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作为智能电网应用中的关键设备，固态变压器（SST）在未来电力系统中占有重要地位。为解决三相模块级联型固态变压器拓扑复杂、控制困难、需要解决模块间均压均功率等问题，采用简单的基于高压碳化硅（SiC）器件的三相固态变压器拓扑，其中整流级采用简单的三相电压型PWM整流器的常规拓扑，因而具有很强的现实意义。建立三相SiC-SST拓扑的数学模型，并对电网电压平衡下的控制策略进行分析，同时在电网电压不平衡时，采用抑制SST交流输入侧负序电流的控制策略。通过PSIM仿真证明了两种控制策略的可行性与正确性。最后基于SiC器件搭建了实验平台，对SST的前端整流级进行了实验验证。

20世纪80年代末，电力系统已发展成为超高压远距离输电、跨区域联网的大系统。20世纪90年代末，以风能为代表的可再生能源推动了电力系统的技术进步，对于解决人类的能源危机具有巨大潜力。近几年来开展的智能电网、微电网、能源互联网以及2014年中国国家电网提出的全球能源互联网，将大大促进未来可再生能源的大规模有效利用。由美国北卡州立大学FREEDM中心提出的固态变压器（SolidStateTransformer，SST）成为实现能源互联网的关键技术之一，是一种适用于能源互联网的新型电力电子设备，充当能量路由器作用。SST不仅能实现电压变换、隔离，还可以实现功率因数灵活控制及无功补偿，为可再生能源提供接口，实现能量高效的双向传输，其可控性与可靠性高。

经过多年的研究，学者们对SST的研究已经取得了很大进展，迄今为止这些研究大多集中在模块级联型单相SST、如何解决级联各模块的均压和均功率等问题。然而对于三相SST，特别是电网电压出现不平衡时的研究甚少。受限于常规硅器件的耐压水平，目前三相SST大都采用模块级联的拓扑，需要解决各级联模块的均压均功率的问题。

近年来，一种新型宽禁带半导体材料碳化硅（SiliconCarbide,SiC）受到业界的广泛关注。碳化硅器件具有高压（达数万伏）、高温（＞500℃）特性，使发展新一代电力电子器件成为可能。目前以CREE公司为例的商业SiC器件电压等级在600～3300V。高压SiC器件也已经问世，同时也已经研发出15kV的SiCMOSFET[11]和15～20kV的SiCIGBT等。美国FREEDM中心采用15kV的SiCIGBT，其三相SST整流级采用三电平中点钳位型结构，中间级采用双有源桥（DualActiveBridge, DAB）DC-DC变换器结构，使拓扑大大简化，无需考虑级联型拓扑均压均功率问题，具有很强的现实意义。

由此可见，基于SiC器件，三相固态变压器拓扑可以大大简化。为验证其系统功能，本文搭建一个小型的三相SiC-SST系统，采用的拓扑结构如图1所示。其中SST的前端整流级采用三相电压型PWM整流器（VoltageSourceRectifier,VSR），中间级采用DABDC-DC变换器。前端整流级采用具有快速电流响应的直接电流控制策略，中间DAB级采用基于电压跟随的移相控制。整流级与DAB级互相配合，两级之间是高压直流母线。中间DAB级输出低压直流母线可直接接入直流负载、储能设备、可再生能源发电设备（DistributedRenewableEnergySource, DRER）；也可接逆变器，为交流负载提供接口。

实际电力系统中，电网电压会处于不平衡状态。本文通过抑制SST交流输入侧的负序电流，从而对电网电压不平衡时的三相SST进行控制，使三相SST在电网电压不平衡时仍可以正常运行。

本文对电网电压平衡、不平衡时SST的两种控制策略分别进行了分析和设计，用PSIM仿真证明了控制策略的可行性与正确性。最后采用CREE公司的C2M0080120D碳化硅器件搭建了实验平台，对前端整流级进行了实验验证。

1、三相SiC-SST系统拓扑分析

本文的三相碳化硅SST系统主电路分为三部分，前端整流级采用三相电压型PWM整流器，中间DAB级起电压隔离与变换作用，最后一级是逆变级。其中逆变级控制技术已相对成熟，对于DAB输出直流母线可等效为一个阻抗，因此本文对逆变级不展开分析，主要分析前两部分，即整流级与DAB级。

