直流变压器研究综述

2020-03-22王启同张兆云王星华

湖北电力 2020年6期

王启同，张兆云，孙禔，王星华

（1.东莞理工学院，广东东莞523808；2.广东工业大学，广东广州510000；3.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北武汉430077）

0 引言

随着社会经济的发展，我国电网建设出现了一些新特点，这些新特点包括：以电动汽车充电站、数据中心等为代表的直流负荷逐年增加［1-3］，以光伏、储能为代表的新能源以直流方式接入电网越来越多［4］。直流负荷和直流电源组建成了一个直流配电网。直流配电网中也存在多种不同的电压等级［5］，要实现不同电压等级的电压变换，直流变压器是不可或缺的设备。直流变压器带着推动直流配电网深入发展的使命逐步成为了当今社会的研究热点［6-9］，本文将总结直流变压器的现有拓扑结构进行阐述，并对直流变压器的国内外的研究现状进行总结，最后分析其主要研究方向以及技术难点，对直流变压器未来研究方向进行展望。

1 直流变压器结构

直流变压器的基本电路图如图1所示，其电感lr为变压器的漏感，同大部分的变压器结构类似，即其结构分为原边和副边。而其原边与副边电路结构则有许多的搭配类型。其中原边的电路拓扑结构可以是推挽、半桥和全桥等；其副边整流电路可以是半、全波整流以及推挽正激整流电路等。正因如此，直流变压器拓扑结构的研究具有很大的研究价值。

图1 直流变压器基本电路Fig.1 Basic circuit of DC transformer

直流变压器的分类有多种方法，文献［5］中介绍了两种有代表性的分类方法。根据变压器的高压侧与低压侧的比值，将其分为高、中、低3类变压器，具体分类方法见表1。另外一种对于直流变压器的分类是按照其两侧是否进行了电气隔离以及拓扑结构分为了隔离型直流变压器以及非隔离型直流变压器两类，具体分类情况见表2。

表1 直流变压器根据电压变比归类Table 1 DC transformers are classified according to voltage variation ratio

表2 直流变压器拓扑结构分类Table 2 Topology classification of DC transformers

上述分类中，按照拓扑结构划分具有广泛的代表性。随着直流电网的大力推广与直流技术的不断进步，无论是国外还是国内的学者，都在直流变压器这个领域研究颇多，在隔离型直流变压器中具有一定应用前景的是DAB（dual active bridge）型和F2F-MMC（face to face modular multilevel converter）型，而在非隔离型直流变压器中自耦型以及谐振型的应用较为广泛。

1.1 隔离型直流变压器

1.1.1 DAB型直流变压器

DAB 型直流变压器具有双向功率传输、可实现软开关技术以及极易扩展的优点，因而被学者广泛研究。如图2所示，为单个DAB子模块直流变压器拓扑结构。从图2中可以看出对于DAB子模块的拓扑结构是由两个两电平的VSC（voltage source converter）与一个交流变压器级联而成［10］。

图2 DAB拓扑结构DC-DC变换器Fig.2 Topology of DAB DC transformer

由于单个子模块的电压功率不高，如要应用于高压大功率场合，就必须要采用多种子模块相互串并联的结构如图3 所示［11］。这样的结构，便于后期变压器扩容和添加模块方便简单，同时还可以降低变压器的体积。但是DAB 结构的直流变压器存在均流均压的问题，需要额外设计电路才可以解决，因此增加了工程的造价和成本，这是限制其在高压大功率场所推广的主要原因。

图3 DAB型多模块串并联DC-DC变换器Fig.3 Topology of multi module series parallel DAB DC transformer

1.1.2 MMC直流变压器

MMC（modular multilevel converter）拓扑结构具有模块化、易扩展和传输损耗低等特点，是最有希望在未来高压大功率场所普遍应用的拓扑结构之一［12］。

MMC 最基本的拓扑结构F2F-MMC 如图4 所示，从图中可以看出F2F-MMC的拓扑结构是由两个MMC模块通过与一个交流变压器连接起来，以此发挥其特性，交流变压器在其中起到了升压以及电气隔离等功能，交流变压器的频率运行于中高频，整体上可以大幅度减小变压器的体积和质量［13-15］。

图4 F2F-MMC直流变压器拓扑结构Fig.4 F2F-MMC DC transformer topology

但是其主要问题在于目前中频设计仍然停留在样机设计，对其工业化还仍有一段距离。另一方面，F2F-MMC 直流变压器由于在拓扑结构中采用了功率相同的两个MMC，从而导致其功率利用率低，变压器体积较大的缺点。

