用于直流電網(wǎng)的大容量DC-DC變換器研究綜述

1、第 40 卷 第3 期電 網(wǎng) 技術(shù)Vol. 40 No. 32016 年 3月Power System TechnologyMar. 2016文章編號(hào)：1000-3673（2016）03-0670-08中圖分類(lèi)號(hào)：TM 46文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A學(xué)科代碼：470·40用于直流電網(wǎng)的大容量 DC/DC 變換器研究綜述楊曉峰 1，鄭瓊林 1，林智欽 1，薛堯 1，王志冰 2，姚良忠 2，陳博偉 1（1北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京市 海淀區(qū) 100044；2中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市 海淀區(qū) 100192）Survey of High-Power DC/DC Converter for HVD

2、C Grid ApplicationYANG Xiaofeng1, ZHENG Trillion Q1, LIN Zhiqin1, XUE Yao1,WANG Zhibing2, YAO Liangzhong2, CHEN Bowei1(1. School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Haidian District, Beijing 100044, China; 2. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 1001

3、92, China)ABSTRACT: Development of HVDC grid is an effective technical solution to implement long-distance power transmission and large-scale renewable energy integration. As key equipment for interconnection between dc power lines with different voltage levels, HV high power DC/DC converter is a bo

4、ttleneck restricting future HVDC grid promotion. Reported studies of DC/DC converter are mostly focused on LV low-power applications. The paper firstly addresses technical requirements of DC/DC converters in HVDC grid application. Then a survey of state-of-the-art topologies of HV high gain DC/DC co

5、nverters is presented. Characteristics and application prospect of abovementioned DC/DC converters in HVDC grid are also summarized in detail. Key issues of high power DC/DC converters to be solved urgently are also pointed for HVDC grid application. Conclusions will provide essential theoretical an

6、d practical basis for industry application of future HVDC grid.KEY WORDS: HVDC grid; DC/DC converters; modular multilevel converter; renewable energy integration; non-isolated; isolated摘要：發(fā)展高壓直流電網(wǎng)是解決電能大容量遠(yuǎn)距離傳輸及大規(guī)?？稍偕茉磪R集的有效手段，高壓大容量 DC/DC 變換器是實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)的直流電網(wǎng)線(xiàn)路之間互聯(lián)的關(guān)鍵設(shè)備，也是制約直流電網(wǎng)推廣的主要技術(shù)瓶頸之一。然而已發(fā)表的研究工作主要集

7、中于 DC/DC 變換器在中低壓小功率應(yīng)用，其在高壓大容量場(chǎng)合的應(yīng)用研究較少。為此，首先分析了高壓直流電網(wǎng)對(duì)大容量 DC/DC 變換器的技術(shù)需求，然后系統(tǒng)回顧了高壓大容量高增益 DC/DC 變換器拓?fù)涞膰?guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并總結(jié)了各類(lèi) DC/DC 變換器的特點(diǎn)及其在未來(lái)高壓直流電網(wǎng)中的應(yīng)用前景。在此基礎(chǔ)上指出了高壓直流電網(wǎng)用的大容量 DC/DC 變換器亟待研究的關(guān)鍵問(wèn)題。所述內(nèi)容為未來(lái)高壓直流電網(wǎng)技術(shù)的研究和工程化應(yīng)用提供了一定的技術(shù)參考。關(guān)鍵詞：高壓直流電網(wǎng)；DC/DC 變換器；模塊化多電平換流器；可再生能源匯集；非隔離型；隔離型DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2016

8、.03.0020引言中國(guó)地域幅員遼闊，能源資源儲(chǔ)備與電力負(fù)荷中心的分布極不均衡，建設(shè)長(zhǎng)距離、大容量高壓電能輸送通道，是我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)的必然選擇。與交流輸電技術(shù)相比，高壓直流(high-voltage-direct-current，HVDC)輸電技術(shù)除能實(shí)現(xiàn)電能大規(guī)模和遠(yuǎn)距離輸送的需求以外，還具有輸電效率高、節(jié)省輸電走廊、調(diào)節(jié)快速可靠等優(yōu)勢(shì)，因此在我國(guó)電網(wǎng)中得到了大規(guī)模應(yīng)用1-2。此外，隨著傳統(tǒng)化石一次能源的日益枯竭和改善生態(tài)環(huán)境的壓力，世界各國(guó)面臨著能源結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略性調(diào)整，綠色可再生能源成為未來(lái)能源開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)，并在全球范圍內(nèi)經(jīng)歷了快速發(fā)展階段3-4。我國(guó)已成為世界上風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量最大和光伏發(fā)電增

