丁潤初，史書懷，2，卓放，王豐

（1.西安交通大學電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049；2.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學研究院，河南 鄭州 450052）

近十五年來，在全球范圍內(nèi)，直流電網(wǎng)的研究進入快車道。中國陸續(xù)建設(shè)了多條±800 kV，±500 kV直流輸電線路，為直流輸電網(wǎng)的建設(shè)打下了基礎(chǔ)[1-2]。而小型適配器、充電樁、軌道列車、光伏小鎮(zhèn)等研究也豐富了直流微網(wǎng)、直流用電網(wǎng)等的研究發(fā)展[3-4]。但居于輸電網(wǎng)和用電網(wǎng)之間的直流配電網(wǎng)絡(luò)在近四、五年才陸續(xù)開展研究。直流配電網(wǎng)由于涉及到新能源的并網(wǎng)、多級輸電網(wǎng)匯入、用電功率分配等多種功能，因此其應(yīng)用場景是直流網(wǎng)絡(luò)里最為多樣和復(fù)雜的[5]。直流變壓器作為直流輸配電網(wǎng)中的核心設(shè)備，承擔電壓等級變換、功率傳輸、故障隔離等作用。故而直流變壓器的多場景適應(yīng)性也是核心研究點之一。

輸入側(cè)為單極、輸出側(cè)為真雙極的應(yīng)用場景就是其中的一種。單極和真雙極是直流輸配電中最常用的兩種結(jié)構(gòu)。單極結(jié)構(gòu)簡單，但系統(tǒng)可靠性弱。真雙極結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，但增加了系統(tǒng)的可靠性[6]。一般情況下輸入和輸出均為單極或均為真雙極，便于直流變壓器的拓撲設(shè)計與工程實施。但在實際工程中，由于地理條件的限制，或經(jīng)濟成本的考量，會出現(xiàn)一側(cè)單極一側(cè)真雙極的應(yīng)用場景。最典型的應(yīng)用是海島風電傳輸。文獻[7-8]介紹了由于海島地理環(huán)境的限制，輸入側(cè)采用單極結(jié)構(gòu)。在城市示范區(qū)等區(qū)域，可用建設(shè)區(qū)域狹小，但又需要保證供電可靠性，也會出現(xiàn)輸入側(cè)單極、輸出側(cè)真雙極的應(yīng)用情況[9]。兩端拓撲不對稱帶來的最大問題是真雙極的正、負極之間負載不平衡時極易導致供電電壓不平衡，進而增大某一極的設(shè)備使用壓力和設(shè)計容量。交流電網(wǎng)中出現(xiàn)負載不平衡時，可以通過控制三相交流電的正負序電流來達到輸出電壓的平衡[10]。其根本原因是相當于有三個單相電路并聯(lián)運行。因此交流電網(wǎng)中治理負載不平衡的方法難以借鑒到直流電網(wǎng)中?，F(xiàn)有的直流變壓器拓撲對上述應(yīng)用場景的適應(yīng)性也表現(xiàn)出不足。文獻[11-15]提及了多種直流變壓器拓撲，包括雙有源橋（dual-active-bridge，DAB）級聯(lián)型拓撲、面對面（face-to-face，F(xiàn)2F）型拓撲、自耦變壓器拓撲等。但這些拓撲都是用于輸入、輸出對稱的場景。在實現(xiàn)海島電能傳輸時，文獻[7]提出兩個DAB級聯(lián)型拓撲輸入并聯(lián)、輸出串聯(lián)實現(xiàn)單極到真雙極的變換。在此基礎(chǔ)上，文獻[8]為了減小設(shè)備成本，考慮在直流變壓器的交流變換環(huán)節(jié)并聯(lián)。依照文獻[16-17]的思路，上述幾種直流變壓器拓撲均可通過輸入并聯(lián)、輸出串聯(lián)的方式實現(xiàn)單極到真雙極的變換。但該思路會增加幾乎一倍的設(shè)備成本。目前針對單極到真雙極場景的拓撲研究較少，有一些多端電力電子變壓器的應(yīng)用[15，18-19]可以借鑒。DAB級聯(lián)型拓撲中的子模塊換為三端口DC/DC子模塊，并將兩個輸出串聯(lián)，可以實現(xiàn)單極到雙極變換[18-19]。但其中高頻變壓器的設(shè)計、輸出串聯(lián)后子模塊之間的環(huán)流問題，都未有深入的研究。

