固態(tài)變壓器相比于傳統(tǒng)變壓器，具有功率密度高、控制靈活及易于擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)，目前在電力機(jī)車牽引供電、分布式新能源并網(wǎng)發(fā)電以及跨區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)等領(lǐng)域的應(yīng)用研究得到廣泛關(guān)注。

隨著固態(tài)變壓器技術(shù)的發(fā)展以及直流負(fù)載的大量應(yīng)用，直流固態(tài)變壓器（Direct Current Solid State Transformer, DCSST）作為直流配電網(wǎng)中的關(guān)鍵部件，已成為當(dāng)前的研究重點(diǎn)。目前已有多種類型的DCSST，如移相型雙有源全橋（Phase Shift Dual Active Bridge, PS-DAB）變換器、串聯(lián)諧振型雙有源全橋（Series Resonant Dual Active Bridge, SR-DAB）變換器、基于鏈?zhǔn)侥K的直接耦合式DCSST、基于雙主動(dòng)相移的模塊化多電平高頻直流變換器，雙向LLC諧振型軟開(kāi)關(guān)DCSST[9]以及多電平直流鏈固態(tài)變壓器等。

在上述不同類型的直流固態(tài)變壓器中，PS-DAB和SR-DAB是較早提出的兩種可實(shí)現(xiàn)直流固態(tài)變壓器功能的變換器拓?fù)洌嚓P(guān)研究成果較為豐富。PS- DAB具有可控制靈活、占用空間小等優(yōu)點(diǎn)，但移相控制中會(huì)產(chǎn)生較大的回流功率和電流應(yīng)力，導(dǎo)致系統(tǒng)損耗增加。

有學(xué)者提出了不同的最小回流功率控制方法使PS-DAB運(yùn)行效率得以提升，但也使得控制復(fù)雜性相對(duì)增加。SR-DAB由于可工作于諧振狀態(tài)，全部開(kāi)關(guān)器件均可實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)或零電流開(kāi)關(guān)，從而減小了開(kāi)關(guān)損耗，提高運(yùn)行效率。但SR-DAB的最大電壓增益為1，只能工作于降壓模式，電壓調(diào)節(jié)能力有限，當(dāng)其需要實(shí)現(xiàn)寬范圍調(diào)節(jié)時(shí)，變換器工作模態(tài)增多，增加了控制、諧振回路和變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)復(fù)雜程度，且對(duì)變壓器設(shè)計(jì)制造提出較高要求。

此外，部分學(xué)者還關(guān)注了PS-DAB和SR-DAB的建模問(wèn)題，為深入研究二者穩(wěn)動(dòng)態(tài)特性奠定了基礎(chǔ)。

• 有學(xué)者基于移相控制原理建立了PS-DAB的大信號(hào)模型與小信號(hào)模型。
• 有學(xué)者利用基波分量法，提出了SR-DAB的穩(wěn)態(tài)等效電路模型，并分析了其運(yùn)行特性。
• 有學(xué)者采用擴(kuò)展描述函數(shù)法，建立了SR-DAB的小信號(hào)等效電路模型。為適應(yīng)高壓大功率應(yīng)用場(chǎng)景需求，DCSST通常采用輸入輸出串并聯(lián)模塊化結(jié)構(gòu)。
• 有學(xué)者針對(duì)此類DCSST的電壓或功率均衡控制方法展開(kāi)研究。
• 有學(xué)者則對(duì)DCSST應(yīng)用于中高壓配網(wǎng)中的電壓調(diào)節(jié)和功率控制方法進(jìn)行了深入探討。

上述研究均針對(duì)由單一PS-DAB或SR-DAB模塊構(gòu)成的DCSST，而對(duì)采用不同類型模塊組合的DCSST研究較少。有學(xué)者分別提出輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)和輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)級(jí)聯(lián)方式的混合結(jié)構(gòu)，但直流變換器模塊采用全橋直流變壓器和移相全橋串聯(lián)諧振變換器，不適用于功率雙向傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)合。

如前所述，鑒于PS-DAB和SR-DAB各具優(yōu)勢(shì)，本文結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種混合型模塊化直流固態(tài)變壓器（Hybrid Modular DC Solid State Transformer, HMDCSST）。PS-DAB作為功率控制模塊，利用自身的靈活控制能力，實(shí)現(xiàn)輸出電壓或功率調(diào)節(jié)；而SR-DAB作為諧振模塊，利用該模塊的高轉(zhuǎn)換效率特性，承擔(dān)主要的功率傳輸功能，以期在實(shí)現(xiàn)電壓靈活調(diào)節(jié)的同時(shí)，達(dá)到較高的運(yùn)行效率。

在控制方面，HMDCSST采用開(kāi)環(huán)與閉環(huán)相結(jié)合的控制方式：PS-DAB模塊采用閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)既定控制目標(biāo)，如輸出電壓控制等；SR-DAB模塊采用開(kāi)環(huán)控制，工作于諧振狀態(tài)。由于諧振模塊工作模態(tài)單一，使得整個(gè)系統(tǒng)的控制和模塊參數(shù)設(shè)計(jì)均不同程度得以簡(jiǎn)化。

本文對(duì)所提出的HMDCSST的拓?fù)浜凸ぷ髟磉M(jìn)行分析，建立相應(yīng)的平均值模型和功率損耗模型，對(duì)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(jìn)行分析。最后，在已有PS-DAB型DCSST實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)HMDCSST，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證所提出模型的正確性。

圖14 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

總結(jié)

本文為提高直流固態(tài)變壓器的功率傳輸效率并使其具備一定的電壓調(diào)節(jié)能力，提出一種混合模塊化直流固態(tài)變壓器拓?fù)洹７治隽嗽撝绷髯儞Q器的工作原理及數(shù)學(xué)模型，基于所推導(dǎo)出的平均值模型，對(duì)恒壓控制模型下的輸入輸出特性、參數(shù)影響進(jìn)行了分析，并根據(jù)其損耗模型進(jìn)行功率傳輸效率分析，為后續(xù)復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景下的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的混合模塊化直流固態(tài)變壓器可提高功率傳輸效率，并在輸入電壓及負(fù)載變化時(shí)，依舊能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定控制，且具備一定的電壓調(diào)節(jié)能力。該直流固態(tài)變壓器不僅能夠提高功率傳輸效率，其模塊化、易于拓展的特點(diǎn)，使得其能夠在大容量直流并網(wǎng)以及高壓直流輸配電領(lǐng)域，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

本文工作基于已有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)展開(kāi)，條件所限，模塊參數(shù)尚待優(yōu)化，后續(xù)工作將包括系統(tǒng)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)特性分析及快速響應(yīng)控制方法研究等。