9、長(zhǎng)最快的國(guó)家5。然而由于風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源的間歇性、隨機(jī)性特點(diǎn)以及傳統(tǒng)交流電力系統(tǒng)自身消納能力的技術(shù)限制等問(wèn)題，出現(xiàn)“棄風(fēng)”、“棄光”等現(xiàn)象。因此迫切需要在電網(wǎng)側(cè)加快新型電能匯集及輸送技術(shù)的研究，以提高新能源發(fā)電的利用效率，適應(yīng)未來(lái)能源格局的深刻變化6?；痦?xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)人才基金項(xiàng)目(2014RC013)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51577010)。Project Supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities (2014RC013); National Natural Scienc

10、e Foundation of China(51577010).建設(shè)高壓直流電網(wǎng)(high-voltage-direct-currentgrid，HVDC Grid)，將可再生能源與傳統(tǒng)能源廣域互聯(lián)，可充分實(shí)現(xiàn)多種能源形式、多時(shí)間尺度、大空間跨度、多用戶(hù)類(lèi)型之間的互補(bǔ)7。此外，國(guó)際第 40 卷 第 3 期電 網(wǎng) 技 術(shù)671大電網(wǎng)組織 B4 工作組提出了高壓直流電網(wǎng)的試驗(yàn)系統(tǒng)框圖，明確了多端高壓直流系統(tǒng)存在的必要性8。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)高壓直流電網(wǎng)的研究日益深入，文獻(xiàn)9介紹了典型的高壓直流電網(wǎng)拓?fù)?，瑞典學(xué)者提出網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直流電網(wǎng)，多直流端互聯(lián)且互為備用10；歐洲北海沿岸國(guó)家與德國(guó)也先后提出了北海

11、超級(jí)電網(wǎng)計(jì)劃與非洲撒哈拉沙漠大型太陽(yáng)能項(xiàng)目等直流電網(wǎng)的設(shè)想與規(guī)劃10-11。盡管高壓直流電網(wǎng)建設(shè)符合未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展方向，但也面臨著諸如高壓直流斷路器、高壓大容量 DC/DC 變換器等技術(shù)瓶頸。由于目前直流電網(wǎng)尚無(wú)統(tǒng)一的電壓標(biāo)準(zhǔn)，主流電壓等級(jí)包括±80 kV、±160 kV 和±320 kV 等，這將為直流電網(wǎng)間互聯(lián)提出挑戰(zhàn)6，高壓大容量 DC/DC 變換器是解決未來(lái)直流電網(wǎng)中上述問(wèn)題的關(guān)鍵設(shè)備。與高壓直流斷路器技術(shù)研究已取得的突破性進(jìn)展相比，目前用于高壓直流電網(wǎng)的大容量 DC/DC 變換器的研究處于電路拓?fù)?、仿真?jì)算、原理樣機(jī)階段，尚無(wú)工業(yè)樣機(jī)的報(bào)道。因此對(duì)高壓直流

12、電網(wǎng)中的大容量 DC/DC 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行梳理和分析，具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。本文將首先系統(tǒng)總結(jié)現(xiàn)有的適用于高壓直流電網(wǎng)的大容量 DC/DC 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)具有廣泛應(yīng)用前景的高壓大容量 DC/DC變換器拓?fù)浼吧写鉀Q的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行展望，為推進(jìn)高壓直流電網(wǎng)技術(shù)的工程化應(yīng)用提供技術(shù)參考。1高壓大容量 DC/DC 變換器的技術(shù)需求1.1 直流互聯(lián)應(yīng)用典型的高壓直流電網(wǎng)系統(tǒng)如附錄圖A1 所示。大容量 DC/DC 變換器能實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)的相同類(lèi)型 HVDC 輸電線(xiàn)路互聯(lián)，也可實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型 HVDC 輸電線(xiàn)路，如相控?fù)Q流器型高壓直流輸電系統(tǒng)(line-commut

