上海交通大学：应用于直流电网的直接耦合式直流变压器

随着传统能源的短缺和环境恶化问题的加剧,风能、太阳能等可再生清洁能源的利用与开发受到了越来越多的重视。风能、太阳能等新能源发电具有间歇性、随机性的特点,传统的电网结构和运行技术无法适应大规模可再生能源的接入,而基于常规直流及柔性直流的多端直流输电系统和直流电网技术是解决这一问题的有效手段[1-6]。

直流变压器是连接不同直流电压、构建直流电网的关键设备。由于直流输电系统的电压等级高,如果采用传统的斩波型DC-DC变换器拓扑,现有开关管的电压定额无法满足如此高的电压要求,因此必须降低开关管的电压应力。降低开关管应力最常见的方法是采用多只开关管串联[7],但开关管存在动态均压问题,如果采用阻尼来实现均压会增加损耗。多电平变换器可以降低单只开关管的电压应力,它可分为二极管钳位、飞跨电容钳位等类型[8-9]。随着电平数的增加,二极管钳位变换器所需的二极管数目、飞跨电容钳位变换器所需的电容数均与电平数的平方成正比。当输入输出电压等级较高时,需要较多的电平数来降低开关管的电压应力,此时钳位二极管和飞跨电容的数量过大,将导致结构复杂,不具备实现的可能性。因此,传统的多电平技术在本应用场合并不适用。

模块化多电平变换器具有易扩展和模块设计等特点,可以有效地实现高电压等级下的电能变换[10-13],近年来得到了越来越多的关注和研究。文献[14]提出了一种基于MMC的隔离型DC-DC变换器拓扑,该变换器本质上是一个DC-AC-DC变换器,它先通过一个MMC将直流电压逆变得到交流电压,该交流电压经过变压器变压后,再通过另一个MMC整流得到直流电压。交流环节的变压器用于实现电压匹配和电气隔离。由于交流环节需要交流变压器,且需要两级功率变换,因此该直流变压器的体积和损耗均较大,成本也很高,在不需要隔离的应用场合并不适用。

文献[5]提出一种直流变压器拓扑,该拓扑只有部分互联功率需要经过交流变压器,因此可减小交流变压器的容量[5,6,15]。但它同样需要交流变压器,且在变比较大时,交流变压器容量与直流变压器总容量相近。

文献[10]提出一种基于MMC的非隔离直接耦合式直流变压器拓扑,该直流变压器中链式模块输出电压包含直流分量和交流分量,并通过交直流功率守恒来实现子模块电容电压平衡,其中交流分量按正弦波调制[16-18]。与隔离型DC-AC-DC变换器相比,它不需要交流变压器,且不需要两级变换,因此成本更低。但为了实现子模块电容电压平衡,该直流变压器存在较大的交流环流。文献[19]提出一种非隔离型直接耦合式直流变压器拓扑,它通过采用载波移相调制来提高变换器的等效开关频率;但该直流变压器中链式模块输出电压交流分量的幅值仅为单个子模块电容电压值,因此需要很大的交流环流来实现子模块电容电压平衡[16]。综上所述,现有的非隔离型直流变压器需要选取较大额定电流的开关管,且损耗大。

本文提出了一种基于MMC的直接耦合式直流变压器拓扑,它采用阶梯波准两电平调制方式以实现子模块电容电压均衡,同时降低链式模块输出电压的du/dt。在采用相同的交流分量频率时,该直流变压器与基于正弦波调制的直流变压器相比,开关频率小,交流环流小,因此损耗低。同时,该直流变压器所需的子模块电容容值显著减小,可有效降低子模块的体积和成本。

1、直接耦合式直流变压器拓扑及其工作原理

1.1直接耦合式直流变压器拓扑

本文提出的直接耦合式直流变压器拓扑如图1所示,直流变压器用于连接电压等级不同的直流电压源Udc1和Udc2,其中Udc1Udc2。该拓扑上桥臂由桥臂电感La和n个半桥型子模块(链式模块1)串联而成,下桥臂由n个半桥型子模块(链式模块2)串联而成,其中半桥型子模块如图1所示。桥臂中点通过一个滤波电感Lf与低压侧电压源Udc2连接。需要注意的是,桥臂电感La同样可以和链式模块2串联,但是由于两个变换器工作原理类似,之后的分析均基于图1给出的直接耦合式直流变压器拓扑。

图1 直接耦合式直流变压器拓扑

1.2 工作原理

当半桥型子模块的上开关管S1开通或下开关管S2开通时,子模块电容Csm分别工作在投入或切除状态。令链式模块中n个子模块电容均工作在投入状态下,链式模块输出电压为nUC,称此时链式模块工作在高电平状态;令链式模块n个子模块电容均工作在切除状态下,链式模块输出电压为0,称此时链式模块工作在低电平状态。这里假定UC满足：

令链式模块1和2工作在两电平PWM模式下,开关周期均为T,占空比分别为1-d和d。链式模块2输出电压uCl2相对于链式模块1输出电压uCl1存在相移,移相占空比为ds,具体波形如图2所示。图2中：uCl1、uCl2分别为链式模块1和2输出电压;i1、i2和i3分别为上桥臂电流、下桥臂电流和滤波电感电流,正方向均在图1中标出。该直流变压器

图2 两电平调制主要波形

存在4个工作模态：

1）模态1[0,dsT)。

该模态下,链式模块1和2均工作于低电平状态,此时电感La和Lf两端的电压uLa和uLf分别为

因此,i1线性上升,i3线性下降,即：

2）模态2[dsT,dT)。

该模态下,链式模块1工作于低电平状态,链式模块2工作于高电平状态,此时电感La和Lf两端的电压分别为

因此,i1保持不变,i3线性上升,即：