一种用于舰船中压直流系统的DC-DC变流器拓扑及控制方法.pdf

船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 26 一种用于舰船中压直流系统的一种用于舰船中压直流系统的 DC-DC 变流器变流器 拓扑及控制方法拓扑及控制方法 张 浩，彭 凌（武汉船舶电力推进装置研究所，武汉 430064）摘 要：为了提高中压直流系统 DC-DC 变流器的性能，本文对一种用于中压直流系统的 DC-DC 变流器拓扑及控制方法进行了分析和研究，提出采用基于低压 DC-DC 变流器的原边串联副边并联（ISOP）结构的拓扑，实现了电源的模块化和高功率密度，并简化了电源模块之间均压均流控制，仿真结果表明该系统可以实现预期运行范围的稳定工作。关键词：LLC 变换器 ISOP 中压直流 DC-DC 变换器 中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1003-4862（2023）06-0026-04 Topolopy and Control of DC-DC Converter for Ship Medium Voltage DC Power System Zhang Hao,Peng Ling（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,CSSC,Wuhan 430064,China）Abstract:In order to improve the performance of DC-DC converters in medium voltage DC power system,this paper studies a topology and control method of DC-DC converter for ship medium voltage DC power system.Based on low voltage DC-DC converter,ISOP structure is proposed,which achieves modular,high power density,and simplifies voltage/current balance control between modules.Simulation result shows the system can operate stably within expected running scope.Keyword:LLC converter;ISOP;medium voltage DC-DC converter 0 引言引言 随着电力电子技术的进步以及舰船系统大功率电力电子负荷的需求，基于电力电子变换器构建的舰船综合电力系统正逐渐成为关注和研究的热点。中压直流供电结合基于电力电子变换器的直流配电模式被认为是现阶段最为合理的变配电系统方案。由于舰船系统的电子设备及其他用电装置普遍采用电力电子设备作为其供电电源，使舰船系统低压直流负荷的供电需求不断增长。因此在上述变配电系统方案中，由中压直流至低压直流系统供能的 DC-DC 变换器的容量及性能要 收稿日期：2023-01-20 作者简介：张浩（1981-），男，高级工程师。研究方向：舰船电力系统与推进系统。E-mail:zhanghao_ 求不断提升，如何提高 DC-DC 变换器的容量、提高可靠性及功率密度成为该领域的关注的热点。由于目前电力电子器件耐压的限制，当前已商用化的全控型电力电子器件最高耐压等级为6.5 kV，在 10 kV 等级的中压直流变换系统中需要采用五电平、MMC 等变换拓扑，电路拓扑及控制技术复杂，对于功率为百 kW 级的低压直流配电用 DC-DC 变换器应用场景，器件容量利用不充分、性价比低。为在高输入直流电压的DC-DC 变换器使用低电压等级的电力电子器件，一种用多个低压输入 DC-DC 模块输入侧串联输出侧并联（ISOP）的拓扑方案被提出和应用。该方案不仅实现了低压电力电子器件的稳定工作，而且具有电源模块化、方便功率扩容、模块间均压均流控制技术简单等优点，在舰船中压直流系统中成为变配电用 DC-DC 变换器的性能较为突Vol.43 No.06 2023.06 船电技术|应用研究 27 出的技术方案。根据 GB/T35727-2017 中低压直流配电电压导则，中压直流配电系统的优选电压等级有 3 kV、10 kV 等，本文以 3 kV 直流系统为例，对输出电压为 750 V 直流、功率为 200 kW 的中压配电用 DC-DC 变换器拓扑及控制技术进行分析及仿真。