13、ated-converters HVDC，LCC-HVDC)和柔性高壓直流系統(tǒng)(voltage-source-converter HVDC，VSC-HVDC)線(xiàn)路之間的互聯(lián)，為此大容量 DC/DC 變換器除進(jìn)行直流電壓等級(jí)調(diào)節(jié)以外，需滿(mǎn)足如下技術(shù)需求：1）快速調(diào)節(jié)功率，實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)。2）對(duì)包含 LCC-HVDC 和 VSC-HVDC 2 種輸電類(lèi)型的直流電網(wǎng)，由于 LCC-HVDC 中晶閘管的單向?qū)щ娦?，需?DC/DC 變換器改變極性以實(shí)現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)。3）對(duì)包含單極和雙極 2 種運(yùn)行方式的直流電網(wǎng)系統(tǒng)，則需要進(jìn)行單雙極性的變換。4）一定的故障電流耐受能力和故障隔離能力。1.2 大規(guī)模可再生

14、能源匯集應(yīng)用大容量 DC/DC 變換器的另一典型應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？稍偕茉磪R集，以充分利用 HVDC 輸電線(xiàn)路走廊，實(shí)現(xiàn)多種能源形式、多用戶(hù)類(lèi)型之間的互補(bǔ)12。文獻(xiàn)13對(duì)大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流并網(wǎng)方案進(jìn)行了探討，文獻(xiàn)14-16則分析了基于直流風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)采用不同 DC/DC 變換器組網(wǎng)的拓?fù)洌瑸榇蠊β矢邏?DC/DC 變換器在新能源并網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了有益的嘗試。風(fēng)力發(fā)電是諸多可再生能源中技術(shù)相對(duì)較成熟，具有規(guī)?；_(kāi)發(fā)條件和商業(yè)前景的發(fā)電技術(shù)，目前已有不少海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目采用 HVDC 輸電方式向岸上主干電網(wǎng)傳輸電能的方案17-18。隨著風(fēng)電場(chǎng)容量越來(lái)越大、離岸距離越來(lái)越遠(yuǎn)，采用 HVDC

15、輸電技術(shù)實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)成為必然的趨勢(shì)，為使用這些已有的 HVDC 輸電線(xiàn)路，需要大容量DC/DC變換器進(jìn)行升壓并與HVDC輸電線(xiàn)路連接。此外，采用直流制式作為海上風(fēng)電場(chǎng)的組網(wǎng)方式可有效簡(jiǎn)化海上風(fēng)電場(chǎng)從發(fā)電到并網(wǎng)的整個(gè)過(guò)程，減少能量變換環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)效率；同時(shí)，可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少濾波裝置，節(jié)省海上平臺(tái)體積19。作為可再生能源接入現(xiàn)有高壓直流電網(wǎng)的中轉(zhuǎn)設(shè)備，大容量 DC/DC 變換器需滿(mǎn)足如下技術(shù)需求：1）高壓、高增益。直流電網(wǎng)主干輸電線(xiàn)路的電壓通常高達(dá)數(shù)百 kV 以降低傳輸損耗，但目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出線(xiàn)電壓最高只有數(shù) kV，因此 DC/DC 變換器必須具有很大的直流電壓增益。2）大容量