本文根據(jù)單極到真雙極變換時負載不平衡的特點，提出一種新的直流變壓器拓撲設(shè)計方案。在真雙極的兩極之間增加功率平衡系統(tǒng)（power balance system，PBS）。PBS只處理負載不平衡導致的不平衡功率，使兩極之間的差值功率通過PBS處理，從而減小整個直流變換環(huán)節(jié)的設(shè)備容量需求。最后在Matlab/Simulink中搭建了相應(yīng)的仿真模型并設(shè)計了實驗平臺，驗證了該方案的可行性。

1 直流變壓器與功率平衡系統(tǒng)拓撲

圖1為本文所提直流變壓器與功率平衡系統(tǒng)拓撲。

圖1 直流變壓器與功率平衡系統(tǒng)拓撲Fig.1 DC transformer and power balance system

圖1中，單極直流輸入通常由電網(wǎng)接入或風電、光伏等的新能源直流接入。負載1與負載2串聯(lián)后接入直流變壓器的輸出，兩負載之間引出地線，由直流變壓器實現(xiàn)單極到真雙極的變換。負載1與負載2可以為低電壓等級直流電網(wǎng)、用電負荷等多種形式。直流變壓器為電壓控制型輸出，維持下級母線電壓的穩(wěn)定，直流變壓器的輸出電壓為Udc，負載1、負載2的電壓、功率分別為Vout+，Vout-，Pout+，Pout-。當負載1與負載2出現(xiàn)負荷不平衡的情況時，兩者的串聯(lián)特性導致二者分壓不均，即無法實現(xiàn)對稱電壓輸出。圖1中深色部分為功率平衡系統(tǒng)PBS。系統(tǒng)的一端連接負載1，另一端連接負載2。當負載1與負載2的電壓不平衡時，PBS處理二者之間的差值功率，進而使二者輸出電壓達到平衡。

圖2 單極到真雙極變換拓撲Fig.2 The topology of unipolar to true bipolar

2 拓撲比較

目前最為成熟的實現(xiàn)單極到真雙極變換的拓撲如圖2所示。拓撲使用兩個直流變壓器，在單極處并聯(lián)，兩者的輸出串聯(lián)，各自接負載，中間引出地線。

假設(shè)兩個負載平衡時每極功率Pout+=Pout-=P，P為額定功率；真雙極側(cè)的負載最大總功率設(shè)計為2P。目前直流電網(wǎng)并沒有定義不平衡度的公式，由于直流系統(tǒng)中負載1與負載2串聯(lián)，因此負載、電壓、功率的不平衡度相等。本文定義系統(tǒng)極限情況下的功率不平衡度（power unbalance factor，PUF）為η：

式中：Pload為正極或負極的負載功率。

設(shè)定以下兩個場景進行比較。

2.1 場景1

0≤Pout+≤P，0≤Pout-≤P，即Pout+與Pout-都不會超過各自線路的額定功率。

在實際生活中，該情況表示負載1與負載2都只運行在各自的設(shè)定區(qū)間，兩條線路不會互為備用，也不會出現(xiàn)各自過載的情況。此時，圖1拓撲的設(shè)備總設(shè)計功率：

式中：ηL1為負載1的功率不平衡度；ηL2為負載2的功率不平衡度。

圖2拓撲的設(shè)備總設(shè)計功率為2P。

在場景1的設(shè)定下，由于兩個負載并不會出現(xiàn)過載的情況，因此在圖1始終會多出來PBS處理不平衡功率，系統(tǒng)的總設(shè)計功率會大于圖2拓撲。該場景設(shè)定下本文所提拓撲不具有功率設(shè)計方面的優(yōu)勢。

2.2 場景2

0≤Pout++Pout-≤2P，0≤Pout+≤2P，0≤Pout-≤2P，即負載1和負載2的總運行功率不會超過系統(tǒng)的額定功率。但在不同的運行時刻，某一個負載會出現(xiàn)過載的情況，在實際生活中，該情況表現(xiàn)為某一線路會突增負荷，或兩線路備用運行的情況。此時，圖1拓撲的設(shè)備總設(shè)計功率如式（2）所示。

圖2拓撲的設(shè)備總設(shè)計功率：

在場景2的設(shè)定下，由于兩個負載會在不同的時刻出現(xiàn)過載的情況，因此圖2中兩個直流變壓器的額定容量需要設(shè)計滿足過載功率，系統(tǒng)的總設(shè)計功率將大于負載的總額定功率。而圖1拓撲的直流變壓器仍只需要滿足負載的額定功率，系統(tǒng)的不平衡功率由PBS處理，即由一條支路向另一條支路補償部分功率。故而系統(tǒng)的總設(shè)計功率要明顯小于使用兩個直流變壓器。由表1可以明顯看出，在場景2的設(shè)定條件下，含有PBS的直流變壓器拓撲能夠減少設(shè)計整體系統(tǒng)的設(shè)計功率。

