摘要：随着智能电网技术的发展，固态变压器（ SST ）在高压大容量应用中越来越受到关注。特别是级联型电力电子变压器因其小型化和智能化特点成为首选方案。然而，由于制造工艺的差异和使用过程中的损耗不一致，导致了中间级电容电压和功率失衡的问题。为解决这一问题， 本文 提出了一种基于单相电力电子变压器反馈的协调控制策略。该策略通过公共占空比控制与双有源桥（ DAB ）反馈协调机制结合，在整流级实现电压均衡，并在 DAB级实现功率均衡，有效解决参数失配带来的电压和功率失衡问题。通过 MATLAB/Simulink 仿真验证，所提出的控制策 略显著改善系统的稳态性能，降低总谐波失真率，并提高漏感电流的均衡度。

关键词：固态变压器；电力电子；协调控制；双有源桥

1 综述

随着电力电子技术的快速发展和智能电网建设的深入推进，交直流固态变压器（ Solid State Transformer, SST ）在电力系统中的应用场景不断拓展。尤其是在高压大容量电能变换领域，级联型电力电子变压器凭借其紧凑的结构设计和智能化的控制特性，已成为当前的主流解决方案。目前，为提升 SST的 运行可靠性，业界普遍采用两级级联拓扑结构：前端配置级联 H 桥（ Cascaded H Bridge, CHB ）整流器后端连接高频隔离双向全桥 DC DC 变换器（ Dual Active Bridge, DAB ），这种结构在实现高效能量转换的同时，也带来了新的技术挑战。

在实际应用中，由于元器件制造公差和运行老化程度的差异，级联结构中的变压器参数（特别是漏感）往往存在显著的不一致性，这直接导致中间直流母线电容电压波动和功率分配失衡。针对这一问题，文献[1]提出通过优化变压器制造工艺来减小参数离散性，但这种方法对生产 工艺要求极为苛刻，不仅大幅降低产品良率，还显著增加制造成本。文献 [2]则从控制策略角度出发，提出一种分级均衡方案：在整流级实现电压均衡，并将功率均衡功能交由 DAB 级完成。然而，该方案需要为每个 DAB 模块配置多个高频电流传感器来检测漏感电流，不仅增加了系统成本，还引入了高频信号测量误差。因此，开发 DAB 级的无电流传感器功率均衡技术具有重要的工程应用价值。文献 [3]创新性地提出一种 SST 直流 直流级的无传感器功率平衡策略，成功实现 DAB 级的电压和功率平衡控制，但其动态平衡性能受限于传统 PI 控制器的调节特性。文献[4][5]在假设 DAB 级参数完全匹配的前提下，采用公共占空比和电压跟随控制策略，有效提升系统稳定性，但在实际参数失配情况下难以保证功率均衡。文献 [6]提出的分级均衡方案虽然在整流级和 DAB 级分别实现了电压和功率均衡，但仍存在稳态误差问题，需要进一步优化。

基于上述研究现状，本研究首先建立了两级级联拓扑结构的精确数学模型，系统分析了传统控制策略下功率传输的动态特性。针对现有方案的不足，提出了一种创新的复合控制架构：在整流级采用公共占空比控制策略，并结合双有源桥（DAB）反馈协调机制与电压均衡算法；同时在DAB 级实施电压均衡控制，并引入整流级反馈协调策略，有效解决模块参数失配带来的技术难题。该控制方案的核心创新点在于构建了级间功率交互机制：将整流级占空比的有功分量实时反馈至DAB级，参与其移相比的精确计算；同时将DAB级生成的移相比反馈回整流级，用于调节其有功电流分量，从而实现功率的动态平衡控制。通过将先进控制算法集成至数字信号处理器（ DSP ），减少了电流传感器的使用数量，避免高频信号采样带来的测量误差，在提升系统可靠性的同时实现成本优化。本研究采用理论分析与仿真验证相结合的方法，对所提出的控制策略进行全面系统 的性能评估。