16、。由于當(dāng)前海上風(fēng)電場(chǎng)的容量越來(lái)越大，對(duì) DC/DC 變換器的容量要求也很高。3）功率單向流動(dòng)。從附錄圖 A1 可以看出，不同于直流互聯(lián)應(yīng)用中 DC/DC 變換器具有雙向功率流動(dòng)能力要求，大規(guī)?？稍偕茉磪R集的應(yīng)用中，系統(tǒng)功率由可再生能源向高壓直流電網(wǎng)單向輸送。這將有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)拓?fù)?，降低硬件成本投入?大容量 DC/DC 變換器綜述傳統(tǒng) DC/DC 變換器研究主要側(cè)重于中低壓小功率應(yīng)用，故無(wú)法直接應(yīng)用于高壓大功率場(chǎng)合。根據(jù)中高壓大容量 DC/DC 變換器的技術(shù)需求，目前有以下幾種大容量 DC/DC 變換器拓?fù)湓谥绷麟娋W(wǎng)領(lǐng)域中具有一定的應(yīng)用前景。本文接下來(lái)將對(duì)這些拓?fù)浼捌涮攸c(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)總結(jié)，并分析

17、其在未來(lái)高壓直流電網(wǎng)中的應(yīng)用前景。2.1 傳統(tǒng)大容量 DC/DC 變換器拓?fù)湮墨I(xiàn)20探索了基于二極管箝位型三電平672楊曉峰等：用于直流電網(wǎng)的大容量 DC/DC 變換器研究綜述Vol. 40 No. 3DC/DC 變換器應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)直流電網(wǎng)并網(wǎng)的可行性。文獻(xiàn)21研究了雙側(cè)有源橋(dual-active-bridge, DAB)式 DC/DC 變換器的拓?fù)?，可?shí)現(xiàn)直流電壓變換、功率雙向流動(dòng)、故障隔離等功能。文獻(xiàn)22-23則對(duì)移相控制全橋變換器、單有源橋式變換器、串并聯(lián)諧振變換器應(yīng)用于海上直流風(fēng)電場(chǎng)時(shí)的情況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明滿(mǎn)載情況下移相控制全橋變換器的效率最高，但綜合考慮從輕載到滿(mǎn)載全

18、部工況后，串聯(lián)諧振變換器的效率是最高的。由于直流電網(wǎng)的電壓等級(jí)通常高達(dá)數(shù)百 kV，考慮到系統(tǒng)傳輸容量，傳統(tǒng) DC/DC 變換器應(yīng)用于高壓直流電網(wǎng)互聯(lián)時(shí)，通常需要大量 IGBT 器件串并聯(lián)才能滿(mǎn)足系統(tǒng)的容量和電壓要求，再加上此類(lèi)拓?fù)涞拈_(kāi)關(guān)頻率一般在數(shù) kHz，因此串并聯(lián) IGBT器件間的均壓和均流問(wèn)題便成為了限制傳統(tǒng) DC/DC 變換器拓?fù)湓谠擃?lèi)應(yīng)用的主要原因。2.2 基于晶閘管的諧振式 DC/DC 變換器為克服上述不足，文獻(xiàn)24-26提出了一種諧振式兩端口 DC/DC 變換器拓?fù)?，其基本結(jié)構(gòu)如附錄圖 A2 所示，兩端口換流器的交流側(cè)通過(guò)并聯(lián)電容器直接連接，且與直流側(cè)的濾波電感共同構(gòu)成 LCL

19、諧振電路，從而省去了交流變壓器。附錄圖 A2(a)(b)分別為單相電流極性反轉(zhuǎn)式和單相電壓極性反轉(zhuǎn)式諧振型 DC/DC 變換器拓?fù)?。為進(jìn)一步擴(kuò)大裝置容量，可以采用附錄圖 A2(c)所示的三相諧振變換器，不僅體積更小而且重量更輕，更加適合在海上直流風(fēng)電場(chǎng)中應(yīng)用25。文獻(xiàn)27對(duì)雙向諧振變換器在直流系統(tǒng)故障時(shí)的響應(yīng)情況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明雙向諧振變換器能夠隔離直流系統(tǒng)故障，防止故障擴(kuò)散。該拓?fù)錈o(wú)需變壓器元件，因此其體積和重量都較小?；诰чl管的諧振式 DC/DC 變換器結(jié)合軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，降低了系統(tǒng)損耗，并可實(shí)現(xiàn)較大的直流電壓增益；由于其開(kāi)關(guān)器件是晶閘管，易滿(mǎn)足高電壓、大容量的要求，串并聯(lián)晶閘管間的均壓

