- 頭條混合模塊化直流固態變壓器的新成果，響應速度快，干擾抑制效果好2020-09-29 作者：付超、高振、孫玉巍、武承杰 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語華北電力大學分布式儲能與微網河北省重點實驗室的研究人員付超、高振、孫玉巍、武承杰，在2019年第14期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“混合模塊化直流固態變壓器 II：動態特性及快速響應控制”）指出，基于移相式-雙有源橋（PS-DAB）變換器和串聯諧振式-雙有源橋（SR-DAB）變換器模塊組合的混合模塊化直流固態變壓器（HMDCSST），兼具PS-DAB和SR-DAB在靈活控制和高效變換方面的優勢，主要對其動態特性和快速響應控制策略進行研究。 HMDCSST采用輸入串聯輸出并聯（ISOP）結構，在對PS-DAB和SR-DAB分別建立平均值和小信號模型的基礎上，建立HMDCSST的整體小信號模型，并通過仿真證明小信號模型的準確性。為提高直流固態變壓器的動態響應速度，抑制輸入電壓與負載功率擾動對輸出電壓的影響，提出一種輸入電壓前饋與負載功率預測相結合的快速響應控制策略，并利用頻域分析伯德圖對控制系統的穩定性進行分析。最后構建HMDCSST實驗平臺，對提出的快速響應控制策略進行實驗驗證，并與傳統PI控制進行對比，實驗結果驗證了所提控制策略的有效性和優越性。
隨著功率半導體技術的發展和直流分布式電源、儲能以及直流負荷日益增多，直流輸配電技術已經成為當前的研究熱點。直流固態變壓器（Direct Current Solid State Transformer, DCSST）作為在不同電壓等級直流電網間實現電壓和功率靈活控制與管理的關鍵設備，也成為眾多學者關注的對象。
鑒于移相式-雙有源橋（Phase Shift-Dual Active Bridge, PS-DAB）變換器和串聯諧振式-雙有源橋（Series Resonance-Dual Active Bridge, SR-DAB）變換器具有控制靈活和變換效率高的優點，本文作者在相關文獻中提出一種基于PS-DAB和SR- DAB模塊采用輸入串聯輸出并聯（Input Series Output Parallel, ISOP）結構組合的混合模塊化直流固態變壓器（Hybrid Modular Direct Current Solid State Transformer, HMDCSST）。
其中SR-DAB模塊采用開環控制工作于諧振狀態，而PS-DAB模塊采用閉環控制實現HMDCSST的電壓或功率調節功能。由于采用模塊組合，通過設置合適的SR-DAB和PS-DAB模塊數比例，則可實現HMDCSST在保證高效率變換的同時具備靈活可控的能力。此外，由于SR-DAB采用開環控制，可顯著減小系統控制復雜度以及通信端口的數量。
建立HMDCSST的小信號模型是深入研究其動態特性，進行快速響應控制的前提。
- 有學者提出一種PS-DAB全階連續時間平均模型，利用電感電流和電容電壓的直流分量和一階分量作為狀態變量，得到系統的狀態方程，并由此得出PS-DAB的小信號模型。
- 有學者基于分段線性化的電流方程建立了PS-DAB的平均值模型和小信號模型。
- 有學者基于分段指數積分的平均電流建立了PS-DAB的平均值模型，并利用指數函數的泰勒級數進行近似，推導出PS-DAB的小信號模型。
- 對于SR-DAB的建模方法，有學者利用基波分析法，建立了SR-DAB的平均值模型。
- 有學者基于頻域分析，考慮所有諧波分量，推導了SR-DAB的準確穩態模型。
- 有學者采用拓展函數法建立了SR-DAB的小信號等效模型。
本文在上述研究工作的基礎上，建立PS-DAB與SR-DAB平均值模型，并分別推導出PS-DAB與SR-DAB小信號模型，進而得到HMDCSST的小信號模型。
改善DCSST的動態響應有利于提高直流系統復雜工況下的供電質量和運行穩定性，部分學者對此展開了深入研究。在描述DC-DC變換器小信號模型中，當輸入電壓-輸出電壓的傳遞函數A(s)為零時，可使得輸入電壓的擾動對輸出電壓的影響幾乎為零，部分文獻通過輸入電壓前饋法來使A(s)接近于零。
- 有學者以Boost DC-DC變換器為研究對象，提出一種自適應輸入電壓前饋控制策略，并采用H∞理論優化控制，實現抑制輸入電壓擾動對變換器輸出電壓的影響。
- 有學者基于PS-DAB的小信號模型討論了影響PS-DAB動態特性的因素，在此基礎上，提出了一種優化前饋系數的輸入電壓前饋控制策略。
- 為抑制負載側功率波動對輸出電壓的影響，有學者提出了負載電流前饋控制策略，不同之處在于其研究通過增加負載電流前饋補償環節來減弱負載電流的擾動對輸出電壓的影響。
- 而有學者通過預測負載功率，直接給定一個預期移相比，從而加快變換器的動態響應速度。
- 有學者基于PS-DAB的平均值模型，提出一種虛擬直接功率控制策略，考慮輸入電壓擾動量與負載功率擾動量，通過功率預測可以抑制輸入電壓與負載功率擾動對PS-DAB輸出電壓的影響。由于采用ISOP結構的HMDCSST的PS-DAB和SR-DAB模塊間存在耦合，其平均值模型比單模塊PS-DAB模型復雜，采用虛擬功率直接功率控制策略計算過于復雜，不利于硬件實現。
本文首先建立HMDCSST的小信號模型，并通過仿真證明其準確性。基于HMDCSST的小信號模型，提出一種快速響應控制策略，即在傳統輸出電壓PI控制的基礎上，利用輸入電壓前饋控制策略減小輸入電壓擾動對輸出電壓的影響，并采用負載功率預測控制策略抑制負載功率擾動對輸出電壓的影響。通過仿真對比分析了所提控制策略的穩定性，最后通過實驗結果驗證了HMDCSST快速響應控制策略的有效性。
圖10 HMDCSST實驗平臺
總結
本文建立了HMDCSST的小信號模型，并通過仿真證明小信號模型的準確性。提出一種綜合輸入電壓前饋與負載功率預測的快速響應控制策略，并分析了控制系統的穩定性與響應快速性。最后通過搭建兩模塊小功率實驗平臺，將本文提出的快速響應控制策略與傳統PI控制策略進行比較，得出以下結論：
- 1）本文所建立的HMDCSST小信號模型能夠準確表征系統的動態響應特性，可以用來研究HMDCSST系統在輸入電壓與負載功率發生階躍擾動下的控制策略。
- 2）穩定性分析表明，本文提出的快速響應控制系統是穩定的，且相比于傳統PI控制，系統響應速度明顯加快，對系統擾動具有良好的抑制效果。
- 3）實驗結果驗證了本文提出的快速響應控制策略的有效性。
- 4）輸入電壓突變瞬間，SR-DAB諧振電流會出現較大尖峰，本文下一步工作將研究輸入電壓發生突變時抑制SR-DAB諧振電流尖峰優化控制策略。
