一种基于CSC-VSC的DC/DC 换流器及其控制策略

于洋

（1.吉林铁道职业技术学院信息化中心，吉林 132000；2.吉林大学通信工程学院，长春 130012）

随着硅基半导体器件的大规模应用以及数字控制技术的迅猛发展，为了实现可再生能源的最优组网和适应城市负荷不断增加的现状，具有建设成本低、潮流调节灵活、供电质量高、故障穿越能力强的交直流智能配电网被提上日程[1-2]。直流变换装置，即DC/DC 换流器，可以实现不同电压等级的直流分布式能源或负荷的并网，是光伏、直流储能系统等电源并网发电和电动汽车、直流电机等负荷用电不可或缺的重要环节[3-5]。

目前，由于电压源型VSC（voltage source converter）的换流器具有控制技术成熟、四象限运行、调制策略简单等优点，在智能电网和电机驱动领域得到了广泛的应用。基于VSC的DC/DC 换流器在直流配电网领域也开始得到应用。关于其研究主要集中在拓扑结构、数学模型、控制策略、故障性能等方面。由两个可输出两电平或三电平电压的VSC 交流侧互联形成的双有源桥DAB（dual active bridge）结构的DC/DC 换流器具有结构简单、造价低、控制灵活等优点，被广泛应用在直流变换场合[6-8]。文献[6]提出了采用高频变压器连接的DC/DC 换流器拓扑，进一步减小了换流器的体积。文献[7-8]提出了采用电感-电容-电感二阶交流系统连接的DC/DC换流器拓扑。通过合理选择参数，使换流器处于谐振状态，换流器开关器件能够零电压导通或零电流关断，降低了换流器的损耗。然而，文献[6-8]提出的换流器拓扑两端直流端并联有大电容，通过电容实现直流电压滤波。但当直流短路故障发生时，直流电容通过故障点放电，形成很大的放电电流，会击穿电容并烧毁功率半导体器件。因此，该类拓扑并不具备直流短路故障穿越的能力。

随着模块化和多电平结构的VSC 型换流器在输配电领域的普及，学者们也开始将研究重点转向具有模块化设计且能够输出多电平的DC/DC 换流器。一些学者提出了两个或多个模块化多电平换流器MMC（modular multilevel converter）通过front-to-front 连接构成的DC/DC 换流器（FTF-MMC DC/DC）[9]。MMC 交流侧采用工频变压器连接，具有输出直流电压电流波形好、谐波含量少、动稳态性能优越的优点。文献[10]在文献[9]的基础上提出了一种梯形波调制策略，进一步降低了DC/DC 换流器价格和占地面积。为了实现直流短路故障期间换流器的安全稳定运行，MMC 型DC/DC 换流器需要采用数量众多的全桥功率模块或箝位双子功率模块[11]，导致基于MMC的DC/DC 换流器存在损耗大、辅助散热系统造价高的缺点。为了降低基于MMC的DC/DC 换流器造价和体积，文献[12]提出了基于MMC的自耦DC/DC 换流器结构。通过高低压直流侧公用部分桥臂从而减小了功率模块的数量。文献[13]在文献[12]的基础上提出了一种多端口的MMC 自耦DC/DC 换流器拓扑。然而，文献提出的自耦DC/DC 换流器交直流回路耦合严重，存在解耦困难以及桥臂电流过高的缺点。

在传统MMC 结构的基础上，学者们为了降低换流器造价提出了一些新颖的类MMC 结构的DC/DC 换流器拓扑。文献[14]提出了一种谐振式的MMC结构的DC/DC 换流器拓扑。文献[15]提出了一种MMC 型的BUCK 电路拓扑。但这些拓扑均存在直流侧含有特定次谐波含量的缺点，且均不能够穿越直流短路故障。

与基于晶闸管的电网换相换流器LCC（line commutated converter）和VSC 相比较，电流源换流器CSC（current source converter）具有控制方法灵活、换流器运行效率高、具备黑启动能力、故障穿越能力强等优点[16-18]。基于CSC的DC/DC 换流器同样适用于直流智能配电网中的直流分布式能源或直流负荷的并网，但鲜有关于CSC 在直流智能配电网领域中的研究和应用。