20、和均流也相對(duì)容易，因此該拓?fù)?見(jiàn)附錄圖 A2)比較適合在直流電網(wǎng)的應(yīng)用。但該類(lèi)拓?fù)涞闹饕蛔阍谟冢?）該拓?fù)湓跀嗬m(xù)工作模式下雖然實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)，但其輸入側(cè)電流諧波含量大，對(duì)濾波電感的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。2）需要使用大量的高壓交流電容，且低壓側(cè)每相橋臂的耐壓與高壓側(cè)基本相同，因此低壓側(cè)的開(kāi)關(guān)器件也要按高壓側(cè)的電壓等級(jí)設(shè)計(jì)6。2.3 諧振開(kāi)關(guān)電容 DC/DC 變換器針對(duì)大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)應(yīng)用，文獻(xiàn)28提出了附錄圖 A3 所示的一種非隔離型諧振開(kāi)關(guān)電容(resonant-switching-capacitor，RSC)DC/DC 變換器。該拓?fù)溆扇舾蓚€(gè)附錄圖 A3(b)所示的諧振開(kāi)關(guān)單元模塊級(jí)聯(lián)而

21、成，其優(yōu)點(diǎn)在于能實(shí)現(xiàn)大變比電壓變換，理論上所有半導(dǎo)體器件可以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，降低損耗；加上無(wú)變壓器，系統(tǒng)效率較高。但由于諧振開(kāi)關(guān)采用了二極管，無(wú)法實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)，故僅適用諸如海上風(fēng)力發(fā)電等功率單向傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)合。此外，在高壓大功率應(yīng)用場(chǎng)合，諧振開(kāi)關(guān)單元數(shù)量較多，諧振電感與諧振電容的參數(shù)一致性難以保證，進(jìn)而影響系統(tǒng)的可靠性并增加損耗，也降低了系統(tǒng)的可靠性。為此，文獻(xiàn)29提出了如附錄圖A3(c)所示的一種改進(jìn)型RSC 變換器，與文獻(xiàn)28的拓?fù)湎啾?，新拓?fù)淅酶俚哪K實(shí)現(xiàn)更高的直流電壓增益，同時(shí)使用的無(wú)源器件數(shù)量也有所減少，但其不足在于所用的有源器件的數(shù)量較多，控制相對(duì)復(fù)雜。為實(shí)現(xiàn)更大的電壓變比，文

22、獻(xiàn)30提出了如附錄圖 A3(d)所示的模塊化的串聯(lián)型諧振雙向 DC/DC 變換器 HVDC-TAP，其高壓直流側(cè)由直接開(kāi)關(guān)(direct switch，DS)和開(kāi)關(guān)電容子模塊直接串聯(lián)構(gòu)成，低壓直流側(cè)經(jīng)過(guò) LC 電路濾波后輸出，其中 DS 采用 IGBT 或晶閘管直接串聯(lián)而成。正常工況下，所有器件均可以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，因此極大降低了系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)損耗，更重要的是有效避免了直接開(kāi)關(guān)器件電壓動(dòng)態(tài)均衡及同步觸發(fā)一致性問(wèn)題。由于其高度模塊化的結(jié)構(gòu)，該拓?fù)渚哂辛己玫耐卣剐砸赃m應(yīng)不同電壓等級(jí)直流電網(wǎng)系統(tǒng)之間的互聯(lián)，尤其是在大容量高電壓變比場(chǎng)合具有廣泛的應(yīng)用前景。該拓?fù)涞牟蛔阍谟陂_(kāi)關(guān)電容子模塊中采用了大量有源開(kāi)關(guān)器件

