學術簡報｜混合模組化直流固態變壓器的工作原理及穩態特性分析

華北電力大學河北省分散式儲能與微網重點實驗室的研究人員付超、武承傑、孫玉巍、高振，在2019年《電工技術學報》增刊1上撰文指出，作為柔性直流配網的關鍵裝置，直流固態變壓器（DCSST）的控制性能和效率對提高系統實用性和經濟性具有重要意義。不同於現有的模組化級聯型DCSST，結合移相型雙有源橋（PS-DAB）變換器和串聯諧振型雙有源橋（SR-DAB）變換器，提出一種混合型模組化直流固態變壓器（HMDCSST）。

該DCSST融合了PS-DAB控制靈活以及SR-DAB執行效率高的優點，較原有的DCSST拓撲，在保持靈活的電壓調節能力的同時，可提高功率傳輸效率，且由於SR-DAB模組運行於開環模式，進而降低了系統設計複雜度。分析HMDCSST的工作原理，給出平均值數學模型以及功率損耗模型，並對該混合模型在定輸出電壓控制模式下的輸入輸出特性及功率傳輸效率進行詳細分析。

最後，透過實驗結果表明，所提出混合模組化直流固態變壓器的功率傳輸效率可達96.4%，較單一PS-DAB型DCSST，可提升約1.0%。此外，輸入側和輸出側擾動實驗進一步驗證了工作原理及穩態特性分析的正確性。

固態變壓器相比於傳統變壓器，具有功率密度高、控制靈活及易於擴充套件等優勢，目前在電力機車牽引供電、分散式新能源併網發電以及跨區域電網互聯等領域的應用研究得到廣泛關注。

隨著固態變壓器技術的發展以及直流負載的大量應用，直流固態變壓器（Direct Current Solid State Transformer， DCSST）作為直流配電網中的關鍵部件，已成為當前的研究重點。目前已有多種型別的DCSST，如移相型雙有源全橋（Phase Shift Dual Active Bridge， PS-DAB）變換器、串聯諧振型雙有源全橋（Series Resonant Dual Active Bridge， SR-DAB）變換器、基於鏈式模組的直接耦合式DCSST、基於雙主動相移的模組化多電平高頻直流變換器，雙向LLC諧振型軟開關DCSST［9］以及多電平直流鏈固態變壓器等。

在上述不同型別的直流固態變壓器中，PS-DAB和SR-DAB是較早提出的兩種可實現直流固態變壓器功能的變換器拓撲，相關研究成果較為豐富。PS- DAB具有可控制靈活、佔用空間小等優點，但移相控制中會產生較大的迴流功率和電流應力，導致系統損耗增加。

有學者提出了不同的最小回流功率控制方法使PS-DAB執行效率得以提升，但也使得控制複雜性相對增加。SR-DAB由於可工作於諧振狀態，全部開關器件均可實現零電壓開關或零電流開關，從而減小了開關損耗，提高執行效率。但SR-DAB的最大電壓增益為1，只能工作於降壓模式，電壓調節能力有限，當其需要實現寬範圍調節時，變換器工作模態增多，增加了控制、諧振迴路和變壓器引數設計複雜程度，且對變壓器設計製造提出較高要求。

此外，部分學者還關注了PS-DAB和SR-DAB的建模問題，為深入研究二者穩動態特性奠定了基礎。

有學者基於移相控制原理建立了PS-DAB的大訊號模型與小訊號模型。

有學者利用基波分量法，提出了SR-DAB的穩態等效電路模型，並分析了其執行特性。

有學者採用擴充套件描述函式法，建立了SR-DAB的小訊號等效電路模型。為適應高壓大功率應用場景需求，DCSST通常採用輸入輸出串並聯模組化結構。

有學者針對此類DCSST的電壓或功率均衡控制方法展開研究。

有學者則對DCSST應用於中高壓配網中的電壓調節和功率控制方法進行了深入探討。

上述研究均針對由單一PS-DAB或SR-DAB模組構成的DCSST，而對採用不同型別模組組合的DCSST研究較少。有學者分別提出輸入並聯輸出串聯和輸入串聯輸出並聯級聯方式的混合結構，但直流變換器模組採用全橋直流變壓器和移相全橋串聯諧振變換器，不適用於功率雙向傳輸的應用場合。

如前所述，鑑於PS-DAB和SR-DAB各具優勢，本文結合二者的優點，提出了一種混合型模組化直流固態變壓器（Hybrid Modular DC Solid State Transformer， HMDCSST）。PS-DAB作為功率控制模組，利用自身的靈活控制能力，實現輸出電壓或功率調節；而SR-DAB作為諧振模組，利用該模組的高轉換效率特性，承擔主要的功率傳輸功能，以期在實現電壓靈活調節的同時，達到較高的執行效率。

在控制方面，HMDCSST採用開環與閉環相結合的控制方式：PS-DAB模組採用閉環控制，實現既定控制目標，如輸出電壓控制等；SR-DAB模組採用開環控制，工作於諧振狀態。由於諧振模組工作模態單一，使得整個系統的控制和模組引數設計均不同程度得以簡化。

本文對所提出的HMDCSST的拓撲和工作原理進行分析，建立相應的平均值模型和功率損耗模型，對其在定輸出電壓控制模式下的輸入輸出特性和功率傳輸效率進行分析。最後，在已有PS-DAB型DCSST實驗樣機的基礎上實現HMDCSST，透過實驗結果驗證所提出模型的正確性。

圖14 實驗樣機

總結

本文為提高直流固態變壓器的功率傳輸效率並使其具備一定的電壓調節能力，提出一種混合模組化直流固態變壓器拓撲。分析了該直流變換器的工作原理及數學模型，基於所推匯出的平均值模型，對恆壓控制模型下的輸入輸出特性、引數影響進行了分析，並根據其損耗模型進行功率傳輸效率分析，為後續複雜應用場景下的綜合最佳化設計奠定了基礎。

實驗結果表明，所提出的混合模組化直流固態變壓器可提高功率傳輸效率，並在輸入電壓及負載變化時，依舊能夠實現輸出電壓的穩定控制，且具備一定的電壓調節能力。該直流固態變壓器不僅能夠提高功率傳輸效率，其模組化、易於拓展的特點，使得其能夠在大容量直流併網以及高壓直流輸配電領域，具有一定的實用價值。

本文工作基於已有實驗平臺展開，條件所限，模組引數尚待最佳化，後續工作將包括系統綜合最佳化設計、動態特性分析及快速響應控制方法研究等。