直流變壓器研究綜述

王啟同，張兆云，孫 禔，王星華

（1.東莞理工學院，廣東 東莞523808；2.廣東工業大學，廣東 廣州510000；3.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢430077）

0 引言

隨著社會經濟的發展，我國電網建設出現了一些新特點，這些新特點包括：以電動汽車充電站、數據中心等為代表的直流負荷逐年增加［1-3］，以光伏、儲能為代表的新能源以直流方式接入電網越來越多［4］。直流負荷和直流電源組建成了一個直流配電網。直流配電網中也存在多種不同的電壓等級［5］，要實現不同電壓等級的電壓變換，直流變壓器是不可或缺的設備。直流變壓器帶著推動直流配電網深入發展的使命逐步成為了當今社會的研究熱點［6-9］，本文將總結直流變壓器的現有拓撲結構進行闡述，并對直流變壓器的國內外的研究現狀進行總結，最后分析其主要研究方向以及技術難點，對直流變壓器未來研究方向進行展望。

1 直流變壓器結構

直流變壓器的基本電路圖如圖1所示，其電感lr為變壓器的漏感，同大部分的變壓器結構類似，即其結構分為原邊和副邊。而其原邊與副邊電路結構則有許多的搭配類型。其中原邊的電路拓撲結構可以是推挽、半橋和全橋等；其副邊整流電路可以是半、全波整流以及推挽正激整流電路等。正因如此，直流變壓器拓撲結構的研究具有很大的研究價值。

圖1 直流變壓器基本電路Fig.1 Basic circuit of DC transformer

直流變壓器的分類有多種方法，文獻［5］中介紹了兩種有代表性的分類方法。根據變壓器的高壓側與低壓側的比值，將其分為高、中、低3類變壓器，具體分類方法見表1。另外一種對于直流變壓器的分類是按照其兩側是否進行了電氣隔離以及拓撲結構分為了隔離型直流變壓器以及非隔離型直流變壓器兩類，具體分類情況見表2。

表1 直流變壓器根據電壓變比歸類Table 1 DC transformers are classified according to voltage variation ratio

表2 直流變壓器拓撲結構分類Table 2 Topology classification of DC transformers

上述分類中，按照拓撲結構劃分具有廣泛的代表性。隨著直流電網的大力推廣與直流技術的不斷進步，無論是國外還是國內的學者，都在直流變壓器這個領域研究頗多，在隔離型直流變壓器中具有一定應用前景的是DAB（dual active bridge）型和F2F-MMC（face to face modular multilevel converter）型，而在非隔離型直流變壓器中自耦型以及諧振型的應用較為廣泛。

1.1 隔離型直流變壓器

1.1.1 DAB型直流變壓器

DAB 型直流變壓器具有雙向功率傳輸、可實現軟開關技術以及極易擴展的優點，因而被學者廣泛研究。如圖2所示，為單個DAB子模塊直流變壓器拓撲結構。從圖2中可以看出對于DAB子模塊的拓撲結構是由兩個兩電平的VSC（voltage source converter）與一個交流變壓器級聯而成［10］。

圖2 DAB拓撲結構DC-DC變換器Fig.2 Topology of DAB DC transformer

由于單個子模塊的電壓功率不高，如要應用于高壓大功率場合，就必須要采用多種子模塊相互串并聯的結構如圖3 所示［11］。這樣的結構，便于后期變壓器擴容和添加模塊方便簡單，同時還可以降低變壓器的體積。但是DAB 結構的直流變壓器存在均流均壓的問題，需要額外設計電路才可以解決，因此增加了工程的造價和成本，這是限制其在高壓大功率場所推廣的主要原因。

圖3 DAB型多模塊串并聯DC-DC變換器Fig.3 Topology of multi module series parallel DAB DC transformer

1.1.2 MMC直流變壓器

MMC（modular multilevel converter）拓撲結構具有模塊化、易擴展和傳輸損耗低等特點，是最有希望在未來高壓大功率場所普遍應用的拓撲結構之一［12］。