23、，造成控制系統(tǒng)較復(fù)雜，硬件成本相對(duì)較高。此外，文獻(xiàn)31提出了附錄圖 A3(e)所示的一種用于本地社區(qū)的中等容量 DC/DC 變換器，該拓?fù)涿總€(gè)諧振組調(diào)諧到相同的頻率，每半個(gè)諧振周期能量由上部的電容向下傳遞，直到最底部一級(jí)直接供給負(fù)載，類(lèi)似于倍壓整流發(fā)電機(jī)，適用于變換容量在 2 MW 左右的高增益應(yīng)用場(chǎng)合。附錄圖 A3(e)所示的DC/DC 變換器拓?fù)浜蠹?jí)UDC2 可以連接DC/AC變頻器，與直接采用三相 DC/AC 變頻器方案相比，本方案所需的功率開(kāi)關(guān)器件和電容器可以減少70%左右。2.4 模塊組合型 DC/DC 變換器鑒于傳統(tǒng) DC/DC 變換器在電壓和容量方面的限制，采用模塊串并聯(lián)結(jié)構(gòu)組合

24、而成的 DC/DC 變換器拓?fù)鋭t可滿(mǎn)足不同的電壓和功率需求。常見(jiàn)模塊組合型 DC/DC 變換器大致分為 4 種基本類(lèi)型：第 40 卷 第 3 期電 網(wǎng) 技 術(shù)673輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)型(input-parallel-output-series，IPOS)、輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)型(input-series-output-series，ISOP)、輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)型(input-series-output-series，ISOS)和輸入并聯(lián)輸出并聯(lián)型(input-parallel-output-parallel，IPOP) 32。采用多個(gè) DC/DC變換器單元串聯(lián)的方式，可減小各變換器子模塊中開(kāi)關(guān)器件的

25、電壓應(yīng)力，適合高電壓的應(yīng)用場(chǎng)合；而采用多個(gè) DC/DC 變換器單元并聯(lián)的方式，可減小各變換器子模塊中開(kāi)關(guān)器件的電流應(yīng)力，適合大電流場(chǎng)合。特別地，對(duì)于諸如海上風(fēng)電、光伏發(fā)電等需要高壓和高輸出增益的直流并網(wǎng)應(yīng)用而言，IPOS和 ISOS 是相對(duì)合適的拓?fù)?，其在高壓直流電網(wǎng)中有良好的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)33提出一種用于集中升壓型海上直流風(fēng)電場(chǎng)的模塊化 DC/DC 變換器，如附錄圖 A4 所示；文獻(xiàn)34則研究了當(dāng) DC/DC 變換器采用模塊化結(jié)構(gòu)時(shí)，其輸出側(cè)濾波電容的參數(shù)設(shè)計(jì)。模塊組合型 DC/DC 變換器采用 DAB-DC/DC作為子模塊時(shí)，可在風(fēng)電場(chǎng)啟動(dòng)時(shí)向風(fēng)電場(chǎng)提供其必須的電能，幫助風(fēng)電場(chǎng)啟動(dòng)35。但

26、 DAB-DC/DC與單向全橋變換器相比，其結(jié)構(gòu)和控制較復(fù)雜，損耗也更大。為解決上述損耗問(wèn)題，文獻(xiàn)36-37基于軟開(kāi)關(guān)技術(shù)提出了一種三相串聯(lián)諧振變換器，有效改善了這種狀況，因此采用該類(lèi)子模塊的模塊組合型 DC/DC 變換器既可以解決風(fēng)電場(chǎng)啟動(dòng)時(shí)所需的能量問(wèn)題，又可以有效降低成本和損耗，其經(jīng)濟(jì)性有較大提升。上述拓?fù)溆捎诓捎昧四K化結(jié)構(gòu)，避免了開(kāi)關(guān)器件直接串并聯(lián)帶來(lái)的器件均壓和均流問(wèn)題，通過(guò)選擇合適的子模塊拓?fù)浜涂刂?，亦可?shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)器件的軟開(kāi)關(guān)以降低系統(tǒng)損耗，在系統(tǒng)擴(kuò)容、散熱設(shè)計(jì)等方面的優(yōu)勢(shì)得到了較大的提升，因此模塊組合型 DC/DC 變換器拓?fù)湓诳稍偕茉床⒕W(wǎng)的高壓直流電網(wǎng)中具有較好的應(yīng)用前景。2