文献［16］提出了一种模块化多电平动态投切直流变压器，是由众多的子模块（SM）串联而成，如图5所示的基本结构图。从图6 中可以看出，该子模块拓扑结构是由控制阀S1、S2构成，控制阀则是由IGBT（insulated gate bipolar transistor）以及反向二极管构成。T1、T2是实现子模块投切或切除的开关器件。这种模块化多电平动态投切的直流变压器在文献中经过模拟仿真，满足在直流系统互联所需要的几点要求：动态响应迅速、变压器体积小以及可以精确地控制潮流。

图5 模块化多电平的动态投切直流变压器基本结构Fig.5 Basic structure of modular multilevel dynamic switching DC transformer

1.2 非隔离型直流变压器

1.2.1 谐振型直流变压器

文献［17］中介绍了一种极具应用前景的LCL双向直流变压器拓扑结构，如图7 所示该变压器具备体积小、传输效率高等优点，因此将会在大功率直流电源以及高压输电方面发挥不小的作用。

图6 模块化多电平的动态投切直流变换器子模块拓扑结构Fig.6 Modular multilevel dynamic switching DC transformer sub module topology

图7 LCL直流变压器拓扑结构Fig.7 LCL DC transformer topology

在新能源领域中，功率往往都是单向输送至电网之中，而且无论是风力发电还是光伏发电都存在着输出电压低的问题，因此解决问题的根本就是需要设计一种高增益的单向直流变压器。目前研究出来可以有效提高增益的变压器为DAB双有源桥型变压器，通过模块灵活的串并联可以显著提高电压变比，但是其内部均压均流问题还没有找到相对应的解决办法。

由此文献［18］提出了一种单向的LC直流变压器。由于是单向变压器，且不含交流变压器，因此无论是从成本，还是占地面积都得到了大幅度降低，变换器的转换效率得到了大幅度的提升。同时保留了LCL直流变压器的电力电子元件，即IGBT。LC 单向直流变压器如图8所示。

图8 LC直流变压器拓扑结构Fig.8 LC DC transformer topology

直流组网将是未来电力电子领域的主要研究方向，但是大部分国内外的学者只对中低压低功率的直流变压器进行深入的研究，对高压大容量的直流变压器研究还处于起步之中。文献［19］介绍了几种可以在直流配网中进行电压变换的直流变压器拓扑结构。例如图9为一种背靠背连接的LC谐振电路，这里的电力电子器件使用的是晶闸管元件。晶闸管较其他的电力电子器件具有良好的耐压性，同时采用晶闸管的开关频率控制，以此达到不同的控制效果。该结构不仅可以对电压极性进行灵活改变，同时还能实现VSC 和LCC（line commutated converter）的潮流双向流动以及穿越直流故障的能力。但在该文献中也介绍了这种拓扑结构的缺点，即需要加装滤波装置、对输入输出滤波器的设计要求更高、低压侧的晶闸管需要按照高压侧进行选择等。

图9 含有晶闸管元件的谐振型DC-DC变换器拓扑结构Fig.9 Topological structure of thyristor LC resonant DC transformer

1.2.2 自耦型直流变压器

文献［20］解决F2F-MMC 直流变压器功率利用率以及变压器容量较大等问题，保留了MMC 的种种优点，其拓扑结构如图10。这种变压器技术不仅节省了建造容量，还减少了传输损耗，在未来的高压大功率场合也具备一定的优势。

图10 自耦型DC-DC变换器拓扑结构Fig.10 Topology of autotransformer

但这种技术优势会随着直流变比的逐渐增加而逐渐消失，同时不宜应用于电气隔离的低电压场所。所以这种直流变压器更适用于一些不需要强制电气隔离的场所。

2 直流变压器的控制策略

直流变压器在直流电网的组建中起着至关重要的作用［21］。在直流组网中不仅需要其在应用时安全稳定且最具经济效应，还需要与各个环节统一协调运行，因此其控制策略也是多种多样。应用于新能源方面的控制策略，大多注重对于输出电压的控制，保证新能源发电并网的安全可靠［22-23］。而在配网方面的控制策略更注重功率的流向以及对潮流的控制，保证配电网的安全运行［24-25］。

2.1 应用于新能源的控制策略

文献［26］着重介绍了几种对于海上风电场中的直流变压器的控制策略：第一种介绍的控制策略是直流变压器既不控制输入电压，同时也不控制输出电压。第二种控制策略是通过PWM（pulse width modulation）来控制变压器的输出电压。与第一种相比较，第二种策略可以单独允许直流变压器的输入端对直流电压进行调控。