通过对比上述不同类型换流器性能，本文提出了基于CSC-VSC的混合DC/DC 换流器。提出的拓扑具备直流短路故障穿越能力且能够实现分布式能源或直流负荷侧的直流电压控制。提出的DC/DC的CSC 直流侧与直流电网连接，VSC 直流侧与直流分布式能源或直流负荷连接。CSC 与VSC 采用高频正弦波调制，减小了电感、电容等无源器件的体积。论文首先给出了提出拓扑的数学模型。结合数学模型，对换流器功率与电路参数之间的约束关系进行了推导。其次，提出了CSC-VSC 混合DC/DC换流器的综合控制策略。最后，在RTLAB 上搭建了1 MW/2 000 V/750 V 混合DC/DC 换流器实验电路，对额定运行工况和直流短路故障工况进行了实验研究。

1 混合DC/DC 换流器结构

本文提出的基于CSC-VSC 混合DC/DC 换流器可以实现光伏、储能电容等分布式能源以及智能家电、电动汽车等分布式负荷的灵活组网，如图1 所示。通过合理控制混合DC/DC 直流电压和传输功率，实现光伏阵列的最大功率跟踪并网，超级电容和电动汽车的有序充放电以及智能家电的最优取能。提出的混合DC/DC 换流器是未来能源互联网建设中不可或缺的关键环节。

图1 DC/DC 换流器应用示例Fig.1 Application examples of DC/DC converter

图2 所示为混合DC/DC 电路结构图。混合DC/DC 换流器CSC的直流侧串联有大电抗Ladc且桥臂采用压接型的IGBT 器件，换流器本身具有天然的短路故障穿越能力。因此，CSC 直流侧可通过远距离架空线连接直流智能配电网。混合DC/DC 换流器VSC的直流侧并联有大电容Cv，能够稳定直流电压。因此，VSC 直流侧可与分布式能源或负荷就地连接。CSC 与VSC的交流侧通过电容-电感-电感二阶谐振电路耦合，其中交流侧采用高频正弦波调制，进一步降低了换流器的体积和造价。

图2 DC/DC 换流器电路结构Fig.2 Circuit structure of DC/DC converter

提出的基于CSC-VSC的混合DC/DC 换流器与传统DC/DC 换流器的性能对比如表1 所示。从表1中可以看出，本文提出的换流器拓扑在直流电网领域具有明显的优势。

表1 换流器性能对比Tab.1 Comparison of performance among converters

2 基于CSC-VSC的混合DC/DC 换流器数学模型和参数设计

2.1 混合DC/DC 换流器数学模型

混合DC/DC的CSC 交流侧采用电容（C）-电感（L）滤波，VSC 交流侧采用电感（Lv）滤波，二者通过公共点O 连接。根据KVL 和KCL 定律，混合DC/DC 换流器CSC 侧在两相旋转坐标系下的电压、电流数学关系为

式中：ucd为O 点交流电压d 轴分量；ivd和ivq分别为O 点交流电流d 轴和q 轴分量；P为换流器输出有功功率；Uadc为CSC 侧直流电压，Iadc为CSC 侧直流电流；uad为CSC 侧电容电压d 轴分量；uaq为CSC侧电容电压q 轴分量；ω为换流器交流电气量的角频率；mad为CSC 调制度d 轴分量；maq为CSC 调制度q 轴分量。为了降低换流器交流滤波设备造价和体积，本文中设置角频率为5 倍的工频角频率。

根据KCL 和KVL 定律，混合DC/DC 换流器VSC 侧在两相旋转坐标系下的电压电流数学关系为

式中：mvd和mvq分别为VSC 调制度的d 轴和q 轴分量；Uvdc为VSC 侧直流电压；Ivdc为VSC 侧直流电流。

将式（5）代入式（4），得到VSC O 处交流电压的d 轴分量与功率和VSC 调制度的数学关系为

将式（1）和式（3）代入式（4），得到CSC 和VSC两者调制度之间的关系为

结合式（2）和式（7），得到混合DC/DC 换流器CSC 侧滤波电容电压的数学表达式为

通过式（8），CSC 滤波电容电压大小与换流器传输有功功率以及VSC 调制度的dq 轴分量大小有关。

2.2 混合DC/DC 换流器参数设计

对比式（6）与式（7），混合DC/DC 换流器O 点交流电压与直流电压、交流电流的q 轴分量、VSC调制度的dq 轴分量存在定量的数学关系。CSC 侧直流电压与有功功率、交流电流的q 轴分量、CSC调制度的dq 轴分量存在定量的数学关系。

