摘要：传统的直流电源多采用不控整流或者相控整流并辅以工频变压器进行输入、输出隔离，但是随着负载容量需求的提升，使得基于此种方案的直流电源工频变压器体积庞大、谐波污染大、功率因数低的问题越发明显。随着全控电力电子器件的发展，基于IGBT或MOSFET的各种交直流开关电源应运而生本文首先提出一种基于模块化思路的直流电源方案，然后在确定变换器拓扑的基础上，对于多模块并联后的系统稳定性，从阻抗角度建立数字控制下系统频域模型并定量分析，最终研制出六模块并联、总输出220V/600A的工程样机，验证本方案的工程可行性。关键词：模块化直流电源；数字控制系统延时；输入阻抗引言 为实现直流电源功率快速拓展，提出了基于模块化思路的直流电源方案。单模块由基于单电感滤波PWM（脉冲宽度调制）整流器的前级子模块和基于移相全桥的后级子模块串接而成，多模块在交流输入侧与直流输出侧直接并联来实现功率提升。在考虑数字控制系统延时的情况下，建立多模块并联时前级子模块电流环及输入阻抗模型，分析多种因素对前级子模块稳定性的影响。同时，建立后级子模块的输出阻抗模型，从而为确立此直流电源可带负载 阻抗的范围提供理论依据。
1模块化直流电源方案分析
模块化直流电源的功率单元使用前级AC/DC子模块和后级DC/DC子模块串联而成。前级子模块采用单电感滤波两电平PWM（脉冲宽度调制）整流器的拓扑，作用是将输入380VAC整流成700VDC供后级子模块使用。前级子模块与后级子模块的全控功率器件均使用碳化硅MOSFET，开关频率与控制频率为48kHz，通过高频化减小交流侧滤波电感、高频变压器、谐振电感和直流滤波电感等核心无源器件的体积，从而将单个子模块体积控制在3U标准机箱的范围内。多个功率单元在交流输入侧和直流输出侧直接并联，可迅速实现直流电源功率等级的提升。
图1 功率单元拓扑
2前级子模块控制系统分析
2.1前级子模块电流环及输入阻抗模型
Iref（s）为电流环指令，Gi（s）为电流环PR（比例谐振）调节器，Gd（s）为控制系统延时，KPWM为PWM整流器电压放大倍数，L为交流滤波电感感值，Lg为电网阻抗感
值，Ug（s）为电网电压，Hv（s）为网侧电压前馈环节传递函数，Hi为网侧电流反馈系数。郝迪
人体气化2.2多模块并联时控制系统模型简化
考虑到所有子模块控制参数和硬件参数基本一致，故采取Zi1（s）=Zi2（s）=…=ZiN（s）=Zi（s）进行简化，N个前级子模块并联后，整个控制系统保持稳定的充要条件可简化为：酒店点菜系统
统一平台 （1）电流环在电网阻抗为0时，即完全理想电网时保持稳定。
（2）电流环在电网阻抗为NZg（s）时保持稳定。
2.3理想电网下的电流环稳定性
数字控制系统延时由两部分组成：一部分为PWM调制固有的0.5Ts延时（Ts为数字控制周期）；另一部分为数字控制系统计算延时，具体为采样时刻和底层脉冲发生器刷新PWM占空比时刻之间的时间，用λTs表示。为了避免在触发采样时采集到功率器件开关过程的振荡且为了避免调制波和载波在一个开关周期内多次交截，通常在对称三角载波的谷值或峰值处触发采样和刷新PWM占空比。所以在开关频率与控制频率相同的前提下，考虑数模转换器延时和实际程序执行时间，最小数字控制系统计算延时为0.5Ts，即λ=0.5。当
开关频率较高时，受芯片计算速度和模数转换器转换速度所限，λ会不可避免地变大，成为1.0，1.5等等。电流环PR调节器在基波50Hz处存在+90°到-90°的相位突变，在中高频段相位滞后可近似为零，所以随着信号频率升高，电流环开环传递函数相位受Gd（s）的影响逐渐下降，对于理想的模拟控制系统，令λ=0，穿越频率为fs/2，可以达到采样定理限制的最大值。