表1 拓撲與場景對比Tab.1 Topology and scene comparison

將場景2中兩種拓撲的設(shè)計容量進行定量比對，繪制成圖3所示的三維圖。

從圖3可以看出，在負載的最大總功率同為2P時，在場景2下PBS具有明顯的功率設(shè)計方面的優(yōu)勢。當ηL1=ηL2=0時，兩種拓撲需要的功率設(shè)計容量相等，隨著負載不平衡程度的增大，含PBS拓撲的優(yōu)勢越來越明顯。當ηL1=ηL2=1時，負載不平衡度最大，含PBS的直流變壓器拓撲設(shè)備需求容量為3P，雙變換器并聯(lián)拓撲的設(shè)備需求容量為4P，采用PBS使直流變壓器的設(shè)備需求容量減少了25%。

3 控制方案設(shè)計

3.1 主電路控制方案設(shè)計

如圖1所示的直流變壓器拓撲并沒有固定的要求。本文以F2F型拓撲作為其中直流變壓器的拓撲，如圖4所示。

圖4 F2F型直流變壓器拓撲Fig.4 The topology of F2F DC transformer

圖4中，拓撲由兩個模塊化多電平變換器（modular multilevel converter，MMC）組成，中間由中頻變壓器連接。每個MMC由4個橋臂組成，每個橋臂包含相同數(shù)目的半橋子模塊。根據(jù)輸入和輸出電壓等級的不同，2個MMC中每個橋臂的子模塊數(shù)目不同。

直流變壓器控制策略示意圖如圖5所示。F2F型直流變壓器經(jīng)DC/AC/DC變換，交流部分可輸出方波而非正弦波，用以增加傳輸功率。直流變壓器的輸出與設(shè)定值進行比較，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后，與一次側(cè)形成與傳輸功率相關(guān)的傳輸角。傳輸角度與傳輸功率成正比。然后對每個橋臂的各個子模塊進行均壓計算，得到各子模塊的驅(qū)動信號，確定直流變壓器中各器件的運行狀態(tài)。

圖5 直流變壓器控制策略示意圖Fig.5 The schematic of the control strategy for DC transformer

3.2 功率平衡系統(tǒng)控制方案設(shè)計

功率平衡系統(tǒng)PBS主要用于處理正負極之間的不平衡功率，與直流變壓器主拓撲相比傳輸功率較小，可采用較為簡單的拓撲。但功率平衡系統(tǒng)的兩端分別接負載1與負載2。在不同運行工況下，功率的流向不同。負載1與負載2串聯(lián)，為了保證不平衡功率能流經(jīng)PBS，拓撲必須采用隔離型拓撲。綜上所述，用于PBS的拓撲需要滿足如下條件：1）功率雙向流動；2）具有隔離能力。故而本文選擇DAB拓撲，設(shè)計如圖6所示控制策略。

圖6 DAB拓撲的控制策略示意圖Fig.6 The schematic of the control strategy for DAB

DAB的兩端分別接負載1與負載2。二者的電壓信號進行比較，其差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)得到功率傳輸?shù)囊葡嘟铅?。DAB的一側(cè)由驅(qū)動信號開環(huán)驅(qū)動，另一側(cè)對應(yīng)橋臂由驅(qū)動信號移相δ進行閉環(huán)驅(qū)動。DAB的每側(cè)的1，4橋臂狀態(tài)相同，2，3橋臂狀態(tài)相同，1，2橋臂狀態(tài)相反。經(jīng)由該控制策略，負載1與負載2的電壓趨近于同一電壓。

在目前實際工程中直流變壓器主要采用DAB級聯(lián)型拓撲和F2F型拓撲。對于DAB級聯(lián)型拓撲，PBS的拓撲與其子模塊拓撲一致，在設(shè)備需求容量降低的情況下整體的DAB子模塊數(shù)量減少，其造價必然降低。而F2F型拓撲是適用于高電壓場景下的設(shè)備，功率器件多，造價高，使用DAB作為PBS對其經(jīng)濟性的提升效果更好。因此，對于主流直流變壓器拓撲，單位傳輸功率下的PBS造價不高于直流變壓器造價，降低設(shè)備需求容量能夠節(jié)省成本，當ηL1=ηL2=1時，在只考慮主電路的情況下，設(shè)備成本至少降低了25%。

4 仿真與實驗分析

4.1 仿真分析

本文在Matlab/Simulink中搭建如圖1所示仿真模型。其中直流變壓器主拓撲使用子模塊為半橋模塊的F2F型拓撲，功率平衡系統(tǒng)使用DAB拓撲。負載為電阻性負載。仿真模型的參數(shù)如下：輸入側(cè)母線電壓20 kV，直流變壓器輸出電壓6 kV，系統(tǒng)輸出電壓±3 kV，負載1電阻100 Ω或斷開，負載2電阻50 Ω或斷開。