以高功率密度高效谐振 LLC 变换器为基本模块，采用 3 个低压半桥 LLC 变换器进行 ISOP连接，完成了系统输出稳压、各模块均压均流等特性的分析和验证，分析方法可以推广至 10 kV中压系统。1 主电路工作原理及控制策略主电路工作原理及控制策略 1.1 LLC 谐振变换器 谐振变换器由于其开关器件开关损耗小、电磁干扰低等优势，在高频高功率密度 DC-DC 变换器中得到了广泛的应用。各类谐振变换器中，LLC 谐振变换器由于电路拓扑简单、增益调节特性较好，因此应用最为广泛。LLC 谐振变换器有半桥拓扑及全桥拓扑，两者的工作原理相似，在本项目中，由于变换器输出功率中等，考虑到目前商用化开关器件的电流容量等级，为充分利用开关器件、减少开关器件数量，采用半桥型 LLC拓扑作为 DC-DC 变换器模块拓扑，其电路如图 1所示。图 1 半桥型 LLC DC-DC 变换器电路 图中 Ug为输入直流电源，C1、C2作为母线支撑电容，同时与开关管 S1、S2构成半桥型变换电路。Cs、Ls、Lp构成串并联谐振网络，其中 Lp通常采用变压器的励磁电感，Ls为串联谐振电感，包含变压器漏感及外部增设的谐振电感。谐振网络输出经变压器调压、桥式整流及电容滤波获得平滑的直流电供给负载。图 2 LLC 谐振电路的基波等效电路 LLC 电路在输入或输出电压调整时需要通过调节变换器的工作频率稳定输出电压，LLC 电路的输入输出电压通常采用基波等效电路（如图 2所示，图中将变压器变比设为 1）进行计算，根据图 2 其输入输出电压比的数学计算式如式（1）所示。2222)1()1(111FFQLFLLLRjXRjXXXXXUUUUMepspseCeLsLpCLpLsSRgo (1)其中，品质因数QRLQeoe82 频率的标么值 F 为开关频率与谐振频率之比：F=fs/fo 谐振频率SSCLf210 在 LLC 电路的设计时，通过选择合理的电感比（Lp/Ls）、谐振频率 f0、品质因数 Qe可以获得合理的工作频率及电压比工作范围。1.2 ISOP 组合变换器及控制策略 将多个上述的 LLC 变换电路模块输入侧串联、输出侧并联，就可得到 ISOP 变换器如图 3所示。图中为采用两个半桥型 LLC 变换器输入串联、输出并联的电路结构，下面将以此为例对ISOP 作何变换器的特点及控制策略进行说明。图 3 采用半桥 LLC 谐振电路及 ISOP 结构的 DC-DC 变换器 对于采用 ISOP 结构的变换器，如果能够保证各变换器输入侧电压均衡，则各变换器的输入电压将为整体输入电压的一半，大大降低了各变换器模块的输入电压要求。各变换器模块输出侧采用并联方式，如果能保证各变换器输出侧电流均衡，则各变换器的输出电流将为整体输出电流的一半，大大降低了各变换器模块的输出电流（即输出功率）要求。通过增加串并联模块的数量，船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 28 可以降低对各模块的电压、电流及功率要求。因此 ISOP 结构的变换器非常适合于输入电压高、输出电流大、整体容量高的应用场合。通过上面的分析说明，各模块在工作时实现输入侧均压、输出侧均流是保证系统安全工作的关键。根据能量平衡关系，对于各变换模块，有如下电压电流关系：（2）其中 Uin1、Uin2、Uo1、Uo2分别为两个模块的输入及输出电压，Iin1、Iin2、Io1、Io2分别为两个模块的输入及输出电流，1、2为两个模块的效率，M1、M2为两个模块的输入输出电压比。在各模块参数相同的情况下，各模块的效率及电压比相等，因此，各模块输出并联输出电压相等，从而决定各模块输入电压相同，实现均压。各模块输入串联输入电流相等，从而决定各模块输出电流相同，实现均流。由上述分析可知，在各模块参数相同、电压比相同条件下，ISOP 结构中的各模块可以实现均压均流。由于 LLC 变换器的电压比不仅取决于电路参数，而且受工作频率影响，因此模块均压均流的最为简单的一种实现条件可以总结为：1）各模块电路参数尽可能保持一致；2）各模块工作频率相同。由此确定采用 LLC 变换器的 ISOP 组合变换器的控制框图如图 4 所示。该控制方案在传统的LLC 变换器控制环的基础上稍加改进，电压外环调节器输出经压控振荡器 VCO 产生 LLC 工作频率信号，供给两路 LLC 变换电路的驱动电路，使两路变换器的工作频率保持一致。