascaded DC-DC converters suitable for HVDC applications[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(10): 5358-5363.

[27] LI B, YANG R, XU D, et al. Analysis of the phase-shifted carrier modulation for modular multilevel converters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(1): 297-310.

[28] SUO Z, LI G, XU L, et al. Hybrid modular multilevel converter based multi-terminal DC/DC converter with minimised full-bridge submodules ratio considering DC fault isolation[J]. IET Renewable Power Generation, 2016, 10(10): 1587-1596.

李彬彬(1989—),男,通信作者,博士,副教授,主要研究方向:柔性直流输电技术、可再生能源发电技术、模块化多电平技术等。E-mail： libinbin@hit.edu.cn

张书鑫(1989—),男,博士研究生,主要研究方向:电力系统柔性一次设备。E-mail: zhang_shu_xin@126.com

程达(1994—),男,硕士研究生,主要研究方向:电力系统柔性一次设备。E-mail: 374949298@qq.com