1.1、基于SiC器件的前端整流级拓扑分析

三相SST的前端整流级具有很多功能，包括功率因数控制、调节高压直流母线电压、提高网侧电能质量、无功补偿等。

目前三相电压型PWM整流器拓扑已经完善，控制策略也很成熟，但是由于常规硅器件耐压水平不高，在很多场合这一拓扑受到限制。近几年随着高压SiC器件的商业化，其耐压水平大幅度提高，即若采用SiC器件可采用这种传统的而又简单的拓扑。本文设计的三相碳化硅SST系统的整流级基于SiC器件，故可采用这种传统的简单拓扑。SST的前端整流级拓扑如图2所示，包括三相电网电压ua、ub、uc，滤波电感L，6个SiCMOSFET构成的三相桥和母线电容C，后级等值负载电阻R。根据该拓扑，可以建立三相VSR的三相对称静止abc坐标系下的数学模型，此时VSR交流侧均为时变交流量，不利于控制系统设计。通过Park坐标变换，将三相对称静止坐标系转换成以电网电压矢量同步旋转的两相旋转dq坐标系，进而得到dq坐标系下三相VSR的数学模型，从而可简化控制系统的设计，具体表示为

式中，为网侧电压的角频率；iL为负载电流；ud、uq和id、iq分别为d、q坐标系下的网侧电压与电流；vdc为输出电压；sd、sq为开关函数。

1.2、基于SiC器件的DAB级拓扑分析

DAB级基于SiC器件的拓扑，由两个H桥、一个高频隔离变压器（包括漏感）构成，如图3所示，包括S1～S4、Q1～Q4（8个碳化硅MOSFET管）、漏感Ls、等值负载电阻R0、输入电容C1与输出电容C2，其直流输入电压U1来自SST前端整流级的输出。DAB级不仅实现了SST系统的高低直流电压等级的变换，还实现了高低压直流母线的电气隔离以及功率的双向流动。

对于DAB级，本文采用单移相控制，即在S1与Q1的驱动信号中加入一个移相角，通过控制移相角来控制DAB级传输功率的大小与方向。为了对DAB进行闭环控制，可利用状态空间平均法建立DAB级的一阶小信号模型为

式中，f为开关频率；dˆ为占空比的小信号扰动量；D为占空比的稳态值；n为变压器电压比；U1、U2分别为DAB级的直流输入和输出电压；uˆ1、iˆ1分别为输入侧电压与电流的小信号扰动量；uˆ2、iˆ2分别为输出侧电压与电流的小信号扰动量。

三相SiC-SST系统的控制策略

电网电压平衡、不平衡时，三相SiC-SST系统的控制应有所不同，以下分别分析其控制策略。

电网电压平衡时SST系统的控制策略

首先，前端整流级的控制可采用目前普遍采用的直接电流控制方法，即采用电流内环和电压外环双闭环控制。根据三相VSR的dq模型，适当选取d、q轴的初始参考方向，如d轴与电网电压矢量重合，则可用d轴表示有功分量、q轴表示无功分量。因此三相SST的网侧有功功率与无功功率可以独立控制，从而实现功率的灵活控制。

根据式（1），电流内环的d、q轴分量存在相互耦合，可采用前馈解耦控制策略[14]。当电流调节器采用PI调节器时，可得到解耦控制方程为

式中，vd、vq分别为三相VSR交流侧电压的d、q 轴分量；KiP、KiI分别为电流环PI控制器的参数；*id、*iq分别为d、q轴参考指令电流。

经过解耦控制，可以简化三相VSR的双环控制系统设计，按照典型Ⅰ型系统设计电流内环控制器，按典型Ⅱ型系统设计电压外环控制器。电压外环对前端整流级输出的高压直流母线电压进行控制，其电压外环调节器的输出作为电流内环的参考值，电流环根据这个参考值进行电流控制。通过控制无功电流iq=0，调节有功电流id的大小，可以达到三相SST系统高功率因数运行的目的。

其次，DAB级的控制可以根据式（2），令uˆ10，uˆ2与dˆ比值即为占空比到输出电压的传递函数，即

根据此传递函数，设计PI调节器，得到电压跟随的闭环控制框图，DAB级的控制框图如图4所示。图中，Km为PWM环节的调制等效增益，H为该级输出电压的反馈系数。

电网电压不平衡时SST系统的控制策略

电网电压不平衡时，基于三相电网电压平衡条件下设计的SST运行时将出现不正常状态。在网侧交流电流中出现负序分量，交流电流不对称，直流电压和交流电流中出现非特征谐波分量，直流电压和交流电流波形发生畸变。本文通过抑制网侧负序电流的控制策略，控制三相SST系统的前端整流级交流电流对称正弦化。通过设计dq坐标系下数字滤波器对不平衡电网电压提取，设计了电流内环电压外环控制器。