MMC 最基本的拓撲結構F2F-MMC 如圖4 所示，從圖中可以看出F2F-MMC的拓撲結構是由兩個MMC模塊通過與一個交流變壓器連接起來，以此發揮其特性，交流變壓器在其中起到了升壓以及電氣隔離等功能，交流變壓器的頻率運行于中高頻，整體上可以大幅度減小變壓器的體積和質量［13-15］。

圖4 F2F-MMC直流變壓器拓撲結構Fig.4 F2F-MMC DC transformer topology

但是其主要問題在于目前中頻設計仍然停留在樣機設計，對其工業化還仍有一段距離。另一方面，F2F-MMC 直流變壓器由于在拓撲結構中采用了功率相同的兩個MMC，從而導致其功率利用率低，變壓器體積較大的缺點。

文獻［16］提出了一種模塊化多電平動態投切直流變壓器，是由眾多的子模塊（SM）串聯而成，如圖5所示的基本結構圖。從圖6 中可以看出，該子模塊拓撲結構是由控制閥S1、S2構成，控制閥則是由IGBT（insulated gate bipolar transistor）以及反向二極管構成。T1、T2是實現子模塊投切或切除的開關器件。這種模塊化多電平動態投切的直流變壓器在文獻中經過模擬仿真，滿足在直流系統互聯所需要的幾點要求：動態響應迅速、變壓器體積小以及可以精確地控制潮流。

圖5 模塊化多電平的動態投切直流變壓器基本結構Fig.5 Basic structure of modular multilevel dynamic switching DC transformer

1.2 非隔離型直流變壓器

1.2.1 諧振型直流變壓器

文獻［17］中介紹了一種極具應用前景的LCL雙向直流變壓器拓撲結構，如圖7 所示該變壓器具備體積小、傳輸效率高等優點，因此將會在大功率直流電源以及高壓輸電方面發揮不小的作用。

圖6 模塊化多電平的動態投切直流變換器子模塊拓撲結構Fig.6 Modular multilevel dynamic switching DC transformer sub module topology

圖7 LCL直流變壓器拓撲結構Fig.7 LCL DC transformer topology

在新能源領域中，功率往往都是單向輸送至電網之中，而且無論是風力發電還是光伏發電都存在著輸出電壓低的問題，因此解決問題的根本就是需要設計一種高增益的單向直流變壓器。目前研究出來可以有效提高增益的變壓器為DAB雙有源橋型變壓器，通過模塊靈活的串并聯可以顯著提高電壓變比，但是其內部均壓均流問題還沒有找到相對應的解決辦法。

由此文獻［18］提出了一種單向的LC直流變壓器。由于是單向變壓器，且不含交流變壓器，因此無論是從成本，還是占地面積都得到了大幅度降低，變換器的轉換效率得到了大幅度的提升。同時保留了LCL直流變壓器的電力電子元件，即IGBT。LC 單向直流變壓器如圖8所示。

圖8 LC直流變壓器拓撲結構Fig.8 LC DC transformer topology

直流組網將是未來電力電子領域的主要研究方向，但是大部分國內外的學者只對中低壓低功率的直流變壓器進行深入的研究，對高壓大容量的直流變壓器研究還處于起步之中。文獻［19］介紹了幾種可以在直流配網中進行電壓變換的直流變壓器拓撲結構。例如圖9為一種背靠背連接的LC諧振電路，這里的電力電子器件使用的是晶閘管元件。晶閘管較其他的電力電子器件具有良好的耐壓性，同時采用晶閘管的開關頻率控制，以此達到不同的控制效果。該結構不僅可以對電壓極性進行靈活改變，同時還能實現VSC 和LCC（line commutated converter）的潮流雙向流動以及穿越直流故障的能力。但在該文獻中也介紹了這種拓撲結構的缺點，即需要加裝濾波裝置、對輸入輸出濾波器的設計要求更高、低壓側的晶閘管需要按照高壓側進行選擇等。

圖9 含有晶閘管元件的諧振型DC-DC變換器拓撲結構Fig.9 Topological structure of thyristor LC resonant DC transformer

