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：1000-3673（2016）03-0670-08中圖分類號：TM 46文獻標志碼：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 變換器是實現(xiàn)不同電壓等級的直流電網(wǎng)線路之間互聯(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，其在高壓大容量場合的應(yīng)用研究較少。為此，首先分析了高壓直流電網(wǎng)對大容量 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 變換器拓撲的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并總結(jié)了各類 DC/DC 變換器的特點及其在未來高壓直流電網(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)鍵問題。所述內(nèi)容為未來高壓直流電網(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引言中國地域幅員遼闊，能源資源儲備與電力負荷中心的分布極不均衡，建設(shè)長距離、大容量高壓電能輸送通道，是我國電網(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)除能實現(xiàn)電能大規(guī)模和遠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，因此在我國電網(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能源開發(fā)的趨勢，并在全球范圍內(nèi)經(jīng)歷了快速發(fā)展階段3-4。我國已成為世界上風(fēng)力發(fā)電裝機容量最大和光伏發(fā)電增

9、長最快的國家5。然而由于風(fēng)能、太陽能等新能源的間歇性、隨機性特點以及傳統(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)未來能源格局的深刻變化6。基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費人才基金項目(2014RC013)；國家自然科學(xué)基金項目(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)，可充分實現(xiàn)多種能源形式、多時間尺度、大空間跨度、多用戶類型之間的互補7。此外，國際第 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。目前國內(nèi)外對高壓直流電網(wǎng)的研究日益深入，文獻9介紹了典型的高壓直流電網(wǎng)拓撲，瑞典學(xué)者提出網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)的直流電網(wǎng)，多直流端互聯(lián)且互為備用10；歐洲北海沿岸國家與德國也先后提出了北海

11、超級電網(wǎng)計劃與非洲撒哈拉沙漠大型太陽能項目等直流電網(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)尚無統(tǒng)一的電壓標準，主流電壓等級包括±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 變換器是解決未來直流電網(wǎng)中上述問題的關(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撲、仿真計算、原理樣機階段，尚無工業(yè)樣機的報道。因此對高壓直流

12、電網(wǎng)中的大容量 DC/DC 變換器的拓撲結(jié)構(gòu)進行梳理和分析，具有重要的理論價值和現(xiàn)實指導(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 變換器的拓撲結(jié)構(gòu)及其特點，在此基礎(chǔ)上對具有廣泛應(yīng)用前景的高壓大容量 DC/DC變換器拓撲及尚待解決的關(guān)鍵問題進行展望，為推進高壓直流電網(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 變換器能實現(xiàn)不同電壓等級的相同類型 HVDC 輸電線路互聯(lián)，也可實現(xiàn)不同類型 HVDC 輸電線路，如相控換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)線路之間的互聯(lián)，為此大容量 DC/DC 變換器除進行直流電壓等級調(diào)節(jié)以外，需滿足如下技術(shù)需求：1）快速調(diào)節(jié)功率，實現(xiàn)功率雙向流動。2）對包含 LCC-HVDC 和 VSC-HVDC 2 種輸電類型的直流電網(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現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)。3）對包含單極和雙極 2 種運行方式的直流電網(wǎng)系統(tǒng)，則需要進行單雙極性的變換。4）一定的故障電流耐受能力和故障隔離能力。1.2 大規(guī)?？稍偕?/p>

14、能源匯集應(yīng)用大容量 DC/DC 變換器的另一典型應(yīng)用是實現(xiàn)大規(guī)模可再生能源匯集，以充分利用 HVDC 輸電線路走廊，實現(xiàn)多種能源形式、多用戶類型之間的互補12。文獻13對大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流并網(wǎng)方案進行了探討，文獻14-16則分析了基于直流風(fēng)電機組的風(fēng)電場采用不同 DC/DC 變換器組網(wǎng)的拓撲，為大功率高壓 DC/DC 變換器在新能源并網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用進行了有益的嘗試。風(fēng)力發(fā)電是諸多可再生能源中技術(shù)相對較成熟，具有規(guī)?；_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)電場項目采用 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)電場容量越來越大、離岸距離越來越遠，采用 HVDC

15、輸電技術(shù)實現(xiàn)海上風(fēng)電場并網(wǎng)成為必然的趨勢，為使用這些已有的 HVDC 輸電線路，需要大容量DC/DC變換器進行升壓并與HVDC輸電線路連接。此外，采用直流制式作為海上風(fēng)電場的組網(wǎng)方式可有效簡化海上風(fēng)電場從發(fā)電到并網(wǎng)的整個過程，減少能量變換環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)效率；同時，可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少濾波裝置，節(jié)省海上平臺體積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 變換器需滿足如下技術(shù)需求：1）高壓、高增益。直流電網(wǎng)主干輸電線路的電壓通常高達數(shù)百 kV 以降低傳輸損耗，但目前風(fēng)力發(fā)電機組的輸出線電壓最高只有數(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)電場的容量越來越大，對 DC/DC 變換器的容量要求也很高。3）功率單向流動。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。這將有利于簡化系統(tǒng)拓撲，降低硬件成本投入。2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，故無法直接應(yīng)用于高壓大功率場合。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 變換器拓撲在直流電網(wǎng)領(lǐng)域中具有一定的應(yīng)用前景。本文接下來將對這些拓撲及其特點進行分類總結(jié)，并分析