2 SST拓扑结构

本研究采用的电力电子变换器拓扑结构如图1 所示，该架构采用两级式设计。前级采用单相级联H桥整流器（Cascaded H Bridge Rectifier,CHB ）结构其输入端采用串联连接方式。后级则采用双有源桥式DC DC 变换器（ Dual Active Bridge,DAB ）结构，其输出端采用并联连接方式。在电路参数方面，is为SST电源侧输入电流，其波形质量直接影响系统的功率因数和谐波特性。L为电源侧滤波电感，主要用于抑制高频开关噪声和改善电流波形。C1和C2构成级间支撑电容，在能量传递过程中起到关键作用，其参数选择直接影响系统的动态响应和稳定性。udci表示整流级直流母线电压，是系统能量传输的重要枢纽节点。C3和C4为负载侧滤波电容，与负载特性共同决定了输出电压uo的质量。n代表DAB高频变压器的变比，是影响系统电压转换比的关键参数。Lk为高频变压器的等效漏感，其值直接影响DAB的软开关特性和功率传输能力。为便于理论分析和控制策略设计，定义Pin为电源侧输入功率，表征系统的能量输入特性；Pi为整流级输出功率，反映前级能量转换效率； Pout为DAB输出功率，代表系统最终输出能力。负载R作为系统的终端，其特性直接影响整个变换器的工作状态和性能表现。

级联型电力电子变压器的能量转换过程采用分级处理架构：首先，输入级的整流单元通过先进的功率变换技术将单相交流电转换为稳定的直流电源，实现交流到直流的初步能量转换；随后，中间级的DAB（双有源桥）模块基于高频隔离技术对直流母线电压进行精确调节，完成电压等级的灵活变换；最终，经过处理的直流电能通过输出接口接入负载端或并入直流微电网系统，实现电能的最终利用 [7] 。

3 SST 协调控制策略

3.1 整流级控制

整流级采用分层控制架构，通过多目标优化实现系统的稳定运行 [8] 。在顶层控制中，基于总体电压均衡策略生成dq旋转坐标系下的有功电流参考量，该参考量综合考虑系统功率平衡和电压稳定需求。中间层采用dq解耦控制算法，通过Park变换将交流量转换为直流量，实现有功和无功分量的独立控制，从而生成公共占空比信号。底层控制则针对单个H桥模块实施精细化电压均衡调节，通过引入桥间电压补偿机制，有效解决模块参数离散性问题。图2为控制框图，主要为信息流向和功能模块划分。

式中:di代表第i级整流模块的占空比参数。如图2所示，传统整流级控制通常采用统一占空比策略来实现电压均衡调节，这种控制方式在负载均衡条件下具有显著优势，不仅控制效果良好，还能有效降低系统运算负荷。然而，当级联模块出现负载不对称情况时，该方法的电压平衡调节能力明显受限，此时必须引入上层控制策略来辅助实现系统的均衡控制。

电压均衡控制系统中，占空比修正量Δdi是通过对各H桥单元的 实际电压值与参考电压值进行偏差计算，并经由比例积分（ PI ）调节器处理后获得的控制参数 [9]。该修正量与基准占空比叠加后，生成各模块的独立占空比指令，通过这种分布式调节机制实现对输出电压的精确补偿，从而达成电压均衡控制目标。基于功率守恒原理，在忽略系统损耗的理想条件下，整流级前后两级间的传输功率应保持动态平衡，由此可推导出整流级输入功率的数学表达式：

在整流级的dq解耦控制环节中，为了维持系统的稳定性，通常需要将dq 轴上的电流稳定在零点，即确保无功功率维持在零水平。因此，整流 级的输入功率可以表述如下：

3.2 DAB 控制

针对单相模块级联型H 桥 DAB 系统中因负载特性差异引发的功率分配不均问题，传统解决方案虽在整流级引入了公共占空比调节与电压辅助环控制策略，但该方案在实现功率均衡方面存在固有局限性。为此，本研究提出了一种基于分层控制架构的协调控制策略，其中底层控制采用电压跟随控制方法，顶层控制则通过整流级占空比有功分量反馈控制实现，从而有效确保系统输出电压的稳定性与功率传输的均衡性。

图1 隔离级 为 并联 DC/DC 级 DAB 变换器的拓扑架构，该结构具备双向功率传输能力、宽范围高效率运行特性、软开关技术优势以及高功率密度等显著特点。其工作原理主要依赖于一次侧与二次侧 H 桥之间的相移调节来实现功率控制，具体功率传输特性可由式(4)(5)进行定量描述。

