基于IDC 配電系統(tǒng)的直流變壓器拓?fù)浼捌淇刂品椒ǖ难芯?/h1>
2023-08-22 01:23趙亞雄
通信電源技術(shù) 2023年11期
趙亞雄
（中通服咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）
0 引 言
作為互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）配電系統(tǒng)的重要組成部分，直流變壓器擔(dān)負(fù)著整個(gè)IDC 配電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的職責(zé)。從底層原理角度來說，直流變壓器無法采用磁耦合的方式進(jìn)行兩側(cè)電壓的變換，因此需采用電力電子技術(shù)完成兩側(cè)直流電壓的變換功能。利用直流-直流變換器的功能作為基礎(chǔ)，通過各個(gè)功能部件的有機(jī)組合，完成直流變壓器電壓轉(zhuǎn)換和能量的流動[1-5]。
現(xiàn)階段，直流變壓器被廣泛應(yīng)用于實(shí)際運(yùn)營生產(chǎn)過程，對其的研究也成為現(xiàn)行IDC 配電網(wǎng)技術(shù)的重要方向。文章將傳統(tǒng)邏輯鏈路控制（Logical Link Control，LLC）諧振變換器與模塊化多電平技術(shù)相結(jié)合，提出一種適用于直流配電網(wǎng)的直流變壓器新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，使其在直流配電網(wǎng)中穩(wěn)定運(yùn)行，保證在負(fù)載突變、網(wǎng)壓波動的情況下具有良好的調(diào)節(jié)能力。文章設(shè)計(jì)了一款10 kV/400 V 的系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較高的實(shí)用性和穩(wěn)定性[6-10]。
1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及特性分析
1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
基于LLC 的直流變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。為防止原邊開關(guān)承載過高電壓，文章設(shè)計(jì)的拓?fù)淇捎行Х謸?dān)主側(cè)輸入高電壓，同時(shí)可以保證功率密度維持在一定水平，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電磁隔離。本文設(shè)計(jì)的基于IDC 配電系統(tǒng)的直流變壓器為輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)（Input Series and Output Paralle，ISOP） 結(jié)構(gòu)，LLC 諧振單元是其基本組成單元，可輸出較寬的負(fù)載范圍，保證主側(cè)開關(guān)維持低損耗。目前為止，LLC諧振變換器多使用功率較低的金氧半場效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET），很少有在LLC 諧振變換器中應(yīng)用高壓絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的技術(shù)方案，本文設(shè)計(jì)的基于IDC 配電系統(tǒng)的直流變壓器對電壓有較高要求，因此采用IGBT 開關(guān)成為本目標(biāo)拓?fù)涞牟欢x擇。
圖1 直流變壓器拓?fù)?/p>
1.2 輸入輸出均壓均流特性分析
文章所提的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸入側(cè)有4 個(gè)電容串聯(lián)分?jǐn)傒斎腚妷?，輸入網(wǎng)絡(luò)的電容間需保持均壓。輸出側(cè)的電流由組成的4 組LLC 諧振單元統(tǒng)一輸出，同樣需保持輸出電流為均流狀態(tài)。
從理想的電路原理方面考慮，此拓?fù)淇勺孕型瓿删鶋壕鞯倪\(yùn)行狀態(tài)。文章設(shè)計(jì)的直流變壓器運(yùn)行時(shí)，4 個(gè)LLC 諧振單元（4 個(gè)基本模塊）以相同的電壓同時(shí)工作。當(dāng)其中一個(gè)模塊輸入電壓降低時(shí)，相應(yīng)副側(cè)的整流二極管會發(fā)生反偏，進(jìn)而使得其他模塊承擔(dān)、傳遞更多功率，此模塊輸入電壓相應(yīng)降低。但是，由于總的輸入電壓不變，相鄰模塊輸入電壓的降低使得此模塊的輸入電壓升高，而電壓的升高又會使其副側(cè)的整流二極管再次導(dǎo)通，最終達(dá)到自動均壓的目的。從單獨(dú)的變換器模塊角度考慮，隨著輸入電壓的變化。當(dāng)S1閉合而S2斷開時(shí)，如圖2 所示，C1、C2分別放、充電，因此C1電壓下降、C2電壓上升。反之，當(dāng)S1斷開而S2閉合時(shí)，C1電壓上升、C2電壓下降。當(dāng)電容達(dá)到平衡狀態(tài)后，電容C1電壓會被輸出電壓鉗位于Up，最后完成自動均壓運(yùn)行狀態(tài)。