在文献［27］介绍了一种大功率高变比的光伏直流变压器控制策略，该控制策略分为主逆变器和从逆变器两个角度。其直流变压器主要由并联的三电平三桥臂逆变桥、400Hz24 脉波移相变压器以及二极管整流桥三部分构成。对于主逆变器的调控，主要是采用直流电压外环和桥臂电感电流内环的双环控制结构，从而保证获取的有功功率恒定。而主逆变器的控制系统中d-q变换的θ角度来源于系统中自设定的旋转参考量。从逆变器的调控角度，该文献采用主逆变器将基准电流电压传送给从逆变器的方式，从逆变器采用功率的内外双环对功率进行调控。该控制策略较传统的主从控制策略可以更好地在弱通讯的时候给多台逆变器均分功率。

2.2 在直流配网领域的控制策略

文献［28］介绍了两种对于智能直流配网的高容量变压器的控制策略，即功率控制策略以及双向电压控制策略。由于应用的是多模块直流变压器，因此通过调整输入侧和输出侧模块串并联的个数，来解决扩大输出电压以及均分负载处大电流问题。虽然通过串并联的方式减小了直流变压器内的电力电子器件上的电压，提高了供电的电流值。但是会无法保证每一个模块上的功率是均衡的，由此会带来配电网电压波动、开光管损坏等一些问题。除此之外，该文献还介绍一种可以均衡功率的调控方法。即通过对每个模块的平均功率值的比较以及移相角的叠加得到的总移相角来完成对功率和电压的调控，其控制框图如图11，图12所示。

图11 输出电压控制图Fig.11 Output voltage control diagram

图12 输出功率控制图Fig.12 Output power control diagram

第二种控制策略从潮流调控的角度出发，应用于直流配网的变压器需要对双向功率进行控制。文献［29］从输出电压值来实现能量的双向流动，首先通过设置母线电压的上下限值，以此来判断输出电压值，然后设置能量控制环节，即通过比较直流母线上直流负荷的供给功率与分布式电源的功率大小进而判断直流变压器的功率流向。当母线的电压升高且超过一开始设置的上限或者下限时，将会产生控制信号，最后控制信号选择开关。

2.3 直流变压器潮流控制功能

就目前对于直流变压器的研究，已经不再局限于对于变比的研究，更多的学者已经将研究方向转向为直流变压器控制潮流分布的能力和对直流电网电压控制等功能［30］。

目前潮流控制器主要分为可变串联电阻器、直流变压器和串联电压源［31］，因此国内外就直流变压器潮流控制的能力进行深入研究。文献［31］对一种DAB拓扑结构的直流变压器潮流控制器进行研究，该直流变压器能够实现直流输电线路功率的双向灵活调控。文献［32］中对可以控制潮流的在直流变压器进行定位，该可控制潮流的直流变压器，不仅能互联不同的电压等级，还能实现对于潮流的控制。

在文献［33］中叙述了直流电网的潮流控制，其最重要的就是多电压等级的互联以及对于潮流灵活控制的能力，指出未来的直流电网将同时包含多个电压等级，含有大量的新能源接入，多端口的直流变压器将是研究的关键环节。

对于目前的多端口直流变压器国内的研究大致分为多端口有源桥式直流变压器、多端口LCL 谐振式直流变压器和基于MMC 的多端口直流变压器［34］3 种。多端口直流变压器的研究将会对未来直流电网组网起到决定性作用。

3 主要关键技术以及研究方向

目前对于直流变压器的研究仍然存在着许多的技术难点：研制应用于高压大功率场所的直流变压器、ISPO（input series and output parallel）直流变压器在应用中的均压/均流问题以及高频隔离型直流变压器容量问题等亟待解决。

3.1 新能源专用直流变压器

直流配电网直接连接直流电源和直流负荷，是实现新能源高效利用的一种重要手段；而直流变压器作为不同电压等级直流电网之间的联络设备，其性能和特性的研究一直是一项重要的研究内容［34］，文献［35］结合风电与光伏并网时的技术需求，提出了应用在风电直流汇集并网的单向LC式直流变压器以及光伏直流汇集并网的LCT（LC-AC transformer）直流型变压器。单向LC式直流变压器无论是在体积、损耗、电压变比以及故障的隔离方面都符合风电汇集并网的技术需求且通过实验验证了其拓扑结构技术合理性。其提出的LCT直流变压器，在保留了LC拓扑结构直流变压器优点的同时，进一步提升了电压变比，同时使得该变压器具有电气隔离的能力，使其更加适合与光伏场所之中。