式中:fs 代表开关频率， d 表示移相比， Lr 则表征变压器折算至一次侧的漏感值。

通过深入分析式 ( 所揭示的功率传输特性，可以发现当系统中所有 DAB 变换器采用统一的移相控制策略，并将高压直流环节电压调节至相同水平时，由于变压器漏感等关键参数的实际差异，各模块间的功率分配将不可避免地出现失衡现象。这种不平衡状态不仅影响系统的整体效率，还可能危及设备的安全运行。因此，为确保系统功率的均衡分配，必须针对每个 DAB转换器实施差异化的相移控制策略。

为应对由组件参数差异导致的功率分布不均衡问题，主要是采用一种基于整流级占空比有功分量精调策略。该方法通过动态调整双主动全桥 ( DAB）模块共用的移相比例，以实 现功率分配的精准控制。具体而言，如图2所示，移相调整值Δddi 的确定依赖于对整流级占空比有功部分的平均值 ddi 与各模块实际占空比有功分量ddi 之间差异的计算，其执行步骤如下：

在引入微调量后，各DAB 模块的功率传输特性将发生显著变化，其具体表达式如下：

在理想工作条件下，整流级模块的功率变化量ΔPi与 DAB 模块的功率调节量 ΔPDABi 之间呈现出严格的等量关系，这一特性 可 为系统的功率平衡控制提供理论依据。基于式 (3)和式 (7)所描述的数学模型，通过严谨的推导过程，可以得到式 (8)的具体表达式， 具体如下:

对上述表达式进行数学求导，可以揭示功率传输特性与移相比之间的动态关系，从而建立 Δdi 与 Δddi之间的定量关联，其具体关系式如下所示:

基于式(9)所建立的数学模型，为优化系统功率调节性能， 本文 采用分布式控制策略，通过 PI 控制器对DAB 模块 的移相角进行精确补偿，并将整流级占空比的有功分量按比例分配至各功率模块，其具体分配算法如式 (10)所示:

在系统进入稳态运行工况后，各DAB 功率模块间实现精确的功率均分。通过实时监测与闭环控制，整流模块的占空比有功分量、传输功率特性以及输出等效负载阻抗均维持在近似相等的理想状态，从而确保直流母线电压的自动均衡。这种双层级协调控制机制整流级的电压平衡控制与 DAB 级的功率平衡控制的有机结合，不仅实现了系统内部能量的优化分配，还确保输出电压 的稳定性和功率传输的一致性，最终达成系统全局的电压 功率双重平衡控制目标。

4 仿真

为全面评估所提出控制策略的理论可行性与实际应用价值，本研究基于 MATLAB/Simulink 仿真平台构建了完整的系统仿真模型。仿真模型严格依据表1所列参数进行配置 ｡

基于仿真实验结果分析，系统的稳态运行特性得到了全面验证。在未实施控制策略的情况下，系统表现出显著的谐波失真现象，具体表现为网侧电流波形畸变率达到18.7%，同时DAB模块的漏感电流呈现出明显的非一致性特征，最大偏差值达到额定电流的23.5%。通过实施本文提出的控制策略后，系统性能得到显著改善:网侧电流总谐波失真率(THD)降低至4.2%，较未控制时下降77.6%;DAB模块的漏感电流均衡度提升至92.8%，最大偏差值控制在额定电流的5.3%以内。

这种性能提升主要得益于所采用的多环控制架构，其中包含的谐波补偿环节有效抑制网侧电流畸变，而基于电流均衡的闭环控制策略则确保在漏感参数不一致条件下，各DAB模块的功率分配保持均衡。此外，结合输出并联拓扑结构，系统实现输出电压的精确调节，稳态误差控制在±0.5%范围内，充分验证所提出控制策略的有效性和优越性。

5 结语

综上所述，针对级联型电力电子变压器中存在的参数失配导致的电压和功率失衡问题，研究提出了一种创新性的协调控制策略。通过将公共占空比控制与双有源桥(DAB)反馈协调机制相结合，实现整流级的电压均衡和DAB级的功率均衡。实验结果表明，该策略能够显著降低系统的总谐波失真率，提高漏感电流的均衡度，并确保输出电压的精确调节。这些成果不仅为解决级联型电力电子变压器的实际应用难题提供了新思路，也为智能电网技术的发展奠定坚实的基础。未来的研究将进一步优化控制算法，以适应更加复杂的电力系统环境。

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