圖2 理想等效電路
在實(shí)際運(yùn)行過程中，變壓器自動均壓的影響因素有諧振電容、諧振電感和漏感、繞線電阻以及匝數(shù)等。
為了方便分析，需要簡化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如圖3所示，在ISOP 模型中，各模塊的輸入級電流相等，即Iin1=Iin2=…=Iinn；輸出級的輸出電壓相等，即Uo1=Uo2=…=Uon。如果保證輸出級的電流也相等，即Io1=Io2=…=Ion，則每個(gè)模塊的輸出功率相等，即Po1=Po2=…=Pon。假設(shè)各模塊的效率為ηi，在輸入級電流相等的情況下，則Uin1η1=Uin2η2=…=Uinnηn。由此可知：如果無法滿足效率相等的條件，無法實(shí)現(xiàn)均壓效果，則導(dǎo)致效率降低，電壓升高。假如Uin1=Uin2=…=Uinn，ISOP 結(jié)構(gòu)各模塊輸入級輸入電流都相等，因此各模塊的輸入功率相等，即Pin1=Pin2=…=Pinn。因?yàn)镻inη=Po，且Po=IoUo、Uo1=Uo2=…=Uon，所以要使得Io1=Io2=…=Ion，須有η1=η2=…=ηn。換句話說，假如每個(gè)單元模塊的輸入級輸入電壓相等，每個(gè)單元的效率相等，那么輸出的電流就相等，可以達(dá)到均流的效果。
圖3 ISOP 簡化結(jié)構(gòu)
因此，各個(gè)模塊輸入均壓時(shí)，輸入功率相等，輸出電流相等，從而保證輸出功率也相等，反過來也可以使得輸入電壓保持相等。
2 控制策略
本文所提出的直流變壓器系統(tǒng)的控制策略如圖4所示，為三環(huán)策略，電壓外環(huán)主要負(fù)責(zé)穩(wěn)定輸出電壓，為電流內(nèi)環(huán)提供參考值。系統(tǒng)輸出電壓經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)后與輸出電壓的參考值相比較，其差值經(jīng)PI 調(diào)節(jié)輸出，成為電流內(nèi)環(huán)的參考值之一；輸入均壓環(huán)主要負(fù)責(zé)直流變壓器輸入側(cè)各模塊輸入電壓的均壓，并為電流內(nèi)環(huán)提供參考電流。每個(gè)單元模塊的輸入電壓經(jīng)采樣后與輸入電壓的參考值相比，其差值經(jīng)PI 調(diào)節(jié)后輸出，成為電流內(nèi)環(huán)的又一個(gè)參考值；電流內(nèi)環(huán)的存在加強(qiáng)了系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)性能，使系統(tǒng)對系統(tǒng)偏差的反應(yīng)速度更快，電流內(nèi)環(huán)采集輸出電流，與之前輸出電壓環(huán)和輸入均壓環(huán)產(chǎn)生的參考值之和相比，差值進(jìn)入系統(tǒng)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，其輸出值作為信號輸入到系統(tǒng)脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency Modulation，PFM）的發(fā)生器中，從而產(chǎn)生開關(guān)信號，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作頻率和運(yùn)行情況。
圖4 系統(tǒng)控制策略
3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本文通過MATLAB/Simulink 平臺對設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。
表1 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
系統(tǒng)滿載轉(zhuǎn)換為輕載時(shí)的模擬波形如圖5 所示。當(dāng)系統(tǒng)在0.3 s 時(shí)，負(fù)荷突變?yōu)?0%負(fù)載，此時(shí)輸出電壓存在細(xì)微波動，但又迅速穩(wěn)定在400 V 輸出電壓。如圖6 所示，系統(tǒng)在0.3 s 處負(fù)荷轉(zhuǎn)換為滿載狀態(tài)，此時(shí)輸出電壓在細(xì)微波動后再一次穩(wěn)定在輸出為400 V 的電壓狀態(tài)，此現(xiàn)象證明了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。
圖5 系統(tǒng)滿載變輕載
圖6 系統(tǒng)輕載變滿載
4 結(jié) 論
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文章所提的直流變壓器拓?fù)浼捌淇刂撇呗阅軌蚝芎玫貞?yīng)對直流配電網(wǎng)發(fā)生的各種突發(fā)情況，對負(fù)載突變、網(wǎng)壓波動等情況具有良好的適應(yīng)能力及調(diào)整能力，從而保證系統(tǒng)在整個(gè)直流配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
