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(xué)院，廣東 東莞523808；2.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州510000；3.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢430077）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)出現(xiàn)了一些新特點(diǎn)，這些新特點(diǎn)包括：以電動(dòng)汽車充電站、數(shù)據(jù)中心等為代表的直流負(fù)荷逐年增加［1-3］，以光伏、儲(chǔ)能為代表的新能源以直流方式接入電網(wǎng)越來(lái)越多［4］。直流負(fù)荷和直流電源組建成了一個(gè)直流配電網(wǎng)。直流配電網(wǎng)中也存在多種不同的電壓等級(jí)［5］，要實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)的電壓變換，直流變壓器是不可或缺的設(shè)備。直流變壓器帶著推動(dòng)直流配電網(wǎng)深入發(fā)展的使命逐步成為了當(dāng)今社會(huì)的研究熱點(diǎn)［6-9］，本文將總結(jié)直流變壓器的現(xiàn)有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述，并對(duì)直流變壓器的國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，最后分析其主要研究方向以及技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)直流變壓器未來(lái)研究方向進(jìn)行展望。

1 直流變壓器結(jié)構(gòu)

直流變壓器的基本電路圖如圖1所示，其電感l(wèi)r為變壓器的漏感，同大部分的變壓器結(jié)構(gòu)類似，即其結(jié)構(gòu)分為原邊和副邊。而其原邊與副邊電路結(jié)構(gòu)則有許多的搭配類型。其中原邊的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究具有很大的研究?jī)r(jià)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(xiàn)［5］中介紹了兩種有代表性的分類方法。根據(jù)變壓器的高壓側(cè)與低壓側(cè)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(duì)于直流變壓器的分類是按照其兩側(cè)是否進(jìn)行了電氣隔離以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類Table 2 Topology classification of DC transformers

上述分類中，按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分具有廣泛的代表性。隨著直流電網(wǎng)的大力推廣與直流技術(shù)的不斷進(jìn)步，無(wú)論是國(guó)外還是國(guó)內(nèi)的學(xué)者，都在直流變壓器這個(gè)領(lǐng)域研究頗多，在隔離型直流變壓器中具有一定應(yīng)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(yīng)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(shí)現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)以及極易擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，因而被學(xué)者廣泛研究。如圖2所示，為單個(gè)DAB子模塊直流變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從圖2中可以看出對(duì)于DAB子模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由兩個(gè)兩電平的VSC（voltage source converter）與一個(gè)交流變壓器級(jí)聯(lián)而成［10］。

圖2 DAB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)DC-DC變換器Fig.2 Topology of DAB DC transformer

由于單個(gè)子模塊的電壓功率不高，如要應(yīng)用于高壓大功率場(chǎng)合，就必須要采用多種子模塊相互串并聯(lián)的結(jié)構(gòu)如圖3 所示［11］。這樣的結(jié)構(gòu)，便于后期變壓器擴(kuò)容和添加模塊方便簡(jiǎn)單，同時(shí)還可以降低變壓器的體積。但是DAB 結(jié)構(gòu)的直流變壓器存在均流均壓的問題，需要額外設(shè)計(jì)電路才可以解決，因此增加了工程的造價(jià)和成本，這是限制其在高壓大功率場(chǎng)所推廣的主要原因。

圖3 DAB型多模塊串并聯(lián)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有模塊化、易擴(kuò)展和傳輸損耗低等特點(diǎn)，是最有希望在未來(lái)高壓大功率場(chǎng)所普遍應(yīng)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一［12］。

MMC 最基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)F2F-MMC 如圖4 所示，從圖中可以看出F2F-MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由兩個(gè)MMC模塊通過與一個(gè)交流變壓器連接起來(lái)，以此發(fā)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(yùn)行于中高頻，整體上可以大幅度減小變壓器的體積和質(zhì)量［13-15］。

圖4 F2F-MMC直流變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 F2F-MMC DC transformer topology

但是其主要問題在于目前中頻設(shè)計(jì)仍然停留在樣機(jī)設(shè)計(jì)，對(duì)其工業(yè)化還仍有一段距離。另一方面，F(xiàn)2F-MMC 直流變壓器由于在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中采用了功率相同的兩個(gè)MMC，從而導(dǎo)致其功率利用率低，變壓器體積較大的缺點(diǎn)。

文獻(xiàn)［16］提出了一種模塊化多電平動(dòng)態(tài)投切直流變壓器，是由眾多的子模塊（SM）串聯(lián)而成，如圖5所示的基本結(jié)構(gòu)圖。從圖6 中可以看出，該子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由控制閥S1、S2構(gòu)成，控制閥則是由IGBT（insulated gate bipolar transistor）以及反向二極管構(gòu)成。T1、T2是實(shí)現(xiàn)子模塊投切或切除的開關(guān)器件。這種模塊化多電平動(dòng)態(tài)投切的直流變壓器在文獻(xiàn)中經(jīng)過模擬仿真，滿足在直流系統(tǒng)互聯(lián)所需要的幾點(diǎn)要求：動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(dòng)態(tài)投切直流變壓器基本結(jié)構(gòu)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(xiàn)［17］中介紹了一種極具應(yīng)用前景的LCL雙向直流變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖7 所示該變壓器具備體積小、傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此將會(huì)在大功率直流電源以及高壓輸電方面發(fā)揮不小的作用。

