基于IGCT的大容量直流变压器设计_马已青.pdf

第 卷第期年月电力电子技术，基于的大容量直流变压器设计马已青、周兴达，潘 海宁，尹立坤（清华大学，电机工程与应用电子 技术 系，北 京；中 国长江三峡集团有限 公司科学技术研宄院，北京）摘要：大容 量直流变压器（）是直流组网 的核心设备，这里设计了基于集成门极换流晶 闸管的（），通过 最小回流功率注入的方式 实 现了直流变压器（）全功率范围下的零电压开通，在此 基 础上，增加了关断缓冲电容进而 实现了准零开关损耗。同时，利用通态压降低的优点降低系统通态损 耗。最后，研制了的样 机，验证了所提方 案的有效性。关键词：直流变压器；集成门极换流晶闸管；最小回流 功 率中 图分类号：文献 标识码：文章编号：（），（，）：（）（），？（），：；（）；（）引言相比于交流电网，直流电网能 够直接连接光伏发电、储能等新能源系统，电能变换次数少，能量的利用率 高。作为 直流电 网组网的核心设备，起电气隔 离，电压变换，潮流控制等 作用，其效率与容量是直流电网高效运行的关键。现有主要采用双有源桥（）结构级联的形式，子模块串联提升电压等级，并联提 升电流等级，其相比基于模块化多电平的，具有电容数量少，功率密度 高等优点。不同于电压源型器件，电流源型器件具有更大的通流能 力，更高的耐压性与可靠性采用的单模块 容量大，级联数目少。主要采用移 相控制，能够实现的基金项目：中国长江三峡集团有限公司科研项目（）；国家自然科学基金（）定稿日期：作者简介：马已青（），男，博士研究 生，研究 方向 为直流变压器。零电压开 通，器件 关断为硬关 断，放大了关断 损耗大的缺点。由于现有 控制轻载下会丢失 软开关，因此无法省略开通箝位电路，增 加了系统损耗。文献通过增加辅助谐振回路的方式实现了轻载下的零电压开 通，但增加了系统的复杂度。为了解决上述问题，首先提出 了的拓扑结 构，其次通 过 软换 流（）控制与单 移相（）控制相 结合的方 式，实现全 功率范围的零电压开 通与准 零电压关断，并给出了临界电流的计算方法。最后 结合实验 说明所提的有 效性。基于的大容量双有源所提的基于拓扑结 构如图所示，系统由支撑电容、辅 助电感、隔离变压器以及两个全桥组成。相比于传 统的双有源，仅增 加了器件关断缓冲电容，没有额外增加系统的体积。为了减小电流应力，设 计为电压匹配状态，即，其中，为全桥，的直流电压，为全桥的直流电压为变压器变比。基于的 大容 量 直流变压器设计全桥全 桥；丄丄图 的拓扑结 构 在 传 统的变 换器中，需要增加开通箝 位电路限制的开通速度，以防止由于的开通速度过快造成器件局部导通，部 分元 胞过热失效。在 中，由于的开 通为零电压开通，其电流上升 速度 受 到 辅 助电感的箝位，因此无需增加开通箝位电路，降低了系统成本并提高了系统 效率。为了降低的关断 损 耗，需要引入关断缓冲电路。在常 见关断缓冲电路中，缓冲电容可以减 缓器件 关断 时的 电压上升速度，减小电压与电流的交叠面 积，降低 关断损耗。缓冲电阻用以限 制器件开 通时的浪涌电流，保证缓 冲电容的安全运行，但增加了系统损 耗。当在全功率范围内均为零电压开通时，可省去？，实现无损缓 冲以及准零电压关断，的开关 损 耗近似为零。采用所提拓扑与控制 策略后，始终处于状态，器件总损耗处于较低水平，因此能 够在满足正常结温时运行 在更 大的电流应力之下，有 效提高的容量。软换流 控制与临界软开关电流基本原理在传 统的调制中，尽管 两个 桥臂之间的外移相角可以在，的范围内取值，但 其通常被 控制在，之内。