直流变换器方案（一种基于模式切换的隔离型双向直流变换器效率优化方法）

中国电工技术学会定于2016年7月10~11日在北京铁道大厦举办“2016第十一届中国电工装备创新与发展论坛”，主题为“电工行业十三五规划研究与解读”，并设“智能制造与电工装备行业的转型升级”“智能开关设备的关键技术与最新发展”两个分论坛。

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上海交通大学电子信息与电气工程学院风力发电研究中心、南方电网调峰调频发电公司的研究人员高宁、陈强等，在2016年第6期《电工技术学报》上撰文指出作为固态变压器中的核心部件，大功率隔离型双向直流变换器的效率优化至关重要。

通过分析双移相桥式隔离型直流变换器的工作原理，详细计算了包括中频变压器在内的直流变换器损耗分布，得出直流变换器的损耗分布结果，用以指导直流变换器的效率优化。

基于损耗分析结果，为提高直流变换器的效率，研究一种基于模式切换的控制方式，从而实现了全功率范围内的损耗更优控制。最后，搭建额定容量为35kW的实验样机，实现了本文所述的控制方式，不同漏感条件下样机的实测效率为98.1%和97.6%，验证了损耗分析及控制算法的正确性。

固态变压器（Solid State Transformer, SST），又称为电子电力变压器（Electronics Power Transformer, EPT），是一种适于智能电网应用的新型智能变压器，其概念可追溯到20世纪60年代[1]。

与传统变压器相比，SST具有如下优势：①变压器一次、二次侧频率可调（可为直流）；②可实现无功补偿，改善电能质量；③空载损耗几乎为零；④采用中、高频隔离，功率密度高。

SST作为智能电网的核心设备之一，近年来倍受国内外学者的关注[2,3]。文献[4]中将储能单元与SST结合，使其具备了跨越瞬时电压中断的能力。

H. Akagi在文献[5,6]中提出了一种级联背靠背SST系统，并加入了各单元母线电压间的平衡控制，给出了实验结果，文献[7,8]也从不同侧面解决了平衡问题。当SST用于孤岛运行时还可通过功率下垂控制稳定微网频率[9,10]。随着半导体技术的发展，SST的应用领域还将进一步拓宽[11]。

图1给出了一种三相2MV·A/10kV-672V固态变压器系统实例，其中单个直流变换器模块额定功率为35kW。该系统通过LFAC-DC-HFAC-DC能量变换桥接交、直流电网，在机车牵引领域曾有类似先例[12]。

图1 2MV·A/AC 10kV-DC 672V固态变压器系统

SST中的负责能量传递的核心部件是双移相桥隔离型双向直流变换器（Dual Active Bridge, DAB），具有高效率和高可靠性的优势[13-15]，是本文的研究对象。

为提高DAB的效率，文献[16]对一种Boost型DAB直流变换器进行详细分析，考察了寄生参数对软开关的影响，并给出实验结果。文献[17,18]则提出了双移相控制方法，可消除变压器中的无功功率，从而降低了变压器铜损和开关器件的导通损耗。

本文分析DAB工作原理，研究一种基于移相/梯形电流双模式动态切换的控制方法。在此基础上，搭建额定功率为35kW的DAB实验样机进行验证，样机额定工况效率为98.1%。

结论

本文对应用于固态变压器的大功率隔离型双向直流变换器的损耗分布进行了研究，分析了DAB的工作原理与损耗分布，对一种基于控制模式动态切换的损耗优化方案进行了理论分析和实验验证。搭建了实验平台，在样机上实现了控制模式的动态切换。

采用动态切换控制后，DAB的效率得到了优化，在不同漏感条件下额定效率分别为98.1%和97.6%，基本满足固态变压器的效率要求。

（本文有缩减，进一步阅读请访问期刊官方网站，可免费下载全文PDF版。）

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