为了实现混合DC/DC 换流器CSC 和VSC的线性调制，需要混合DC/DC 换流器传输特定功率和特定直流电流的情况下，对O 点工作电压幅值和交流电流q 轴分量进行电气参数设计。

通过式（7）：当O 点交流电压幅值确定后，CSC调制度d 轴分量与CSC 侧直流电压成正比，d 轴分量的表达式为

以本文RTLAB 实验电路模型参数为例，并且设置换流器在传输额定有功功率的情况下交流电流q 轴分量为0。VSC 调制度的幅值随着O 点电压幅值的增加先减小后增大，存在一个最小值，如图3 所示。混合DC/DC 换流器CSC 调制度d 轴分量、q 轴分量以及调制度的幅值均随着O 点电压幅值的增加而减小，如图4 所示。

图3 VSC 调制度幅值Fig.3 Modulation index amplitude of VSC

图4 CSC 调制度的幅值及dq 轴分量Fig.4 Modulation index amplitude and dq components of CSC

CSC 运行正常时，CSC 器件集-射极间的最大反向电压是滤波电容线电压的峰值。由式（8）得到，滤波电容线电压的峰值与传输的有功功率、VSC 直流电压、VSC 调制度相关。滤波电容线电压的峰值及其dq 轴的分量随着O 点电压幅值的增大而减小，如图5 所示。为了确保功率半导体器件不会因为过压击穿，需要考虑CSC 滤波电容电压的大小范围。

图5 滤波电容线电压峰值与dq 轴分量Fig.5 Peak value and dq values of line-to-line filter capacitor voltage

通过参数设计分析，通过合理设计O 点的电压幅值，可以使混合DC/DC 换流器传输有功功率的同时，确保CSC 与VSC 桥臂功率半导体器件的安全稳定运行。

3 混合DC/DC 控制策略

通过混合DC/DC 换流器数学模型和运行范围分析可以得出：将O 点电压幅值控制在设计值可以实现CSC 和VSC 之间的解耦单独控制的同时确保换流器的安全稳定运行。为此，本文提出了混合DC/DC的CSC 有功无功闭环控制、VSC 交流电压闭环控制的控制策略，如图6 所示。

图6 控制策略Fig.6 Control strategy

VSC 侧控制板卡实时采样O 点三相交流电压，通过滤波和计算后得到交流电压的幅值，与系统设计的参考值进行比较，差值经过比例-积分PI（proportional-integral）控制器后得到VSC 桥臂功率半导体器件的开关信号。

CSC 侧控制板卡实时采样CSC 侧的直流电压和直流电流。控制系统实时计算传输的有功功率，然后与系统设计的参考值进行比较，经PI 控制器后得到CSC 调制度的d 轴分量。CSC 侧控制板卡实时采样三相交流电流和O 点三相交流电压，计算得到实时无功功率，然后与参考值比较，经PI 控制器后得到CSC 调制度的q 轴分量。利用正弦脉宽调制技术，得到CSC 桥臂功率半导体器件的开关信号。

4 实验验证

在实验室RTLAB 上搭建了换流器拓扑模型以验证提出混合DC/DC 和控制策略的合理性和有效性。基于RTLAB的半实物仿真平台如图7 所示。平台由上位机、换流器控制硬件系统以及RTLAB 实时仿真电路3 部分组成。控制系统采用FPGA+DSP芯片集成完成混合DC/DC 换流器控制算法的硬件实现，RTLAB 主要用于模拟混合DC/DC 主电路，上位机实现电流电压等电气量的录波。混合DC/DC换流器电路参数如表2 所示。

图7 RTLAB 半实物仿真平台Fig.7 RTLAB hardware-in-the-loop simulation platform

表2 DC/DC 换流器电路参数Tab.2 Circuit parameters of DC/FC converter

实验1：额定运行状态。

本次实验中，设置基于CSC-VSC的混合DC/DC 换流器VSC 侧分布式能源向CSC 侧直流配电网传输1.0 MW的额定有功功率为额定运行状态。额定运行状态下，混合DC/DC 换流器实验结果如图8 所示。

图8 额定运行状态实验波形Fig.8 Experimental waveforms in rated operation state

上位机实时采样的混合DC/DC 换流器CSC 侧直流电压和直流电流分别如图8（a）和图8（b）所示，其中直流电压稳定在736 V，直流电流稳定在1 328 A，混合DC/DC 换流器向直流配电网传输的有功功率为0.98 MW。上位机实时采样的混合DC/DC 换流器VSC 侧直流电压和直流电流分别如图8（c）和图8（d）所示，其中直流电压稳定在1 984 V，直流电流稳定在512 A，混合DC/DC 换流器从分布式直流电源吸收1.02 MW的有功功率。上位机采样的直流电压和直流电流均在额定值。