2.4提升弱电网适应性的方法
为了在并联模块数增加时确保控制系统的稳定性，可以采取增加前级子模块内部交流滤波电感值或网侧电压前馈环节进行低通滤波两种方法。电网阻抗Lg=30μH×3=90μH，为了保持理想电网下电流环幅值裕度不变，PR调节器的比例系数kp也按照滤波电感数值同比例放大。可以看出，增大交流电感感量可以使阻抗比实部远离-1/2，从而有效提升控制系统稳定裕度，但是会造成电感成本与体积的上升。
2.5仿真验证
2.5.1仿真参数
在MATLAB/Simulink环境下搭建多前级子模块并联的仿真模型，仿真参数如下。开关频率、控制频率均为fs=48kHz，额定功率Sb=30kW，额定电压Ub=380V，PR调节器比例
系数kp=0.5，PR调节器谐振系数kr=80，PWM整流器电压放大倍数KPWM=537.3，网侧电流反馈系数Hi=0.0155，电网阻抗Lg=30μH，数字控制系统计算延时λTs=1Ts=1/fs。
2.5.2仿真结果
在单一地改变滤波电感L、网侧电压前馈环节传递函数Hv（s）、并联子模块数N的情况下进行仿真。增加滤波电感值或网侧电压前馈增加低通滤波均可以使电流稳定，但是前馈电压增加低通滤波会导致子模块输入阻抗幅值减小，从而增大电流的谐波含量。在中低频段控制器的带宽内，输出阻抗幅值很小并呈现电感特性，随着频率上升，超出控制器带宽，输出阻抗幅值逐渐增大并在某一频率点达到最大幅值。整个电源负载级联系统有不稳定的可能。在高频段，输出阻抗幅值逐渐减小并呈现电容特性。
3工程样机
功率实验时用一台1MW的集中式逆变器作为电源柜的负载，总负载电流设定为600A。采样通道1为单功率单元的直流输出电流（50A/格），采样通道2为直流输出电压（100V/格），采样通道3为总交流输入线电流（100A/格），采样通道4为交流输入线电压（500V/格）。受模组尺寸所限，前级子模组的粉芯交流滤波电感值在100～200μH，空载时电感值较大，随着电流上升电感值变小，为了保证并联系统的稳定性，实际采取上文提
到的前馈电压进行低通滤波的方案，但对实际电网电压背景谐波抑制能力减弱，导致5，7，13等低次谐波含量明显。
结语
本文提出一种模块化直流电源方案，单功率单元使用前级AC/DC子模块和后级DC/DC子模块串联而成。前级子模块采用单电感滤波两电平PWM整流器的拓扑，后级子模块采用移相全桥拓扑。对于前级子模块，推导单前级子模块电流环、输入阻抗模型和多模块并联时的等效电路，指出多模块并联时为确保系统稳定性需同时满足以下两个条件：
（1）电流环在电网阻抗为0时，即完全理想电网时保持稳定，通过减小PR调节器比例系数可以提升稳定裕度。
（2）电流环在电网阻抗为NZg（s）时保持稳定，通过增大滤波电感数值或网侧电压前馈进行低通滤波可以提升稳定裕度。对于后级子模块，根据电压电流双环控制框图化简并推导输出阻抗表达式，分析各频段内的输出阻抗特点，为确立此直流电源可带负载阻抗的范围提供理论依据。最后基于上述分析，研制了1台输出220V/600A的六功率单元并联电源样机，验证了本文模块化电源方案的可行性。
参考文献：
交换空间2011
[1]刘文华，刘文辉.智能模块化高频变换直流电源系统[J].中国电力，1999，32（8）:35-37.
[2]卓放，裴云庆，周新，等.有源电力滤波器在抑制晶闸管相控整流电源谐波方面的应用[J].电网技术，2004，28（2）:40-42.
[3]刘森，张海凤，李书勇.广州换流站直流电源系统的改造设计与实施[J].电力系统保护与控制，2009（9）:49-52.长江口货船失火
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