摘要：针对目前关于DC/DC变换器研究主要集中于中低压小功率场合的现状，该文首先对现有的适用于直流电网的DC/DC变换器拓扑进行了研究，并将输入端串联输出端串联(ISOS)结构和低压DC/DC变换器相结合，提出了用于直流电网中输入端和输出端均为高电压场合的ISOS型DC/DC变换器，为选择合适的高压大容量DC/DC变换器拓扑提供了依据。
关键词：高压大容量DC/DC变换器；直流电网
目前，对适用于直流电网用的高压大容量DC/DC变换器拓扑研究尚处于起步阶段，并未有工程化样机出现。本文对适用于直流电网用的高压大容量DC/DC变换器拓扑研究现状进行了分析，研究了多个拓扑的工作原理及其优缺点，有利于不同的应用场合下选取合适的DC/DC变换器拓扑。
一、适用于直流电网的DC/DC变换器的拓扑研究
1.晶闸管谐振式DC/DC变换器
该变换器中背靠背相连的两个LC谐振电路，共用同一个谐振电容，通过控制晶闸管可以灵活改变电容Cr在谐振电路中的电压极性，结合LC谐振电路，将能量从输入端传递到输出端，如图1所示。该拓扑利用谐振升压的原理，无需变压器也能达到升压的目的；采用晶闸管的开关频率控制，实现不同的控制目标，如输出电压、输入电流等。谐振电流存在周期性过零点，因此晶闸管可以作为开关器件。相比IGBT，晶闸管的耐压更高，在同等电压应用场合下，需要串联的晶闸管数量少，开关损耗较小。与此同时，电路工作在断续模式下，晶闸管可以零电流自然关断，能进一步有效减少开关损耗。该拓扑两端均能灵活改变电压极性且允许流过反向电流，因此该拓扑能实现VSC和LCC系统中的潮流双向流动。研究成果表明该拓扑具有穿越直流故障的能力。
图1晶闸管谐振式DC/DC变换器
晶闸管谐振式DC/DC变换器存在以下不足：一是断续模式下虽可实现软开关，但输入输出电流波形较差，需要较大的滤波装置；二是该拓扑采用的频率控制策略对输入输出滤波器设计提出更高的要求；三是由于共用谐振电容的缘故，高低压侧的绝缘等级相同，低压侧的晶闸管需按照高压侧的电压进行选型。变换器的电压变换率越小，拓扑的能量转换效率越高。
2.模块化多电平换流器型DC/AC/DC变换器
（1）大容量小变比应用场合
基于模块化多电平换流器(MMC，modular multilevel converter)的DC/AC/DC变换器，模块化多电平换流器使用子模块串联的方法，缓解了两电平VSC和三电平VSC中大量功率器件直接串联所面临的驱动一致性的硬性要求，避免了随电平数增多而使硬件软件设计难度加大的困境，有很大优势。在基于MMC的柔性直流输电工程中的应用，也充分说明模块化多电平换流器非常适合高压大容量的能量传输。
另一种适用于大容量小变比应用场合的DC/AC/DC变换器配置，其中MMC变换器采用由切换开关和子模块串联组成的混合型拓扑，如图2所示。由于传输的功率较大，电路中采用三相拓扑。相比单相H桥结构，每相流过的电流较小，易于开关器件选型。因无需获取大变比的要求，图2中中间交流环节直接通过电感相连，并没有采用变压器。中间交流环节可以采用中频500~1000Hz，甚至更高。相比交流50Hz，在满足相同的电容电压波动要求下，子模块的电容容值较小，易于减小装置的体积。此外，中间的交流环节并不一定是正弦波，可以根据系统整体效率和体积等优化指标选择合适的电压波形。
图2基于混合型MMC无隔离DC/DC变换器
该转换器采用了由切换开关和全桥子模块串联组成的混合型MMC拓扑，全桥子模块中IGBT和切换开关中串联的IGBT分别根据直流母线电压和直流侧发生接地故障时的电压进行选型，可以保证该拓扑在不采用变压器的情况下具备直流侧故障阻断能力。
（2）中等容量大变比应用场合
适用于中等容量大变比应用场合的DC/AC/DC变换器配置，拓扑中采用单相H桥结构，满足中等容量的应用场合；同时采用了中频变压器，以实现大变比的要求。每个子单元可以采用标准化模块，易于系统的冗余设计，提高了系统的可靠性。此外，不同数量的子单元进行串联可以满足不同电压及容量的需要，易于系统的升级扩容。由于每个子单元的输入端和输出端均接有电容，使得各子单元之间的控制可以相互独立。各子单元需要输入侧均压和输出侧均压控制，以保证子单元间传输的能量相同，开关器件的电气应力一致，提高系统的稳定性。