3.2 ISOP直流变压器均压/均流问题

在众多的直流变压器拓扑结构中，DAB 拓扑结构的直流变压器，由于可实现软开关技术、具备双向功率流动能力以及极易扩展等优点，在LVDC（low voltage direct current transmission）与MVDC 中被广泛研究利用。但是其未来要在某些高压大功率场所使用，就必须要利用组合型DAB直流变压器，但是其所带来的均压均流问题，往往需要额外的辅助电路，这就造成了其工程造价以及传输损耗偏高，将会阻碍其未来在高压大功率场合的推广。

输入串联输出并联型（ISOP）的直流变压器最基本的要求就是解决均压均流的问题。目前对于ISOP型直流变压器的均压均流技术目前主要分为两种：自然均压均流技术和通过直流变压器内部的自动校正特性来实现［36］。文献［37］提出了通过对公共占比调控方法以完成输入电压和输出电流的均衡调控。在该方法中所有模块的占空比相同，依赖于变换器自身的调整特性。但是该方法对于模块参数的要求很高，当其模块参数差异较大时，该方法将无法实现均压均流的均衡控制。文献［38］针对ISOP 型直流变压器提出了一种典型的三环控制方法，该方法有效地解决了由于电路参数差异而造成的均压均流问题，但是其控制结构繁杂，增大了设计难度。

3.3 高压大容量直流变压器

如前所述，传统类型的大容量直流变压器，需要大量的IGBT才能满足高压系统大容量以及电压需求，但是其IGBT的均压均流问题，限制了其在高压大容量系统中的发展。不少学者为了解决上述问题而提出了基于晶闸管的谐振式直流变压器结合软开关技术，以此降低了系统的损耗，并实现较大增益［39］。开关器件由晶闸管组成，由于晶闸管的耐压性较IGBT 优越，更易满足系统的高压大容量需求，均流均压的要求对于晶闸管也容易实现，是比较适合应用在电网系统之中。但这类拓扑结构的变压器也存在着几个缺点，如输入侧会有更大的谐波成分、对其滤波电感的设计要求更高以及低压侧的开关器件需要按高压侧的电压等级设计。

文献［40］对于大规模的新能源并网应用介绍了一种谐振开关电容直流变压器，其优势在于不仅可以实现大变比的电压变换，其开关器件还可以实现软开关以提升系统利用率。但是其缺点就是因为开关采用了二极管，使功率无法实现双向流动，只适合于在海上风力发电等单向传输领域。

模块化多电平（MMC）直流变压器现在依然是国内外的研究热点。其无论是应用在中大容量的高变比场合［41-42］，还是在中大容量低变比场合都具有十分优秀的发展前景。应用在中大容量高变比场合的MMC直流变压器可以通过隔离变压器元件实现电压等级的变换，通过将换流端的频率设置为中频段以此来减小隔离变压器的占地面积与重量。但是隔离变压器仍然存在铁心损耗大和等效开关频率高的问题。应用于中大容量低变比场合的MMC直流变压器，采用较高的系统频率，有助于减少系统中无源器件的容量。唯一不足之处就是其任一侧直流系统发生短路故障后，将会波及到非故障侧。

由于新能源发电的输出电压往往都不高，在其并网的时候往往会选择具有高增益的直流变压器。大部分的直流变压器其变比只能达到10，虽然DAB直流变压器可以通过模块的串并联实现较高变比，但由于均压均流的问题还没有解决，因此实现高变比且投入运行较为困难。

由文献［35］提出了一种谐振式的LCT的直流变压器，大大地降低了直流变压器体积与质量，保证了较高的传输效率与隔离故障的能力，其两级升压结构大大提升了直流变压器的变比，实现约40 的电压比，其拓扑结构如图13所示。

图13 LCT型DC-DC变换器拓扑结构Fig.13 LCT dc transformer topology

3.4 高频直流变压器

高压直流输电系统互联是实现直流电网建设的关键，而高频模块化直流变压器是构建直流电网的核心设备［43］。而目前由于直流变压器高频隔离的容量限制问题，还无法实现大容量高效率的直流配电变压器［44］。高频隔离型直流变压器虽然在现阶段已经在低压小容量的领域得到了广泛的应用，在中压大容量领域仍然处于样机的研发阶段，尚无实际的工程应用，其拓扑结构和保护还有待完善。中压大容量领域直流变压器的突破将成为未来一个研究热点。