1.2.2 自耦型直流變壓器

文獻［20］解決F2F-MMC 直流變壓器功率利用率以及變壓器容量較大等問題，保留了MMC 的種種優點，其拓撲結構如圖10。這種變壓器技術不僅節省了建造容量，還減少了傳輸損耗，在未來的高壓大功率場合也具備一定的優勢。

圖10 自耦型DC-DC變換器拓撲結構Fig.10 Topology of autotransformer

但這種技術優勢會隨著直流變比的逐漸增加而逐漸消失，同時不宜應用于電氣隔離的低電壓場所。所以這種直流變壓器更適用于一些不需要強制電氣隔離的場所。

2 直流變壓器的控制策略

直流變壓器在直流電網的組建中起著至關重要的作用［21］。在直流組網中不僅需要其在應用時安全穩定且最具經濟效應，還需要與各個環節統一協調運行，因此其控制策略也是多種多樣。應用于新能源方面的控制策略，大多注重對于輸出電壓的控制，保證新能源發電并網的安全可靠［22-23］。而在配網方面的控制策略更注重功率的流向以及對潮流的控制，保證配電網的安全運行［24-25］。

2.1 應用于新能源的控制策略

文獻［26］著重介紹了幾種對于海上風電場中的直流變壓器的控制策略：第一種介紹的控制策略是直流變壓器既不控制輸入電壓，同時也不控制輸出電壓。第二種控制策略是通過PWM（pulse width modulation）來控制變壓器的輸出電壓。與第一種相比較，第二種策略可以單獨允許直流變壓器的輸入端對直流電壓進行調控。

在文獻［27］介紹了一種大功率高變比的光伏直流變壓器控制策略，該控制策略分為主逆變器和從逆變器兩個角度。其直流變壓器主要由并聯的三電平三橋臂逆變橋、400Hz24 脈波移相變壓器以及二極管整流橋三部分構成。對于主逆變器的調控，主要是采用直流電壓外環和橋臂電感電流內環的雙環控制結構，從而保證獲取的有功功率恒定。而主逆變器的控制系統中d-q變換的θ角度來源于系統中自設定的旋轉參考量。從逆變器的調控角度，該文獻采用主逆變器將基準電流電壓傳送給從逆變器的方式，從逆變器采用功率的內外雙環對功率進行調控。該控制策略較傳統的主從控制策略可以更好地在弱通訊的時候給多臺逆變器均分功率。

2.2 在直流配網領域的控制策略

文獻［28］介紹了兩種對于智能直流配網的高容量變壓器的控制策略，即功率控制策略以及雙向電壓控制策略。由于應用的是多模塊直流變壓器，因此通過調整輸入側和輸出側模塊串并聯的個數，來解決擴大輸出電壓以及均分負載處大電流問題。雖然通過串并聯的方式減小了直流變壓器內的電力電子器件上的電壓，提高了供電的電流值。但是會無法保證每一個模塊上的功率是均衡的，由此會帶來配電網電壓波動、開光管損壞等一些問題。除此之外，該文獻還介紹一種可以均衡功率的調控方法。即通過對每個模塊的平均功率值的比較以及移相角的疊加得到的總移相角來完成對功率和電壓的調控，其控制框圖如圖11，圖12所示。

圖11 輸出電壓控制圖Fig.11 Output voltage control diagram

圖12 輸出功率控制圖Fig.12 Output power control diagram

第二種控制策略從潮流調控的角度出發，應用于直流配網的變壓器需要對雙向功率進行控制。文獻［29］從輸出電壓值來實現能量的雙向流動，首先通過設置母線電壓的上下限值，以此來判斷輸出電壓值，然后設置能量控制環節，即通過比較直流母線上直流負荷的供給功率與分布式電源的功率大小進而判斷直流變壓器的功率流向。當母線的電壓升高且超過一開始設置的上限或者下限時，將會產生控制信號，最后控制信號選擇開關。

