学术简报｜混合模块化直流固态变压器 I：工作原理及稳态特性分析
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华北电力大学河北省分布式储能与微网重点实验室的研究人员付超、武承杰、孙玉巍、高振，在2019年《电工技术学报》增刊1上撰文指出，作为柔性直流配网的关键设备，直流固态变压器（DCSST）的控制性能和效率对提高系统实用性和经济性具有重要意义。不同于现有的模块化级联型DCSST，结合移相型双有源桥（PS-DAB）变换器和串联谐振型双有源桥（SR-DAB）变换器，提出一种混合型模块化直流固态变压器（HMDCSST）。
该DCSST融合了PS-DAB控制灵活以及SR-DAB运行效率高的优点，较原有的DCSST拓扑，在保持灵活的电压调节能力的同时，可提高功率传输效率，且由于SR-DAB模块运行于开环模式，进而降低了系统设计复杂度。分析HMDCSST的工作原理，给出平均值数学模型以及功率损耗模型，并对该混合模型在定输出电压控制模式下的输入输出特性及功率传输效率进行详细分析。
最后，通过实验结果表明，所提出混合模块化直流固态变压器的功率传输效率可达96.4%，较单一PS-DAB型DCSST，可提升约1.0%。此外，输入侧和输出侧扰动实验进一步验证了工作原理及稳态特性分析的正确性。
固态变压器相比于传统变压器，具有功率密度高、控制灵活及易于扩展等优势，目前在电力机车牵引供电、分布式新能源并网发电以及跨区域电网互联等领域的应用研究得到广泛关注。
随着固态变压器技术的发展以及直流负载的大量应用，直流固态变压器（Direct Current Solid State Transformer, DCSST）作为直流配电网中的关键部件，已成为当前的研究重点。目前已有多种类型的DCSST，如移相型双有源全桥（Phase Shift Dual Active Bridge, PS-DAB）变换器、串联谐振型双有源全桥（Series Resonant Dual Active Bridge, SR-DAB）变换器、基于链式模块的直接耦合式DCSST、基于双主动相移的模块化多电平高频直流变换器，双向LLC谐振型软开关DCSST[9]以及多电平直流链固态变压器等。
在上述不同类型的直流固态变压器中，PS-DAB和SR-DAB是较早提出的两种可实现直流固态变压器功能的变换器拓扑，相关研究成果较为丰富。PS- DAB具有可控制灵活、占用空间小等优点，但移相控制中会产生较大的回流功率和电流应力，导致系统损耗增加。
有学者提出了不同的最小回流功率控制方法使PS-DAB运行效率得以提升，但也使得控制复杂性相对增加。SR-DAB由于可工作于谐振状态，全部开关器件均可实现零电压开关或零电流开关，从而减小了开关损耗，提高运行效率。但SR-DAB的最大电压增益为1，只能工作于降压模式，电压调节能力有限，当其需要实现宽范围调节时，变换器工作模态增多，增加了控制、谐振回路和变压器参数设计复杂程度，且对变压器设计制造提出较高要求。
此外，部分学者还关注了PS-DAB和SR-DAB的建模问题，为深入研究二者稳动态特性奠定了基础。
有学者基于移相控制原理建立了PS-DAB的大信号模型与小信号模型。
有学者利用基波分量法，提出了SR-DAB的稳态等效电路模型，并分析了其运行特性。
有学者采用扩展描述函数法，建立了SR-DAB的小信号等效电路模型。为适应高压大功率应用场景需求，DCSST通常采用输入输出串并联模块化结构。
有学者针对此类DCSST的电压或功率均衡控制方法展开研究。
有学者则对DCSST应用于中高压配网中的电压调节和功率控制方法进行了深入探讨。
上述研究均针对由单一PS-DAB或SR-DAB模块构成的DCSST，而对采用不同类型模块组合的DCSST研究较少。有学者分别提出输入并联输出串联和输入串联输出并联级联方式的混合结构，但直流变换器模块采用全桥直流变压器和移相全桥串联谐振变换器，不适用于功率双向传输的应用场合。
如前所述，鉴于PS-DAB和SR-DAB各具优势，本文结合二者的优点，提出了一种混合型模块化直流固态变压器（Hybrid Modular DC Solid State Transformer, HMDCSST）。PS-DAB作为功率控制模块，利用自身的灵活控制能力，实现输出电压或功率调节；而SR-DAB作为谐振模块，利用该模块的高转换效率特性，承担主要的功率传输功能，以期在实现电压灵活调节的同时，达到较高的运行效率。
在控制方面，HMDCSST采用开环与闭环相结合的控制方式：PS-DAB模块采用闭环控制，实现既定控制目标，如输出电压控制等；SR-DAB模块采用开环控制，工作于谐振状态。由于谐振模块工作模态单一，使得整个系统的控制和模块参数设计均不同程度得以简化。
本文对所提出的HMDCSST的拓扑和工作原理进行分析，建立相应的平均值模型和功率损耗模型，对其在定输出电压控制模式下的输入输出特性和功率传输效率进行分析。最后，在已有PS-DAB型DCSST实验样机的基础上实现HMDCSST，通过实验结果验证所提出模型的正确性。
图14 实验样机
本文为提高直流固态变压器的功率传输效率并使其具备一定的电压调节能力，提出一种混合模块化直流固态变压器拓扑。分析了该直流变换器的工作原理及数学模型，基于所推导出的平均值模型，对恒压控制模型下的输入输出特性、参数影响进行了分析，并根据其损耗模型进行功率传输效率分析，为后续复杂应用场景下的综合优化设计奠定了基础。
实验结果表明，所提出的混合模块化直流固态变压器可提高功率传输效率，并在输入电压及负载变化时，依旧能够实现输出电压的稳定控制，且具备一定的电压调节能力。该直流固态变压器不仅能够提高功率传输效率，其模块化、易于拓展的特点，使得其能够在大容量直流并网以及高压直流输配电领域，具有一定的实用价值。
本文工作基于已有实验平台展开，条件所限，模块参数尚待优化，后续工作将包括系统综合优化设计、动态特性分析及快速响应控制方法研究等。