其主 要原因在于：相比于，的移相范围，在，的移相范围内传输相同的有功 功 率，将会伴随着更多的回流功率尺 以及更大的关断电流，如图所 示。最大回流功率点：最大有功；图控制 下的系统特性因此，在系统轻载时，采用，的范围更有助于实现的零电压开通特性。空载时，认，系统中仅 存在回流 功率，回流电流为提高 零电压开通条件。然而，仅存在一个控制自由度，因此仅 能控制有功功率而无 法控制系统回流功率。为了同时控制有 功 功率与回流功率，引入了 内移相角认来调节的回流功 率，而采用，来 控制的有功功率，称为控制。工作 原理如图所示。其中，为全桥的输出电压，为 全桥的输出电压，为辅助电感的电流。根据图，由于回流电流的作用，全部均 为零电压 开通。图控制工作 原理 运行特性分 析控制下 的 系统电流特性 与 功率 特 性己经被 广泛研宄，因此，这里重点介绍控制的运行特性。根据图可以得到在控制下，的电流特性如 下：）（）（、从（）（）（）（）式中：？，（）。此时，系统的有 功功率为：（）（，）（）（）因此，在控制 下 系统 功率主要由控制，）影响系 统中的最大电流应力，并且应小于，以注入方向正确 的无 功电流。同时，认应 取最大值使得工作在临界软开关电流下，减小系统通态损耗。临界软开关电流在全桥中，的关 断电流（？）小 于，的关断电流山。），因此，更 容易实现软开关。在 全桥札中，的关断电流（）小于的关断电流，因此，更容易实现 软开关。在电压匹配的状态下，以）以），相比于，更容易实现软开关。其原因为：关断后，辅助电感电流（降低，不 利于电容的放电，而关断后，（）增加。基于以上分析，只需要保证处于零电压第 卷第期年月电力电子技术，（格）（格）（）硬关断（）准 零电压 关断图关断损 耗 测试图展示了系统稳 态实验波形，包 括控制下的 系统功 率 为与以及控制下的系统功率为 与。图中，全 功 率下的桥口电压与缓冲电容电压均连续变 换，系统 无电压突变。因此，在任何负载条件下，所有开通时缓冲电容均无电（），工作 波形（），工作波形，（：电流路径图关断后的谐振 过 程 分析上述谐振过 程，依据 能量守恒定理，关断时的最 小电流如式（）所示：），）（），式中：为电容的 电压。联立式（），（），即可得到认与关系为：（）因此，在控制下，系统 功 率 为：）（）（，）（）采用同样的方式，在控制下，全部的零电压开通条件以及系统 功 率为：心派（）（）因此，依据式（），（）即可进行参数设计，在轻载时采用控制，提供必要的回流电流保证关断缓冲电容的可靠运行。当实际传输功率高于控制的下限功率时，采用控制，以降低系统通态损耗。实验验证为了验证上述的拓扑以及所提控制 策略的可行性，搭建了的 样机，具体 参数为：系统 功率为，直流电压为，开关频 率为，支撑电容 为，隔离变压器变比为：，辅助电感为（，平波电抗器为，关断缓冲电容为。实验测试原理如图所示。自身组成了一个背 靠背测试系 统，依靠平 波电抗器实现能量的循环流动，防止两侧电容振荡。因此，电源仅需（开通状态，即可实现全部的零电压开通。考虑死区与缓冲电容后，时刻系统工作波形如图，所示，谐 振过程中的 电流路径如图所示，关 断后，充电，放电。要提供损耗即可完成 大容量测试。交流电源经过隔离变压器、调压 器与不控整流器后得到一个受控直流电源，用来提供稳定的直流电压。平波电抗：门；：图的样机在 样机中，控制的功率范围为？，？，的取值范围为，）的取值范围比，小。