27、.5 模塊化多電平 DC/DC 變換器模塊化多電平換流器(modular multilevelconverter，MMC)近年來(lái)獲得了廣泛的關(guān)注，并在以 HVDC 輸電為代表的直流“背靠背”(back-to-back)系統(tǒng)中獲得了成功的商業(yè)化推廣38-41。MMC繼承了傳統(tǒng)多電平變換器在輸出特性等方面的優(yōu)點(diǎn)，不僅具有高度模塊化的結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)冗余控制，系統(tǒng)可靠性高；此外 MMC 具有公共直流母線(xiàn)，具備四象限運(yùn)行能力。這些特點(diǎn)使得 MMC 在典型的高壓大容量 DC/DC 變換器為代表的交流側(cè)“面對(duì)面”(front-to-front)連接系統(tǒng)中具備良好的應(yīng)用前景42。本節(jié)接下來(lái)將系統(tǒng)總結(jié)基于 MMC

28、 的 DC/DC變換器(MMC-DC/DC)拓?fù)洹?.5.1 中大容量高電壓變比連接將 MMC 的交流輸出側(cè)通過(guò)變壓器耦合構(gòu)成的 MMC-DC/DC 變換器拓?fù)淙绺戒泩D A5 所示，其中高頻換流端 MMC 可采用傳統(tǒng) MMC 拓?fù)浠驑虮劢惶鎸?dǎo)通型 MMC(alternative-arm-MMC，AA-MMC)43-47拓?fù)渲械囊环N，功率模塊采用半橋子模塊(half-bridge sub-module，HBSM)或全橋子模塊 (full-bridge sub-module，HBSM)。MMC-DC/DC 變換器通過(guò)隔離變壓器元件實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)變換，與傳統(tǒng)直流側(cè)“背靠背”應(yīng)用工作頻率較低的特點(diǎn)不同，

29、MMC-DC/DC 換流端的工作基波頻率設(shè)定為 300 1000 Hz 范圍的中頻段，因而可有效減小隔離變壓器的體積和重量。此外中間交流側(cè)的輸出波形除了選擇正弦波形，還可選擇方波或者梯形波，用于優(yōu)化拓?fù)涞墓β实燃?jí)和換流端損耗48-49。對(duì)于直流電網(wǎng)中傳輸容量不太大、且需要中高電壓變比的場(chǎng)合，可以采用附錄圖 A5(a)(c)所示的單相隔離型 MMC-DC/DC 拓?fù)?。隨著系統(tǒng)傳輸容量增加，可通過(guò)增加換流端輸出相數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)。附錄圖A5(b)(d)給出了采用三相的MMC-DC/DC 連接拓?fù)洌瑢?duì)于更大容量傳輸場(chǎng)合則可采用多相連接方式。同時(shí)，為在滿(mǎn)足直流故障隔離功能的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)性，文獻(xiàn)50

30、提出一種基于半橋和 T 型全橋子模塊混合型 MMC-DC/DC 變換器，設(shè)計(jì)了其控制策略及電容電壓平衡策略。上述隔離變壓器環(huán)節(jié)假如采用 500 Hz 基頻工作頻率，系統(tǒng)損耗和成本與采用 50/60 Hz 的背靠背換流端連接方式相當(dāng)，但空間體積可顯著減小31，有利于離岸海上風(fēng)場(chǎng)的要求。對(duì)包括 LCC 和 VSC 的混合直流電網(wǎng)系統(tǒng)，由于系統(tǒng)傳輸功率方向改變時(shí)，必須能夠維持 VSC 側(cè)直流端極性不變而 LCC 側(cè)直流端極性同時(shí)改變。為此采用附錄圖 A5(e)所示的方案，即 LCC 側(cè)換流端為基于 FBSM 的傳統(tǒng) MMC 結(jié)構(gòu)，而 VSC 側(cè)換流端則采用 AA-MMC 結(jié)構(gòu)。AA-MMC 故障條件