17、其在未來高壓直流電網(wǎng)中的應(yīng)用前景。2.1 傳統(tǒng)大容量 DC/DC 變換器拓撲文獻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)電機實現(xiàn)直流電網(wǎng)并網(wǎng)的可行性。文獻21研究了雙側(cè)有源橋(dual-active-bridge, DAB)式 DC/DC 變換器的拓撲，可實現(xiàn)直流電壓變換、功率雙向流動、故障隔離等功能。文獻22-23則對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)電場時的情況進行了研究，結(jié)果表明滿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)的電壓等級通常高達數(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，通常需要大量 IGBT 器件串并聯(lián)才能滿足系統(tǒng)的容量和電壓要求，再加上此類拓撲的開關(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題便成為了限制傳統(tǒng) DC/DC 變換器拓撲在該類應(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24-26提出了一種諧振式兩端口 DC/DC 變換器拓撲，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 變換器拓撲。為進一步擴大裝置容量，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)電場中應(yīng)用25。文獻27對雙向諧振變換器在直流系統(tǒng)故障時的響應(yīng)情況進行了研究，結(jié)果表明雙向諧振變換器能夠隔離直流系統(tǒng)故障，防止故障擴散。該拓撲無需變壓器元件，因此其體積和重量都較小。基于晶閘管的諧振式 DC/DC 變換器結(jié)合軟開關(guān)技術(shù)，降低了系統(tǒng)損耗，并可實現(xiàn)較大的直流電壓增益；由于其開關(guān)器件是晶閘管，易滿足高電壓、大容量的要求，串并聯(lián)晶閘管間的均壓

20、和均流也相對容易，因此該拓撲(見附錄圖 A2)比較適合在直流電網(wǎng)的應(yīng)用。但該類拓撲的主要不足在于：1）該拓撲在斷續(xù)工作模式下雖然實現(xiàn)了軟開關(guān)，但其輸入側(cè)電流諧波含量大，對濾波電感的設(shè)計提出了更高的要求。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)的開關(guān)器件也要按高壓側(cè)的電壓等級設(shè)計6。2.3 諧振開關(guān)電容 DC/DC 變換器針對大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)應(yīng)用，文獻28提出了附錄圖 A3 所示的一種非隔離型諧振開關(guān)電容(resonant-switching-capacitor，RSC)DC/DC 變換器。該拓撲由若干個附錄圖 A3(b)所示的諧振開關(guān)單元模塊級聯(lián)而

21、成，其優(yōu)點在于能實現(xiàn)大變比電壓變換，理論上所有半導(dǎo)體器件可以實現(xiàn)軟開關(guān)，降低損耗；加上無變壓器，系統(tǒng)效率較高。但由于諧振開關(guān)采用了二極管，無法實現(xiàn)功率雙向流動，故僅適用諸如海上風(fēng)力發(fā)電等功率單向傳輸?shù)膽?yīng)用場合。此外，在高壓大功率應(yīng)用場合，諧振開關(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29提出了如附錄圖A3(c)所示的一種改進型RSC 變換器，與文獻28的拓撲相比，新拓撲利用更少的模塊實現(xiàn)更高的直流電壓增益，同時使用的無源器件數(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，控制相對復(fù)雜。為實現(xiàn)更大的電壓變比，文

22、獻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)由直接開關(guān)(direct switch，DS)和開關(guān)電容子模塊直接串聯(lián)構(gòu)成，低壓直流側(cè)經(jīng)過 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，所有器件均可以實現(xiàn)軟開關(guān)，因此極大降低了系統(tǒng)的開關(guān)損耗，更重要的是有效避免了直接開關(guān)器件電壓動態(tài)均衡及同步觸發(fā)一致性問題。由于其高度模塊化的結(jié)構(gòu)，該拓撲具有良好的拓展性以適應(yīng)不同電壓等級直流電網(wǎng)系統(tǒng)之間的互聯(lián)，尤其是在大容量高電壓變比場合具有廣泛的應(yīng)用前景。該拓撲的不足在于開關(guān)電容子模塊中采用了大量有源開關(guān)器件

23、，造成控制系統(tǒng)較復(fù)雜，硬件成本相對較高。此外，文獻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，該拓撲每個諧振組調(diào)諧到相同的頻率，每半個諧振周期能量由上部的電容向下傳遞，直到最底部一級直接供給負載，類似于倍壓整流發(fā)電機，適用于變換容量在 2 MW 左右的高增益應(yīng)用場合。附錄圖 A3(e)所示的DC/DC 變換器拓撲后級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 變換器拓撲則可滿足不同的電壓和功率需求。常見模塊組合型 DC/DC 變換器大致分為 4 種基本類型：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 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關(guān)器件的