2.3 直流變壓器潮流控制功能

就目前對于直流變壓器的研究，已經不再局限于對于變比的研究，更多的學者已經將研究方向轉向為直流變壓器控制潮流分布的能力和對直流電網電壓控制等功能［30］。

目前潮流控制器主要分為可變串聯電阻器、直流變壓器和串聯電壓源［31］，因此國內外就直流變壓器潮流控制的能力進行深入研究。文獻［31］對一種DAB拓撲結構的直流變壓器潮流控制器進行研究，該直流變壓器能夠實現直流輸電線路功率的雙向靈活調控。文獻［32］中對可以控制潮流的在直流變壓器進行定位，該可控制潮流的直流變壓器，不僅能互聯不同的電壓等級，還能實現對于潮流的控制。

在文獻［33］中敘述了直流電網的潮流控制，其最重要的就是多電壓等級的互聯以及對于潮流靈活控制的能力，指出未來的直流電網將同時包含多個電壓等級，含有大量的新能源接入，多端口的直流變壓器將是研究的關鍵環節。

對于目前的多端口直流變壓器國內的研究大致分為多端口有源橋式直流變壓器、多端口LCL 諧振式直流變壓器和基于MMC 的多端口直流變壓器［34］3 種。多端口直流變壓器的研究將會對未來直流電網組網起到決定性作用。

3 主要關鍵技術以及研究方向

目前對于直流變壓器的研究仍然存在著許多的技術難點：研制應用于高壓大功率場所的直流變壓器、ISPO（input series and output parallel）直流變壓器在應用中的均壓/均流問題以及高頻隔離型直流變壓器容量問題等亟待解決。

3.1 新能源專用直流變壓器

直流配電網直接連接直流電源和直流負荷，是實現新能源高效利用的一種重要手段；而直流變壓器作為不同電壓等級直流電網之間的聯絡設備，其性能和特性的研究一直是一項重要的研究內容［34］，文獻［35］結合風電與光伏并網時的技術需求，提出了應用在風電直流匯集并網的單向LC式直流變壓器以及光伏直流匯集并網的LCT（LC-AC transformer）直流型變壓器。單向LC式直流變壓器無論是在體積、損耗、電壓變比以及故障的隔離方面都符合風電匯集并網的技術需求且通過實驗驗證了其拓撲結構技術合理性。其提出的LCT直流變壓器，在保留了LC拓撲結構直流變壓器優點的同時，進一步提升了電壓變比，同時使得該變壓器具有電氣隔離的能力，使其更加適合與光伏場所之中。

3.2 ISOP直流變壓器均壓/均流問題

在眾多的直流變壓器拓撲結構中，DAB 拓撲結構的直流變壓器，由于可實現軟開關技術、具備雙向功率流動能力以及極易擴展等優點，在LVDC（low voltage direct current transmission）與MVDC 中被廣泛研究利用。但是其未來要在某些高壓大功率場所使用，就必須要利用組合型DAB直流變壓器，但是其所帶來的均壓均流問題，往往需要額外的輔助電路，這就造成了其工程造價以及傳輸損耗偏高，將會阻礙其未來在高壓大功率場合的推廣。

輸入串聯輸出并聯型（ISOP）的直流變壓器最基本的要求就是解決均壓均流的問題。目前對于ISOP型直流變壓器的均壓均流技術目前主要分為兩種：自然均壓均流技術和通過直流變壓器內部的自動校正特性來實現［36］。文獻［37］提出了通過對公共占比調控方法以完成輸入電壓和輸出電流的均衡調控。在該方法中所有模塊的占空比相同，依賴于變換器自身的調整特性。但是該方法對于模塊參數的要求很高，當其模塊參數差異較大時，該方法將無法實現均壓均流的均衡控制。文獻［38］針對ISOP 型直流變壓器提出了一種典型的三環控制方法，該方法有效地解決了由于電路參數差異而造成的均壓均流問題，但是其控制結構繁雜，增大了設計難度。