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趙亞雄
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0 引 言
作為互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）配電系統(tǒng)的重要組成部分，直流變壓器擔(dān)負(fù)著整個(gè)IDC 配電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的職責(zé)。從底層原理角度來說，直流變壓器無法采用磁耦合的方式進(jìn)行兩側(cè)電壓的變換，因此需采用電力電子技術(shù)完成兩側(cè)直流電壓的變換功能。利用直流-直流變換器的功能作為基礎(chǔ)，通過各個(gè)功能部件的有機(jī)組合，完成直流變壓器電壓轉(zhuǎn)換和能量的流動[1-5]。
現(xiàn)階段，直流變壓器被廣泛應(yīng)用于實(shí)際運(yùn)營生產(chǎn)過程，對其的研究也成為現(xiàn)行IDC 配電網(wǎng)技術(shù)的重要方向。文章將傳統(tǒng)邏輯鏈路控制（Logical Link Control，LLC）諧振變換器與模塊化多電平技術(shù)相結(jié)合，提出一種適用于直流配電網(wǎng)的直流變壓器新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，使其在直流配電網(wǎng)中穩(wěn)定運(yùn)行，保證在負(fù)載突變、網(wǎng)壓波動的情況下具有良好的調(diào)節(jié)能力。文章設(shè)計(jì)了一款10 kV/400 V 的系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較高的實(shí)用性和穩(wěn)定性[6-10]。
1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及特性分析
1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
基于LLC 的直流變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。為防止原邊開關(guān)承載過高電壓，文章設(shè)計(jì)的拓?fù)淇捎行Х謸?dān)主側(cè)輸入高電壓，同時(shí)可以保證功率密度維持在一定水平，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電磁隔離。本文設(shè)計(jì)的基于IDC 配電系統(tǒng)的直流變壓器為輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)（Input Series and Output Paralle，ISOP） 結(jié)構(gòu)，LLC 諧振單元是其基本組成單元，可輸出較寬的負(fù)載范圍，保證主側(cè)開關(guān)維持低損耗。目前為止，LLC諧振變換器多使用功率較低的金氧半場效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET），很少有在LLC 諧振變換器中應(yīng)用高壓絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的技術(shù)方案，本文設(shè)計(jì)的基于IDC 配電系統(tǒng)的直流變壓器對電壓有較高要求，因此采用IGBT 開關(guān)成為本目標(biāo)拓?fù)涞牟欢x擇。
圖1 直流變壓器拓?fù)?/p>
1.2 輸入輸出均壓均流特性分析
文章所提的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸入側(cè)有4 個(gè)電容串聯(lián)分?jǐn)傒斎腚妷?，輸入網(wǎng)絡(luò)的電容間需保持均壓。輸出側(cè)的電流由組成的4 組LLC 諧振單元統(tǒng)一輸出，同樣需保持輸出電流為均流狀態(tài)。
從理想的電路原理方面考慮，此拓?fù)淇勺孕型瓿删鶋壕鞯倪\(yùn)行狀態(tài)。文章設(shè)計(jì)的直流變壓器運(yùn)行時(shí)，4 個(gè)LLC 諧振單元（4 個(gè)基本模塊）以相同的電壓同時(shí)工作。當(dāng)其中一個(gè)模塊輸入電壓降低時(shí)，相應(yīng)副側(cè)的整流二極管會發(fā)生反偏，進(jìn)而使得其他模塊承擔(dān)、傳遞更多功率，此模塊輸入電壓相應(yīng)降低。但是，由于總的輸入電壓不變，相鄰模塊輸入電壓的降低使得此模塊的輸入電壓升高，而電壓的升高又會使其副側(cè)的整流二極管再次導(dǎo)通，最終達(dá)到自動均壓的目的。從單獨(dú)的變換器模塊角度考慮，隨著輸入電壓的變化。當(dāng)S1閉合而S2斷開時(shí)，如圖2 所示，C1、C2分別放、充電，因此C1電壓下降、C2電壓上升。反之，當(dāng)S1斷開而S2閉合時(shí)，C1電壓上升、C2電壓下降。當(dāng)電容達(dá)到平衡狀態(tài)后，電容C1電壓會被輸出電壓鉗位于Up，最后完成自動均壓運(yùn)行狀態(tài)。
圖2 理想等效電路