基于ISOS结构的DC/DC变换器的效率主要取决于子DC/DC变换单元的工作效率，而子单元的拓扑有多种选择。文献[3]中介绍了6种不同的DC/DC变换器拓扑，并对这6种拓扑进行了比较分析，研究表明双有源桥(DAB，dual active bridge，)变换器和串联谐振变换器的损耗较低且电气应力较小。DAB变换器的输入端和输出端的换流器均采用固定占空比和固定频率的方波调制策略，通过控制两侧调制方波的相位差θ，可以灵活控制功率的大小。见图3。潮流由相位超前侧流向滞后侧，可实现能量的双向流动。串联谐振DC/DC变换器输入端和输出端的换流器均采用固定占空比而频率可变的方波调制策略，两侧调制方波不存在相位差，通过Lr和Cr的谐振进行能量的传递，见图4。
图4串联谐振型 DC/DC 变换器电路图
本文将ISOS结构和DAB变换器等拓扑相结合，首次应用于直流电网领域，提出了一种适用于直流电网中输入端和输出端均是高电压场合下的DC/DC变换器。基于ISOS结构的DC/DC变换器兼顾了ISOS结构优势以及子单元的诸多特点，在直流电网中具有良好的应用前景。
二、不同拓扑的比较
以传输容量为3MW，额定电压为10kV/20kV且能量双向流动的DC/DC变换器作为算例，对上述3种拓扑进行比较。其中，晶闸管谐振型DC/DC变换器需要多个晶闸管串联的方式；MMC型DC/AC/DC变换器采用隔离变压器型单相H桥结构，子模块采用半桥拓扑；ISOS型DC/DC变换器中的子单元采用DAB变换器。表1中分别列出了3种拓扑中主开关器件承受的最大电压、主开关器件的数目、软开关情况以及故障处理能力等。通过比较发现：晶闸管型DC/DC变换器中需要串联的晶闸管很多，主要由于该拓扑中低压侧开关器件的电压应力由谐振电容电压决定，故高、低压侧晶闸管均需要按照高压侧电压进行选型；ISOS型DC/DC变换器所需IGBT的数量比较少，而且低压侧的IGBT可以根据低电压进行选型，允许与高压侧开关器件不一样；在直流侧短路故障时，晶闸管型DC/DC变换器和ISOS型变换器由于输入和输出侧均接有滤波电容，导致短路故障电流的增加，而MMC型DC/DC变换器并不存在这种现象。
表1不同拓扑之间的比较
三、结论
本文对直流电网用的高压大容量DC/DC变换器进行研究，所得结论如下：
1）直流电网用的高压大容量DC/DC变换器应具备输入端和输出端故障隔离、能量双向流动、直流侧电流谐波含量小和损耗少体积小等特点；
2）晶闸管型DC/DC变换器适用于大电压变比的应用场合，能够连接VSC系统和LCC系统，可以实现软开关技术；但需要串联的晶闸管数量相对较多，而且该拓扑中需要大量的谐振电容，其可靠性相对不高；
3）MMC型DC/DC变换器可以灵活配置适应于多种应用场合，而且在发生短路故障时不会增加故障电流的大小；但提高系统交流环节的工作频率以及系统的整体效率是待进一步研究；
4）SOS型DC/DC变换器采用模块化结构，利于系统可靠性的提高，便于系统的升级。该拓扑需要的开关器件相对较小，具有很大的成本优势。可以根据不同的应用场合和性能指标选择不同的子单元，灵活性较强。
参考文献：
[1]王新颖，苏建徽，马春艳，等．模块化多电平换流器的建模与控制[J]．低压电器，2013(7)：33-38．
[2]赵婉君．高压直流输电工程技术[M]．北京：中国电力出版社，2004：60-62．
[3]方天治，阮新波，查春雷，等．输入串联输出串联逆变器系统的控制策略[J]．中国电机工程学报，2009，29(27)：22-28．
论文作者:张辉
论文发表刊物:《电力设备》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/1
标签：变换器论文; 拓扑论文; 晶闸管论文; 谐振论文; 电压论文; 电平论文; 场合论文; 《电力设备》2018年第16期论文;