31、下 DS 能夠承受一部分直流電壓，從而可以減少所需要的全橋子模塊數(shù)量。AA-MMC 在開(kāi)關(guān)管損耗、系統(tǒng)體積方面均有了較大的改進(jìn)，尤其適合于對(duì)裝置體積有嚴(yán)格要求的離岸直流輸電場(chǎng)合51。上述拓?fù)渲?，變壓器耦合環(huán)節(jié)將阻斷流向交流側(cè)的直流電流分量，但隔離變壓器所存在鐵心損耗大、等效開(kāi)關(guān)頻率高的問(wèn)題仍無(wú)法避免，一定程度上限制了其向高壓大功率發(fā)展。此外，由于采用了674楊曉峰等：用于直流電網(wǎng)的大容量 DC/DC 變換器研究綜述Vol. 40 No. 3MMC 技術(shù)，功率子模塊在高頻下的均壓控制問(wèn)題也要予以關(guān)注。受鐵心材料的限制，單體中頻變壓器的最大容量約為 5 MW，為使采用中頻變壓器的 DC/DC 變換

32、器技術(shù)達(dá)到直流輸電所需要的電壓以及功率等級(jí)，文獻(xiàn)31提出了附錄圖 A5(f)所示的一種可應(yīng)用于未來(lái)風(fēng)電直流組網(wǎng)的拓?fù)洹榻档鸵淮瓮顿Y和系統(tǒng)體積，其副邊采用了全橋中壓變換器，再通過(guò)單相升壓變壓器接入到采用晶閘管的整流橋。任一串聯(lián)的晶閘管橋均可被旁路，從而降低總直流運(yùn)行電壓。與交流離岸風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)相比，附錄圖 A5(f)所示并網(wǎng)方案的系統(tǒng)損耗可降低 10%左右，且有助于離岸風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定。2.5.2 中大容量低電壓變比連接對(duì)于直流電網(wǎng)中電壓變比較低的場(chǎng)合，可采用附錄圖A6 所示的非隔離型 MMC-DC/DC 變換器拓?fù)?2-53，該拓?fù)涞闹绷飨到y(tǒng)間共用了一部分換流端橋臂，相比隔離型高變比 M

33、MC-DC/DC 變換器具有整機(jī)容量較小、子模塊數(shù)量較少，體積重量較小的特點(diǎn)。作為高頻換流端 MMC 可采用傳統(tǒng) MMC 拓?fù)浠蛘?AA-MMC 拓?fù)渲械囊环N。附錄圖 A6(a)(c)所示的三相 MMC-DC/DC 換流端分別采用傳統(tǒng) MMC 和 AA-MMC 結(jié)構(gòu)，用于提供較大的傳輸容量；而對(duì)于傳輸容量不大的場(chǎng)合常采用附錄圖 A6(b)(d)所示的單相拓?fù)?；但?duì)于更大容量等級(jí)需求，可通過(guò)增加換流端輸出相數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)。非隔離型 MMC-DC/DC 變換器中，由于采用較高的系統(tǒng)頻率(3001000 Hz)，有助于減小系統(tǒng)中的無(wú)源器件(如子模塊的電容、橋臂電感等)的容量。此外交流側(cè)的輸出波形除選擇正弦波形，還可選擇方波或者梯形波，用于優(yōu)化拓?fù)涞墓β实燃?jí)和換流端損耗。非隔離型 MMC-DC/DC 的不足在于其中任一側(cè)直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，將波及到非故障直流側(cè)。2.5.3 中大容量自耦型連接針對(duì)上述非隔離型 MMC-DC/DC 變換器的電壓變比較低的問(wèn)題，各國(guó)學(xué)者對(duì)具有高電壓變比的非隔離型大容量 DC/DC 拓?fù)溟_(kāi)展了廣泛的研究，提出了一系列高壓大容量直流自耦變壓器(HVDCauto-transformer，HVDC-AT)拓?fù)?。本文接下?lái)將對(duì)該類(lèi)拓?fù)溥M(jìn)行分類(lèi)討論。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng) MMC 拓?fù)涓脑欤墨I(xiàn)54-55提出了一種基于HB