25、電壓應(yīng)力，適合高電壓的應(yīng)用場合；而采用多個 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關(guān)器件的電流應(yīng)力，適合大電流場合。特別地，對于諸如海上風(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 是相對合適的拓撲，其在高壓直流電網(wǎng)中有良好的應(yīng)用前景。文獻33提出一種用于集中升壓型海上直流風(fēng)電場的模塊化 DC/DC 變換器，如附錄圖 A4 所示；文獻34則研究了當(dāng) DC/DC 變換器采用模塊化結(jié)構(gòu)時，其輸出側(cè)濾波電容的參數(shù)設(shè)計。模塊組合型 DC/DC 變換器采用 DAB-DC/DC作為子模塊時，可在風(fēng)電場啟動時向風(fēng)電場提供其必須的電能，幫助風(fēng)電場啟動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。為解決上述損耗問題，文獻36-37基于軟開關(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，因此采用該類子模塊的模塊組合型 DC/DC 變換器既可以解決風(fēng)電場啟動時所需的能量問題，又可以有效降低成本和損耗，其經(jīng)濟性有較大提升。上述拓撲由于采用了模塊化結(jié)構(gòu)，避免了開關(guān)器件直接串并聯(lián)帶來的器件均壓和均流問題，通過選擇合適的子模塊拓撲和控制，亦可實現(xiàn)開關(guān)器件的軟開關(guān)以降低系統(tǒng)損耗，在系統(tǒng)擴容、散熱設(shè)計等方面的優(yōu)勢得到了較大的提升，因此模塊組合型 DC/DC 變換器拓撲在可再生能源并網(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，不僅具有高度模塊化的結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)冗余控制，系統(tǒng)可靠性高；此外 MMC 具有公共直流母線，具備四象限運行能力。這些特點使得 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)接下來將系統(tǒng)總結(jié)基于 MMC

28、 的 DC/DC變換器(MMC-DC/DC)拓撲。2.5.1 中大容量高電壓變比連接將 MMC 的交流輸出側(cè)通過變壓器耦合構(gòu)成的 MMC-DC/DC 變換器拓撲如附錄圖 A5 所示，其中高頻換流端 MMC 可采用傳統(tǒng) MMC 拓撲或橋臂交替導(dǎo)通型 MMC(alternative-arm-MMC，AA-MMC)43-47拓撲中的一種，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 變換器通過隔離變壓器元件實現(xiàn)電壓等級變換，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)化拓撲的功率等級和換流端損耗48-49。對于直流電網(wǎng)中傳輸容量不太大、且需要中高電壓變比的場合，可以采用附錄圖 A5(a)(c)所示的單相隔離型 MMC-DC/DC 拓撲。隨著系統(tǒng)傳輸容量增加，可通過增加換流端輸出相數(shù)的方法實現(xiàn)。附錄圖A5(b)(d)給出了采用三相的MMC-DC/DC 連接拓撲，對于更大容量傳輸場合則可采用多相連接方式。同時，為在滿足直流故障隔離功能的基礎(chǔ)上進一步提高經(jīng)濟性，文獻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)場的要求。對包括 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，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 在開關(guān)管損耗、系統(tǒng)體積方面均有了較大的改進，尤其適合于對裝置體積有嚴格要求的離岸直流輸電場合51。上述拓撲中，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、等效開關(guān)頻率高的問題仍無法避免，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)達到直流輸電所需要的電壓以及功率等級，文獻31提出了附錄圖 A5(f)所示的一種可應(yīng)用于未來風(fēng)電直流組網(wǎng)的拓撲。為降低一次投資和系統(tǒng)體積，其副邊采用了全橋中壓變換器，再通過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于直流電網(wǎng)中電壓變比較低的場合，可采用附錄圖A6 所示的非隔離型 MMC-DC/DC 變換器拓撲52-53，該拓撲的直流系統(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 變換器具有整機容量較小、子模塊數(shù)量較少，體積重量較小的特點。作為高頻換流端 MMC 可采用傳統(tǒng) MMC 拓撲或者 AA-MMC 拓撲中的一種。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；而對于傳輸容量不大的場合常采用附錄圖 A6(b)(d)所示的單相拓撲；但對于更大容量等級需求，可通過增加換流端輸出相數(shù)的方法實現(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)化拓撲的功率等級和換流端損耗。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上述非隔離型 MMC-DC/DC 變換器的電壓變比較低的問題，各國學(xué)者對具有高電壓變比的非隔離型大容量 DC/DC 拓撲開展了廣泛的研究，提出了一系列高壓大容量直流自耦變壓器(HVDCauto-transformer，HVDC-AT)拓撲。本文接下來將對該類拓撲進行分類討論。通過對傳統(tǒng) MMC 拓撲改造，文獻54-55提出了一種基于HB