直流变压器拓扑、控制及应用

为了应对因过度依赖化石能源所造成的生态环境问题和能源安全问题，推动社会与经济的绿色低碳转型，我国大力发展光伏、风电等可再生清洁能源，积极构建清洁、低碳、安全、高效的能源体系。构建含有新能源大规模接入的能源互联网，要求电网必须具备潮流柔性控制、多形态能源负荷接入等功能。在此背景下，传统交流配电网暴露出供电容量不足、潮流调节困难、电能质量难以保障等问题，且对直流负荷兼容性差、分布式新能源消纳能力不足。相比于传统交流配电技术，直流配电技术具有供电容量更大、方便灵活接入各类直流负荷与分布式新能源的特点。其中，直流变压器可以实现母线电压控制、不同电压等级母线间的电气隔离、双向潮流调度、故障阻断等功能，是直流配电网的核心设备之一。
应用于中低压直流配电系统的直流变压器应具备中压变换与电气隔离功能。而受限于现有商用半导体器件的电压、功率等级，传统隔离型直流变换拓扑难以适用于中压场合。为实现中压直流母线接入，目前隔离型直流变压器主要有三种解决思路：一是半导体器件串联或采用高压宽禁带半导体器件；二是采用模块化多电平变换器结构；三是采用输入串联、输出并联或输入串联、输出串联结构。本书将从这三种思路对应用于中低压直流配电系统的直流变压器进行详细梳理与阐述，并介绍近年来作者所在东南大学实验室所取得的研究成果和工程应用实例。恳请电力电子界、电力系统界的各位前辈和同行批评指正，提出宝贵意见和建议。
本书共分为11章。第1章介绍中低压直流配电系统的概念和发展历程，并阐述直流变压器的研究现状，包括目前直流变压器的拓扑结构、控制方法，以及存在的问题。第2章归纳高输入电压型直流变换器拓扑的构造思路，提出一种三相三倍压DAB（ThreePhase TripleVoltage DAB, T2DAB）变换器作为输入串联、输出并联（Input Series Output Parallel, ISOP）型直流变压器的功率模块，分析其工作原理、关键参数设计方法和控制策略。第3章提出一种基于非对称占空比调制与移相控制的混合优化控制策略，可实现T2DAB变换器在宽电压、全负载范围内的开关管零电压开通，同时降低器件电流应力。第4章提出一种三相三倍压LLC（ThreePhase TripleVoltage LLC，T2LLC）谐振变换器，研究了不同谐振参数、开关管寄生电容等对变换器软开关情况的影响，并据此建立损耗模型进行参数优化设计。第5章对比分析DAB变换器与串联谐振变换器（Series Resonant Converter, SRC），提出一种DAB/SRC变换器组合式ISOP型直流变压器，该变换器兼具DAB变换器灵活电压/功率控制能力与SRC高变换效率的优势。第6章提出一种电容间接串联式ISOP型直流变压器拓扑结构，解决了中压侧短路故障处理问题，分析该直流变压器的工作模态，提出基于非对称占空比控制的电压调控策略以及关键参数设计方法。第7章提出一种紧凑型模块化多电平直流变压器拓扑，并结合该拓扑运行特性，提出一种基于恒投入/恒切出子模块的宽电压增益范围准方波调制策略。第8章结合模块化多电平结构与开关器件串联技术，提出一种模块化多电平串联开关组合式直流变压器拓扑，并分析其工作原理、控制策略以及参数设计方法。第9章提出基于子模块类方波调制改进的软开关优化控制、基于低压侧全桥内移相的电感电流优化控制、基于中压侧全桥换流移相的阀串支路电流优化控制三种控制策略，实现模块化多电平串联开关组合式直流变压在宽电压、宽负荷工况下的低电流应力、高效率运行。第10章针对T2DAB变换器中的关键元件——大功率三相高频变压器，建立损耗与温升模型，以变换效率与功率密度为目标对结构参数进行优化设计，并完成120kVA/10kHz三相高频变压器的研制与测试工作。第11章介绍了一种具有故障隔离能力的开关电容型ISOP直流变压器，并以南瑞集团有限公司研制的±10kV/750V/2MW直流变压器样机为例，分析其子模块以及直流变压器整体系统参数设计与控制方案，并给出测试结果。
作者所在东南大学课题组的同学先后参与了研究工作，他们是舒良才、薛晨炀、姚金杰、金浩哲、李容冠等。他们努力、勤奋，付出了劳动和心血，为课题的研究做出了重要贡献，在此对他们表示衷心感谢。
本书相关的研究工作得到了国家自然科学基金优秀青年基金（51922028）、国家电网有限公司科技项目（SGJSDK00PW2000236）的资助，在编写过程中，得到了许继电气股份有限公司和南瑞集团有限公司等单位的大力支持和帮助，在此也表示衷心的感谢。
本书的出版得到了机械工业出版社的大力支持，特此致谢！

作者

本书针对面向中压直流配电场景的高效、高功率密度直流变压器技术，从拓扑结构、设计方法、控制策略与实际应用研究几个层面进行了系统阐述。本书共11章，除第1章绪论外，其余章节主要分为三个部分：第2~6章重点讨论了输入串联、输出并联型直流变压器的改进拓扑结构、工作原理、参数设计方法与控制策略，探索了直流变压器在运行效率、功率密度与故障处理能力方面的提升方法；第7~9章探讨了面向宽电压运行场景的基于高频链路结构的直流变压器改进方案，详细介绍了其工作原理、设计方法与控制策略；第10、11章则针对典型中压配电场合，重点讨论了直流变压器的硬件参数、控制策略以及大功率高频变压器的优化设计方法。