图8（e）为混合DC/DC 换流器三相交流电流波形，波形三相对称，波形正弦度较好，谐波分量较低。图8（f）为混合DC/DC 换流器三相滤波电容电压波形，波形三相对称，波形正弦度较好。结合本文参数设计方法和实验参数，滤波电容电压理论幅值为2 830 V。滤波电容电压幅值为2 770 V，实际值与理论值差别较小，仅为60 V。

图8（g）和图8（h）分别是混合DC/DC 换流器CSC 和VSC的三相调制度波形，CSC 三相调制度幅值为0.5，VSC 三相调制度幅值为0.90。结合本文参数设计方法和实验参数，CSC 三相调制度理论设计值为0.486，VSC 三相调制度的理论设计值为0.895。实验结果值符合理论设计值。

额定运行状态下的实验结果表明本文提出的换流器稳态性能优越、提出的控制策略能够实现换流器的稳态运行。

实验2：短路故障状态。

基于CSC-VSC的混合DC/DC 换流器处于实验一额定运行状态下，RTLAB 实时仿真电路设置直流配电网近端CSC 侧发生双极直流短路故障，故障为暂时性故障，持续0.2 s 后故障消失。当RTLAB 硬件板卡检测到故障，板卡将CSC 所有功率器件触发，防止CSC 直流电抗电流断续造成功率器件的过压击穿。此外，VSC 继续实现交流电压的闭环控制。故障消失后，CSC 恢复功率闭环控制。短路故障状态下，混合DC/DC 换流器实验结果如图9所示。

图9（a）和图9（b）为上位机采集的混合DC/DC换流器CSC 侧直流电压和直流电流。直流短路故障发生后，CSC 侧直流电压由额定值736 V 快速降低到0 V。由于回路电阻的存在，CSC 侧直流电流故障期间略有降低。故障消失后，CSC 侧直流电压和直流电流存在小幅值的振荡，但能够快速恢复至额定运行状态。

上位机实时采样的混合DC/DC 换流器VSC 侧直流电压和直流电流分别如图9（c）和图9（d）所示。

图9 直流短路故障实验波形Fig.9 Experimental waveforms under DC short-circuit fault

故障发生后，混合DC/DC 有功功率和VSC 直流电流均迅速降低到零附近，VSC 侧直流电压增大至2 000 V。故障消失后，VSC 侧直流电压存在小幅度的震荡，但很快恢复至额定值1 984 V，直流电流存在小幅超调后恢复至额定值512 A。

故障发生及消失前后，换流器控制系统始终将O 点的三相交流电压幅值控制在额定值。因此，O点的三相交流电压幅值始终在额定值800 V，没有明显的冲击，如图9（e）所示。

图9（f）为换流器滤波电容三相电压波形，直流短路故障发生后，三相电压存在冲击，冲击的最大幅值为6 200 V。直流短路故障消失后，三相电压同样存在冲击，冲击的最大幅值为7 600 V。虽然滤波电容电压存在冲击电压，但故障消失后能快速恢复到额定运行状态。

图9（g）为换流器三相交流电流波形。直流短路故障发生后的瞬间，三相交流电流不存在冲击。故障期间，由于CSC 侧电容与CSC 侧电感和VSC侧电感形成通路，混合DC/DC 交流侧存在幅值为80.5 A的三相无功电流。故障消失后，虽然三相交流电流欠阻尼震荡，但能够恢复到故障前状态。

短路故障状态下的实验结果表明了提出的基于CSC-VSC的混合DC/DC 换流器拓扑及控制策略具备直流短路故障穿越能力。

5 结论

（1）提出了基于CSC-VSC的混合DC/DC 换流器拓扑，实现了分布式能源或分布式负荷的灵活组网，CSC 与VSC 交流侧采用高频交流回路连接。

（2）分析了基于CSC-VSC的混合DC/DC 换流器运行范围约束，提出了一种适用于基于CSC-VSC的混合DC/DC 换流器的控制策略。

（3）在RTLAB 上对基于CSC-VSC的混合DC/DC实验模型进行了额定状态和暂时性直流短路故障实验研究。实验结果验证了混合DC/DC 换流器及其控制策略的合理性和有效性。