3.3 高壓大容量直流變壓器

如前所述，傳統類型的大容量直流變壓器，需要大量的IGBT才能滿足高壓系統大容量以及電壓需求，但是其IGBT的均壓均流問題，限制了其在高壓大容量系統中的發展。不少學者為了解決上述問題而提出了基于晶閘管的諧振式直流變壓器結合軟開關技術，以此降低了系統的損耗，并實現較大增益［39］。開關器件由晶閘管組成，由于晶閘管的耐壓性較IGBT 優越，更易滿足系統的高壓大容量需求，均流均壓的要求對于晶閘管也容易實現，是比較適合應用在電網系統之中。但這類拓撲結構的變壓器也存在著幾個缺點，如輸入側會有更大的諧波成分、對其濾波電感的設計要求更高以及低壓側的開關器件需要按高壓側的電壓等級設計。

文獻［40］對于大規模的新能源并網應用介紹了一種諧振開關電容直流變壓器，其優勢在于不僅可以實現大變比的電壓變換，其開關器件還可以實現軟開關以提升系統利用率。但是其缺點就是因為開關采用了二極管，使功率無法實現雙向流動，只適合于在海上風力發電等單向傳輸領域。

模塊化多電平（MMC）直流變壓器現在依然是國內外的研究熱點。其無論是應用在中大容量的高變比場合［41-42］，還是在中大容量低變比場合都具有十分優秀的發展前景。應用在中大容量高變比場合的MMC直流變壓器可以通過隔離變壓器元件實現電壓等級的變換，通過將換流端的頻率設置為中頻段以此來減小隔離變壓器的占地面積與重量。但是隔離變壓器仍然存在鐵心損耗大和等效開關頻率高的問題。應用于中大容量低變比場合的MMC直流變壓器，采用較高的系統頻率，有助于減少系統中無源器件的容量。唯一不足之處就是其任一側直流系統發生短路故障后，將會波及到非故障側。

由于新能源發電的輸出電壓往往都不高，在其并網的時候往往會選擇具有高增益的直流變壓器。大部分的直流變壓器其變比只能達到10，雖然DAB直流變壓器可以通過模塊的串并聯實現較高變比，但由于均壓均流的問題還沒有解決，因此實現高變比且投入運行較為困難。

由文獻［35］提出了一種諧振式的LCT的直流變壓器，大大地降低了直流變壓器體積與質量，保證了較高的傳輸效率與隔離故障的能力，其兩級升壓結構大大提升了直流變壓器的變比，實現約40 的電壓比，其拓撲結構如圖13所示。

圖13 LCT型DC-DC變換器拓撲結構Fig.13 LCT dc transformer topology

3.4 高頻直流變壓器

高壓直流輸電系統互聯是實現直流電網建設的關鍵，而高頻模塊化直流變壓器是構建直流電網的核心設備［43］。而目前由于直流變壓器高頻隔離的容量限制問題，還無法實現大容量高效率的直流配電變壓器［44］。高頻隔離型直流變壓器雖然在現階段已經在低壓小容量的領域得到了廣泛的應用，在中壓大容量領域仍然處于樣機的研發階段，尚無實際的工程應用，其拓撲結構和保護還有待完善。中壓大容量領域直流變壓器的突破將成為未來一個研究熱點。

4 結語

本文通過對于直流變壓器的原理、拓撲結構、控制策略、主要研究方向以及技術難點進行了總結。大致分析了國內外各種情況下的直流變壓器的原理和特點。

1）分析出還有許多問題有待進一步的深入研究。對于新能源應用場所，需要研究更低成本，傳輸效率更高的直流變壓器，而未來的研究方向新能源的匯集并網研究將會是主流研究之一。

2）對于直流配電網的電壓等級變換以及系統互聯，模塊化多電平直流變壓器將會成為主要的研究對象。對模塊化多電平直流變壓器進一步提升其系統效率以及減小系統體積提出了更大的考驗。

3）伴隨著柔性直流輸電技術的深入研究以及直流配網建設的不斷推進，作為關鍵設備之一的直流變壓器，在未來將成為一個主要的研究對象。