电网电压不平衡时，在两相同步旋转坐标系下的三相VSR正序、负序复矢量模型[17]方程为

式中，UUdqPP、和UUdqNN、分别为网侧电压在dq坐标系下的正序和负序电压；IdqPP、I和IdqNN、I分别为网侧电流在dq坐标系下的正序和负序电流；VVdqPP、和VVdqNN、分别为三相VSR交流侧电压在dq坐标系下的正序和负序电压。

与式（1）比较发现，电网电压不平衡时，在电网电压负序分量的作用下，SST系统的交流输入侧将产生幅值较大的负序电流分量IdqNN、I。该负序电流可使三相交流电流严重不对称，出现某些相的电流远大于其他相的电流，轻则引起系统故障保护，重则威胁功率器件、烧毁装置。同时负序电流与正序开关函数的乘积以及正序电流与负序开关函数的乘积将在三相VSR直流电流中产生2次谐波电流，经直流电容和负载电阻滤波后，将使输出直流电压产生2次谐波电压。

为了抑制电网电压不平衡下SST系统输入交流侧的负序电流，令idqdqNNNiij0，只考虑平均有功功率p0及平均无功功率q0的控制，可以求得正序电流指令[14]为

式中，p0*和q0*分别为平均有功、无功功率指令值。*p0与前端整流级输出直流侧电压平均值相关，当电压外环采用PI调节时，其调节器输出与三相VSR直流指令相对应为

式中，KvvPI、K分别为电压环PI调节器的参数；vdc*为前端整流级输出直流侧电压的指令电压。令q0*=0，即可实现平均单位功率因数的控制。

如式（3）所示，电流内环采用PI调节器并进行前馈解耦控制，得到正序电压控制指令为

这样控制使三相交流电流中不含有负序电流，三相电流对称。但是三相瞬时有功功率仍存在2次谐波分量，传递到直流侧使直流电压也存在2次谐波分量。基于dq坐标系的抑制负序电流控制框图如图5所示。其中可通过2次谐波滤除法来检测不平衡电网电压。

3、仿真

为证明两种控制策略的可行性，利用PSIM软件搭建了仿真模型，主电路如图1所示。仿真参数见表1。

电网电压平衡时的仿真波形如图6所示。图6a表明输入交流电流iLa、iLb、iLc三相对称，从图6b可以看出a相的网侧输入电压ua与对应的输入电流iLa同相位，实现了单位功率因数。由图6c可以看出，前端整流级输出直流电压Vdc稳定在650V，达到预期结果；图6c还可以看出中间DAB级输出电压U2稳定在300V。仿真结果与预期相一致，证明了电网电压平衡时控制策略的正确性。在1s时加入负载扰动，输出电压波形如图6d所示，表明SST系统具有很强的抗扰性。

为证明电网电压不平衡时本文所提控制策略的可行性，原仿真模型中在三相平衡电压基础上加入30V的负序电压来模拟电网电压的不平衡，其余参数见表1，电网电压不平衡时的仿真波形如图7所示。加入负序电压后，三相电网电压ua、ub、uc如图7a所示，可以看出此时电网电压处于不平衡状态。若此时仍采用平衡下的控制策略，网侧电流波形如图7b所示，可以看出此时网侧电流不平衡，网侧电流低次谐波幅值增大。

当采用抑制网侧负序电流的控制策略后，网侧电流波形如图7c所示，可以看出此时网侧电流得到改善且基本对称，不含负序电流，结果与预期一致。图7d给出了前端整流级的输出直流电压波形，其在电网电压不平衡时能较好的达到给定电压650V，但直流侧电压存在2次谐波分量。

4、实验

为了验证本文所提的三相SiC-SST系统的可行性，搭建了实验平台对SST系统的前端整流级进行实验验证，实验样机参数见表2。图8给出了样机照片，包括主电路、控制电路与电压电流采样电路，其中主电路采用了CREE公司型号为C2M0080120D的碳化硅MOSFET，控制芯片采用TI公司的DSP TMS320F28335。其中在驱动电路设计时选用金升阳公司的碳化硅驱动器专用DC-DC模块电源与安华高公司的碳化硅MOSFET驱动光耦，并自主设计了碳化硅器件专用的过电流检测保护电路，能够对过电流情况进行快速响应并保护。驱动电路与过电流检测保护电路如图9所示。