參考最新制定的國家標準《中低壓直流配電電壓導則》[20]，本文選取20 kV作為直流配電網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓，±3 kV作為直流輸出電壓。真雙極側(cè)的正負極負載分別設(shè)定為100 Ω和50 Ω，表示正負極之間負載不平衡情況。另外考慮系統(tǒng)的極限運行情況，包括負載1斷路或者負載2斷路的情況。

圖7為負載1為100 Ω、負載2為50 Ω的仿真結(jié)果。由圖7可以看出，經(jīng)過短時間的電壓波動調(diào)整后，輸出的正極和負極均趨向于同一電壓。由于直流變壓器的輸出電壓為6 kV，正負極的最終輸出電壓穩(wěn)定在±3 kV。兩極的電壓波動均在標準規(guī)定的-5%～+5%之間。

圖7 負載不平衡時的電壓波形Fig.7 The voltage waveforms when load unbalanced

圖8為沒有PBS時系統(tǒng)的電壓輸出情況。可以看出，沒有任何處理的情況下，負載的電壓受負載比例的影響。負載不平衡的極限情況為一個負載保持不變，另一個處于空載的情況，即負載1處于斷路或負載2處于斷路。

圖8 無PBS的電壓波形Fig.8 The voltage waveforms without PBS

圖9為具有PBS時負載1正常、負載2斷路時的電壓波形。圖10為具有PBS時負載1斷路、負載2正常時的電壓波形。由圖9、圖10可以看出，在某一極斷路的情況下，系統(tǒng)由于PBS的存在，輸出的兩極電壓經(jīng)過短時的調(diào)整，依然可以趨向于同一電壓，且兩極的電壓波動也滿足標準規(guī)定的范圍。

圖9 負載2斷路時的電壓波形Fig.9 The voltage waveforms without load 2

圖10 負載1斷路時電壓波形Fig.10 The voltage waveforms without load 1

4.2 實驗分析

搭建具有PBS的直流變壓器實驗平臺，實驗的主電路由IGBT搭建，控制部分由dSPACE控制器完成。直流變壓器部分采用圖3所示的F2F型直流變壓器拓撲，搭建的實驗平臺如圖11所示，能量平衡系統(tǒng)采用DAB拓撲，由兩個H橋中間經(jīng)過高頻變壓器組成，H橋電路板如圖12所示。實驗參數(shù)如下：直流變壓器輸入電壓50 V，直流變壓器輸出電壓40 V，逆變側(cè)每橋臂模塊數(shù)4，整流側(cè)每橋臂模塊數(shù)4，負載1電阻25 Ω，負載2電阻 75 Ω。

圖11 DCT實驗平臺Fig.11 The experimental platform of DCT

圖12 H橋電路板Fig.12 The circuit board of H-bridge

實驗得到圖13所示實驗波形。兩個負荷的電壓分別為10 V和30 V。在t2時刻PBS投入運行后，兩個電壓趨于一致。經(jīng)過短暫的系統(tǒng)調(diào)整后，兩個負荷的電壓趨向一致。實驗的控制器使用半實物仿真系統(tǒng)，由于控制步長與控制精度的問題，兩個負載的電壓沒有完全重合。

圖13 實驗波形Fig.13 The experiment waveforms

5 結(jié)論

隨著直流發(fā)電單元的推廣，直流負荷的大量增加，處于傳輸關(guān)節(jié)的直流配電網(wǎng)研究成為重中之重。而源荷的多樣性又決定了直流配電網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景和應(yīng)用需求的多樣性。本文針對直流配電網(wǎng)中其中一種應(yīng)用場景——單極輸入到真雙極輸出的DC/DC變換，提出一種直流變壓器與功率平衡拓撲，用來解決該應(yīng)用場景下負載不平衡的問題。

1）將單極到真雙極變換場景下負載不平衡的情況分為兩種場景，討論了兩種場景下負載的運行情況、直流變壓器的設(shè)計需求。

2）分析了直流變壓器在兩種場景下的冗余要求。在第二種場景中，本文所提直流變壓器與功率平衡拓撲具有功率設(shè)計的優(yōu)勢，能夠減少DC/DC變換系統(tǒng)的容量設(shè)計需求。

3）對所提出的拓撲進行了仿真分析和實驗分析，驗證了本文所提拓撲的可行性。在多種運行工況下，該拓撲能夠平衡正負極的輸出電壓，減小負載不平衡對系統(tǒng)運行的影響。