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。

电力电子新技术系列图书序言
序
前言
第1章绪论1
1.1直流变压器背景概述1
1.2直流变压器研究现状3
1.2.1基于半导体器件串联/高压宽禁带半导体器件的直流变压器4
1.2.2基于模块化多电平换流器的直流变压器6
1.2.3基于ISOP或ISOS结构的直流变压器10
1.3主要研究内容及章节安排13
第2章面向高功率密度ISOP型直流变压器的T2-DAB变换器16
2.1T2-DAB变换器工作原理分析16
2.1.1桥式电路拓扑梳理与推演16
2.1.2T2-DAB变换器拓扑与工作原理19
2.2T2-DAB变换器参数设计与验证24
2.2.1参数设计24
2.2.2稳态控制策略26
2.2.3启动策略28
2.2.4仿真验证30
2.2.5实验验证32
2.3基于不同类型DAB变换器的ISOP型直流变压器方案对比34
2.3.1开关器件36
2.3.2磁性元件38
2.3.3电容39
2.4本章小结39
第3章面向T2-DAB变换器的低电流应力ZVS优化控制策略40
3.1T2-DAB变换器电压不匹配与轻载情况下的ZVS分析40
3.2非对称占空比移相混合控制策略43
3.2.1串/并联式三相桥的非对称占空比调制策略43
3.2.2混合控制策略下T2-DAB变换器工作模态分析44
3.3小电流应力与宽范围ZVS控制参数优化48
3.3.1ZVS开通约束48
3.3.2优化结果与控制策略实现52
3.4实验验证54
3.5本章小结62
第4章面向高效率ISOP型直流变压器的T2-LLC谐振变换器63
4.1T2-LLC变换器拓扑与工作原理63
4.1.1T2-LLC变换器拓扑及控制方法63
4.1.2T2-LLC变换器典型工作情况原理分析65
4.2T2-LLC变换器参数优化72
4.2.1T2-LLC变换器工况分类72
4.2.2T2-LLC变换器损耗分析与参数优化75
4.3仿真与实验验证80
4.3.1仿真验证80
4.3.2实验验证81
4.4本章小结85
第5章DAB/SRC组合式ISOP型直流变压器87
5.1DAB变换器和SRC特性对比分析87
5.1.1DAB变换器与HC-DCM-SRC电压增益特性对比87
5.1.2DAB/SRC损耗特性对比89
5.2DAB/SRC组合式ISOP型直流变压器91
5.2.1电路结构与工作原理分析91
5.2.2参数设计93
5.3仿真和实验验证95
5.3.1仿真验证95
5.3.2实验验证98
5.4本章小结101
第6章电容间接串联式ISOP型直流变压器102
6.1电路结构和工作原理102
6.1.1电路结构与APWM控制策略102
6.1.2APWM控制策略与移相控制策略对比分析105
6.1.3工作模态及软开关特性分析107
6.1.4基于模块间交错移相控制策略的输入电感电流纹波分析109
6.2模块间均压均流控制策略分析111
6.2.1平衡特性分析111
6.2.2平衡控制策略112
6.3故障处理策略113
6.3.1直流母线短路故障处理策略113
6.3.2子模块冗余策略113
6.4实验结果116
6.5本章小结119
第7章模块化多电平型紧凑化直流变压器120
7.1MMDCT拓扑结构及工作原理120
7.1.1拓扑结构120
7.1.2调制策略121
7.1.3功率特性123
7.1.4软开关特性128
7.2基于子模块恒投入的电压控制策略132
7.2.1宽范围控制132
7.2.2均压控制134
7.2.3总体控制134
7.2.4仿真验证135
7.3基于子模块恒投入/恒切出的电压控制策略140
7.3.1工作原理140
7.3.2功率特性141
7.3.3软开关特性分析146
7.3.4平滑切换点设计与控制策略150
7.3.5仿真验证152
7.4实验验证155
7.4.1基于子模块恒投入的电压控制策略实验验证155
7.4.2基于子模块恒投入/恒切出的电压控制策略实验验证159
7.5本章小结161
第8章模块化多电平-串联开关组合式直流变压器162
8.1拓扑结构及工作原理162
8.1.1拓扑结构162
8.1.2调制策略162
8.1.3工作原理163
8.2运行特性169
8.2.1子模块支路工作特性169
8.2.2软开关特性171
8.2.3子模块电容均压特性173
8.3控制策略174
8.3.1功率/电压控制模式174
8.3.2子模块电容均压控制174
8.4参数设计及仿真验证179
8.4.1M2S2DCT参数设计179
8.4.2仿真验证183
8.5实验验证187
8.5.1样机平台187
8.5.2实验结果187
8.6本章小结191
第9章模块化多电平-串联开关组合式直流变压器的宽电压高效控制192
9.1基于子模块类方波改进调制的软开关及支路电流优化控制192
9.1.1动态占空比控制策略193
9.1.2动态内移相控制策略194
9.1.3仿真及实验验证195
9.2基于低压侧全桥内移相的电流优化控制198
9.2.1低压侧全桥内移相控制下M2S2DCT工作原理分析198
9.2.2低压侧全桥内移相控制下的传输电感电流应力分析202
9.2.3基于低压侧全桥内移相的改进型功率控制策略205
9.2.4仿真及实验验证209
9.3基于中压侧全桥换流移相的阀串支路电流优化控制211
9.3.1中压侧全桥换流对阀串子模块电流的影响211
9.3.2中压侧全桥换流点动态控制212
9.3.3仿真及实验验证215
9.4本章小结219
第10章基于T2-DAB的10kV/500kW直流变压器应用设计实例220
10.1T2-DAB变换模块参数设计220
10.2大功率三相高频变压器设计222
10.2.1三相高频变压器损耗建模224
10.2.2三相高频变压器温升约束234
10.2.3三相高频变压器漏感约束237
10.2.4三相高频变压器结构参数优化与样机240
10.3120kVA/10kHz大功率三相高频变压器测试244
10.4本章小结246
第11章±10kV/2MW开关电容型ISOP直流变压器247
11.1开关电容型ISOP直流变压器电路拓扑248
11.2子模块变换器工作原理与特性249
11.2.1SRDAB工作原理249
11