的功 率范围为，对应的，的取值范围为，。并联缓冲电容能够大幅 度降低其关断损耗，但由于其关断过程涉 及到 半 导体器件载 流子的扫出，因此并联电容后器件的电压电流交 叠 过程难以解析计算。在下针对的关断行 为 进行了测试，如图所示。当器件处 于硬关断状态时，器件电压 上升速度快，上升时间为，因此存在 大电压与 大电流的交叠，最 高瞬态功率 为，单 次 关断能量为，关 断 损 耗为 当并联的缓冲电容后，器件电压上升速度减缓，上升时间。由于 器件与缓冲电容 构成的回路中存 在杂散电感，因此瞬态 功率 存 在一个 尖峰，此时 最 高瞬态 功率为，远小于 硬 开关状 态。处于准零电压关断下 时，单次关 断能量 为】，关 断损 耗为。因此，并联 缓 冲电容后，器件关 断损耗降低（），能有效降低器件结温。分（逛、）、？：、分？）（蕾（雪）基于的大容 量 直流变压器设计：，、？（格），（格）（）控制（）控 制压，缓冲电容不产生浪涌电流，系统 能 够可靠运行。在中，由于缓冲电容的充 放电过程，隔离变压器的？得到优化，有利于隔 离变压 器长期运行。图中电压振荡 为系统中杂散电感与关断缓冲电容之间的振荡，可通过优 化结 构设计改善，并不影响系统正常运行。（格），（格）（）控制（）控 制图稳态实验波 形 结论由于其高通流能 力被广 泛应用在兆瓦级变换器中，其运行结温是制约系统容量的重 要因素。通 过并联 缓冲电容的方式实现的准 零电压关断，器件关断损 耗降低约，大幅 度降低芯片 结温。为了保证系统的可靠运行，防止缓冲（上接第）能保持稳定，即变流器在 该控制策略下能 为负载提供 稳定可靠的电压输出。通过该实验证明了所提电压比例 分离控制策略的有 效 性。结论针 对主从控制变流器在通信 丢包期间，若发生负载突变，可能造成主从机不均 流 甚至过流 停机的问题，提出 了电压比例分离控制策略。将传统主机电压环控制器中的比例控制器拆分为稳态比例 项 与 动态比例 项；增 加从机电压环控制，采用比例控制器，其参 数与主机动态比例项 相同；所有机组动态比例 项对本地电容电压进行调节，叠加主机稳态比例项与积 分输出之和作为各自的电流 参 考指令。对加入电压比例分离控制策略后的主从机均流机理进行分析。实验证明，电压比例分离控制策略 能够有 效实现通信 丢包期间的主从机均流，且不会影响系统稳 态期间的输出。电容失效，提出了基于 最小回流电流注入的软 换流控制，使 得在不增 加额外器件的基础上实现了全功率范围 的零电压开通，并给出了参数设计与系统配合方案。最后，搭建了的 的样机验证了所提理论的可行性。参 考文献王舒炜含分布 式光 伏及储能的交 直流配电网优 化 控制技术研宄淄博：山东理工大学，张中锋，谢 晔 源，许烽，等适用于直流配电 网 的直流变压 器技 术研究电力电子技术，（）：，杨林，傅守强，陈 翔 宇，等双主 动桥型直流变压器调 制方法分 析与比较电力电子技术，（）：周文鹏，曾嵘，赵彪，等大 容量全控型压接式和器件对比分 析：原理、结 构、特性和应用中国电机工程学报，（）：，？，（）：，？：参考文献余墨多，黄文 焘，邰能 灵，等逆 变型分 布 式电源并网运行暂态 稳定机理与评 估方法电工技术学报，（）：，曹 文远，韩民晓，谢文强，等交直流配电 网逆变器并联控制技术研宄现状 分 析电工技术学报，（）：，？，（）：，？，（）：朱利锋，吴 彬锋，宋恩亮，等主从结构下储能变流器并联运行建模与 附加控制电力 系统及 其自动化学报，（）：途、？、（）？（安？）？（垄）、