在實(shí)際運(yùn)行過程中，變壓器自動均壓的影響因素有諧振電容、諧振電感和漏感、繞線電阻以及匝數(shù)等。
為了方便分析，需要簡化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如圖3所示，在ISOP 模型中，各模塊的輸入級電流相等，即Iin1=Iin2=…=Iinn；輸出級的輸出電壓相等，即Uo1=Uo2=…=Uon。如果保證輸出級的電流也相等，即Io1=Io2=…=Ion，則每個(gè)模塊的輸出功率相等，即Po1=Po2=…=Pon。假設(shè)各模塊的效率為ηi，在輸入級電流相等的情況下，則Uin1η1=Uin2η2=…=Uinnηn。由此可知：如果無法滿足效率相等的條件，無法實(shí)現(xiàn)均壓效果，則導(dǎo)致效率降低，電壓升高。假如Uin1=Uin2=…=Uinn，ISOP 結(jié)構(gòu)各模塊輸入級輸入電流都相等，因此各模塊的輸入功率相等，即Pin1=Pin2=…=Pinn。因?yàn)镻inη=Po，且Po=IoUo、Uo1=Uo2=…=Uon，所以要使得Io1=Io2=…=Ion，須有η1=η2=…=ηn。換句話說，假如每個(gè)單元模塊的輸入級輸入電壓相等，每個(gè)單元的效率相等，那么輸出的電流就相等，可以達(dá)到均流的效果。
圖3 ISOP 簡化結(jié)構(gòu)
因此，各個(gè)模塊輸入均壓時(shí)，輸入功率相等，輸出電流相等，從而保證輸出功率也相等，反過來也可以使得輸入電壓保持相等。
2 控制策略
本文所提出的直流變壓器系統(tǒng)的控制策略如圖4所示，為三環(huán)策略，電壓外環(huán)主要負(fù)責(zé)穩(wěn)定輸出電壓，為電流內(nèi)環(huán)提供參考值。系統(tǒng)輸出電壓經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)后與輸出電壓的參考值相比較，其差值經(jīng)PI 調(diào)節(jié)輸出，成為電流內(nèi)環(huán)的參考值之一；輸入均壓環(huán)主要負(fù)責(zé)直流變壓器輸入側(cè)各模塊輸入電壓的均壓，并為電流內(nèi)環(huán)提供參考電流。每個(gè)單元模塊的輸入電壓經(jīng)采樣后與輸入電壓的參考值相比，其差值經(jīng)PI 調(diào)節(jié)后輸出，成為電流內(nèi)環(huán)的又一個(gè)參考值；電流內(nèi)環(huán)的存在加強(qiáng)了系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)性能，使系統(tǒng)對系統(tǒng)偏差的反應(yīng)速度更快，電流內(nèi)環(huán)采集輸出電流，與之前輸出電壓環(huán)和輸入均壓環(huán)產(chǎn)生的參考值之和相比，差值進(jìn)入系統(tǒng)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，其輸出值作為信號輸入到系統(tǒng)脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency Modulation，PFM）的發(fā)生器中，從而產(chǎn)生開關(guān)信號，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作頻率和運(yùn)行情況。
圖4 系統(tǒng)控制策略
3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本文通過MATLAB/Simulink 平臺對設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。
表1 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
系統(tǒng)滿載轉(zhuǎn)換為輕載時(shí)的模擬波形如圖5 所示。當(dāng)系統(tǒng)在0.3 s 時(shí)，負(fù)荷突變?yōu)?0%負(fù)載，此時(shí)輸出電壓存在細(xì)微波動，但又迅速穩(wěn)定在400 V 輸出電壓。如圖6 所示，系統(tǒng)在0.3 s 處負(fù)荷轉(zhuǎn)換為滿載狀態(tài)，此時(shí)輸出電壓在細(xì)微波動后再一次穩(wěn)定在輸出為400 V 的電壓狀態(tài)，此現(xiàn)象證明了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。
圖5 系統(tǒng)滿載變輕載
圖6 系統(tǒng)輕載變滿載
4 結(jié) 論
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文章所提的直流變壓器拓?fù)浼捌淇刂撇呗阅軌蚝芎玫貞?yīng)對直流配電網(wǎng)發(fā)生的各種突發(fā)情況，對負(fù)載突變、網(wǎng)壓波動等情況具有良好的適應(yīng)能力及調(diào)整能力，從而保證系統(tǒng)在整個(gè)直流配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
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