固態(tài)變壓器相比于傳統(tǒng)變壓器，具有功率密度高、控制靈活及易于擴展等優(yōu)勢，目前在電力機車牽引供電、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。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、基于雙主動相移的模塊化多電平高頻直流變換器，雙向LLC諧振型軟開關(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現(xiàn)直流固態(tài)變壓器功能的變換器拓?fù)?，相關(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，但移相控制中會產(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運行效率得以提升，但也使得控制復(fù)雜性相對增加。SR-DAB由于可工作于諧振狀態(tài)，全部開關(guān)器件均可實現(xiàn)零電壓開關(guān)或零電流開關(guān)，從而減小了開關(guān)損耗，提高運行效率。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)其需要實現(xiàn)寬范圍調(diào)節(jié)時，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)計復(fù)雜程度，且對變壓器設(shè)計制造提出較高要求。

此外，部分學(xué)者還關(guān)注了PS-DAB和SR-DAB的建模問題，為深入研究二者穩(wěn)動態(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的大信號模型與小信號模型。
• 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，并分析了其運行特性。
• 有學(xué)者采用擴展描述函數(shù)法，建立了SR-DAB的小信號等效電路模型。為適應(yīng)高壓大功率應(yīng)用場景需求，DCSST通常采用輸入輸出串并聯(lián)模塊化結(jié)構(gòu)。
• 有學(xué)者針對此類DCSST的電壓或功率均衡控制方法展開研究。
• 有學(xué)者則對DCSST應(yīng)用于中高壓配網(wǎng)中的電壓調(diào)節(jié)和功率控制方法進行了深入探討。

上述研究均針對由單一PS-DAB或SR-DAB模塊構(gòu)成的DCSST，而對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)用場合。

如前所述，鑒于PS-DAB和SR-DAB各具優(yōu)勢，本文結(jié)合二者的優(yōu)點，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，以期在實現(xiàn)電壓靈活調(diào)節(jié)的同時，達到較高的運行效率。

在控制方面，HMDCSST采用開環(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，實現(xiàn)既定控制目標(biāo)，如輸出電壓控制等；SR-DAB模塊采用開環(huán)控制，工作于諧振狀態(tài)。由于諧振模塊工作模態(tài)單一，使得整個系統(tǒng)的控制和模塊參數(shù)設(shè)計均不同程度得以簡化。

本文對所提出的HMDCSST的拓?fù)浜凸ぷ髟磉M行分析，建立相應(yīng)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。最后，在已有PS-DAB型DCSST實驗樣機的基礎(chǔ)上實現(xiàn)HMDCSST，通過實驗結(jié)果驗證所提出模型的正確性。

圖14 實驗樣機

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)?。分析了該直流變換器的工作原理及數(shù)學(xué)模型，基于所推導(dǎo)出的平均值模型，對恒壓控制模型下的輸入輸出特性、參數(shù)影響進行了分析，并根據(jù)其損耗模型進行功率傳輸效率分析，為后續(xù)復(fù)雜應(yīng)用場景下的綜合優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

實驗結(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，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，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，具有一定的實用價值。

本文工作基于已有實驗平臺展開，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、動態(tài)特性分析及快速響應(yīng)控制方法研究等。