由于 LLC 电路工作特点，其直流输出电流呈现较大的脉动，给输出滤波电路及负载带来负面影响，因此本方案中采取错相控制技术。VCO 输出信号一路直接送至 LLC1 的驱动电路，另一路经移相 90 后再送至 LLC2 的驱动电路，采用移相电路使两路 LLC变换器的开关导通相位错开 90，可以大大降低电路整体的输出电流纹波，提升 ISOP 变换电路的优势。当串并联模块数增加时，调整各模块间的移相角度，可以进一步降低输出电流纹波。图 4 采用 LLC 变换器的 ISOP 组合变换器的控制框图 2 系统参数及仿真系统参数及仿真 基于上述电路拓扑及控制策略，对一种用于舰船中压直流系统的 DC-DC 变流器进行了设计及仿真分析，本文以输入电压为 3 kV 中压直流系统为例进行设计，分析方法可以推广至 10 kV 中压系统。系统参数如表 1 所示。表 1 中压直流系统 DC-DC 变流器参数要求 参数 数值 输入直流电压/kV 3 10%输出直流电压/V 750 输出电流/A 270 变流器容量/kW 200 根据系统输入输出参数，选取 3 模块 ISOP结构的电路拓扑，单个模块采用半桥 LLC 拓扑，采用 1700V 的 SiC MOSFET 作为开关元件，初选型号为 CAS300M17BM2，电路如图 3 所示，设计电路参数如表 2 所示。表 2 ISOP DC-DC 变流器参数设计 参数 数值 模块数量 3 输入电容/F 1000 输出电容/F 1000 谐振电容/F 10 谐振电感（含变压器漏感）/H 10 变压器励磁电感/H 100 变压器变比/H 1:1.5 工作频率范围/kHz 1020 如表 2 所示，设计 LLC 电路的电感比为 10，串联谐振频率为 16 kHz，可以保证在额定负载及设定的开关频率范围满足输入电压波动条件内输出电压的稳定。采用 PSIM 软件对系统进行建模及仿真。图 5为系统在额定输入电压（3 kV）、额定输出功率时的仿真波形，此时电路的工作频率为 15 kHz，从谐振网络电流可以看出，三个模块的电流基本相同；从 LLC 模块输入电压可以看出，三个模块的电压波形基本重合，实现了各模块的均压均流。仿真结果中的输出侧电容电流波形显示由 3 个LLC 变换器构成的 ISOP 拓扑输出电流纹波频率是开关频率的 6 倍，且幅值仅为输出平均电流的5%，大大降低了输出滤波电路的压力 图 6 为输入电压为上限（3300 V）、额定输出功率时的仿真波形，此时电路的工作频率为 19 Vol.43 No.06 2023.06 船电技术|应用研究 29 kHz。图 7 为输入电压为下限（2700 V）、额定输出功率时的仿真波形，此时电路的工作频率为 11 kHz，从仿真结果可以看出，输出电压可以稳定于设定值，各模块均实现了的均压均流效果。图 5 额定输入（3 kV）条件系统工作波形 图 6 输入电压上限（3.3 kV）条件系统工作波形 图 7 输入电压下限（2.7 kV）条件系统工作波形 3 结论结论 本文对一种适用于舰船中压直流系统的DC-DC 变流器拓扑及控制方法进行了分析和研究，提出采用基于低压 DC-DC 变流器的原边串联副边并联（ISOP）结构的拓扑，以半桥 LLC电路为变换模块的基本拓扑，可以方便地实现电源的模块化和高功率密度，结合各模块间的移相控制方式，简化了电源模块之间均压均流控制并大大降低了 LLC 电路单机存在的输出电流纹波较大的问题。以输入额定电压 3 kV，输出电压 750 V，额定功率 200 kW 舰船中压直流系统的 DC-DC变流器为例进行了设计，通过计算机仿真表明该系统可以实现预期运行范围的稳定工作。分析及控制方法可以推广至 10 kV 中压系统。参考文献参考文献:1 Ruan X,Chen W,Cheng L,et al.Control Strategy for Input-series-output-parallel ConvertersJ.IEE Trans.On Industrial Electronics,2009,56(4):1174-1185.2 杜文曾.基于DC-DC转换器的带状中压直流舰船综合电力系统的建模与控制D.上海交通大学,2021.3 张嘉岷,张福州,李嘉,鲁恩.多变换器模块 ISOP系统及其均压均流控制J.电力电子技术,2023,57(1):109-113.4 刘海洋,崔淑梅,刘闯,姚航,潘育宗.基于开关谐振支路的电压自平衡型 ISOP 直流变压器J.电力系统自动化,2022,46(20):139-146.