圖6 模塊化多電平的動(dòng)態(tài)投切直流變換器子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.6 Modular multilevel dynamic switching DC transformer sub module topology

圖7 LCL直流變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.7 LCL DC transformer topology

在新能源領(lǐng)域中，功率往往都是單向輸送至電網(wǎng)之中，而且無(wú)論是風(fēng)力發(fā)電還是光伏發(fā)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(shè)計(jì)一種高增益的單向直流變壓器。目前研究出來(lái)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(lián)可以顯著提高電壓變比，但是其內(nèi)部均壓均流問題還沒有找到相對(duì)應(yīng)的解決辦法。

由此文獻(xiàn)［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(wú)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(zhuǎn)換效率得到了大幅度的提升。同時(shí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.8 LC DC transformer topology

直流組網(wǎng)將是未來(lái)電力電子領(lǐng)域的主要研究方向，但是大部分國(guó)內(nèi)外的學(xué)者只對(duì)中低壓低功率的直流變壓器進(jìn)行深入的研究，對(duì)高壓大容量的直流變壓器研究還處于起步之中。文獻(xiàn)［19］介紹了幾種可以在直流配網(wǎng)中進(jìn)行電壓變換的直流變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。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(shí)采用晶閘管的開關(guān)頻率控制，以此達(dá)到不同的控制效果。該結(jié)構(gòu)不僅可以對(duì)電壓極性進(jìn)行靈活改變，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)VSC 和LCC（line commutated converter）的潮流雙向流動(dòng)以及穿越直流故障的能力。但在該文獻(xiàn)中也介紹了這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，即需要加裝濾波裝置、對(duì)輸入輸出濾波器的設(shè)計(jì)要求更高、低壓側(cè)的晶閘管需要按照高壓側(cè)進(jìn)行選擇等。

圖9 含有晶閘管元件的諧振型DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.9 Topological structure of thyristor LC resonant DC transformer

1.2.2 自耦型直流變壓器

文獻(xiàn)［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(yōu)點(diǎn)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖10。這種變壓器技術(shù)不僅節(jié)省了建造容量，還減少了傳輸損耗，在未來(lái)的高壓大功率場(chǎng)合也具備一定的優(yōu)勢(shì)。

圖10 自耦型DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.10 Topology of autotransformer

但這種技術(shù)優(yōu)勢(shì)會(huì)隨著直流變比的逐漸增加而逐漸消失，同時(shí)不宜應(yīng)用于電氣隔離的低電壓場(chǎng)所。所以這種直流變壓器更適用于一些不需要強(qiáng)制電氣隔離的場(chǎng)所。

2 直流變壓器的控制策略

直流變壓器在直流電網(wǎng)的組建中起著至關(guān)重要的作用［21］。在直流組網(wǎng)中不僅需要其在應(yīng)用時(shí)安全穩(wěn)定且最具經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，還需要與各個(gè)環(huán)節(jié)統(tǒng)一協(xié)調(diào)運(yùn)行，因此其控制策略也是多種多樣。應(yīng)用于新能源方面的控制策略，大多注重對(duì)于輸出電壓的控制，保證新能源發(fā)電并網(wǎng)的安全可靠［22-23］。而在配網(wǎng)方面的控制策略更注重功率的流向以及對(duì)潮流的控制，保證配電網(wǎng)的安全運(yùn)行［24-25］。

2.1 應(yīng)用于新能源的控制策略

文獻(xiàn)［26］著重介紹了幾種對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)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(shí)也不控制輸出電壓。第二種控制策略是通過PWM（pulse width modulation）來(lái)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(dú)允許直流變壓器的輸入端對(duì)直流電壓進(jìn)行調(diào)控。

在文獻(xiàn)［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(gè)角度。其直流變壓器主要由并聯(lián)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(gòu)成。對(duì)于主逆變器的調(diào)控，主要是采用直流電壓外環(huán)和橋臂電感電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，從而保證獲取的有功功率恒定。而主逆變器的控制系統(tǒng)中d-q變換的θ角度來(lái)源于系統(tǒng)中自設(shè)定的旋轉(zhuǎn)參考量。從逆變器的調(diào)控角度，該文獻(xiàn)采用主逆變器將基準(zhǔn)電流電壓傳送給從逆變器的方式，從逆變器采用功率的內(nèi)外雙環(huán)對(duì)功率進(jìn)行調(diào)控。該控制策略較傳統(tǒng)的主從控制策略可以更好地在弱通訊的時(shí)候給多臺(tái)逆變器均分功率。

2.2 在直流配網(wǎng)領(lǐng)域的控制策略

文獻(xiàn)［28］介紹了兩種對(duì)于智能直流配網(wǎng)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(yīng)用的是多模塊直流變壓器，因此通過調(diào)整輸入側(cè)和輸出側(cè)模塊串并聯(lián)的個(gè)數(shù)，來(lái)解決擴(kuò)大輸出電壓以及均分負(fù)載處大電流問題。雖然通過串并聯(lián)的方式減小了直流變壓器內(nèi)的電力電子器件上的電壓，提高了供電的電流值。但是會(huì)無(wú)法保證每一個(gè)模塊上的功率是均衡的，由此會(huì)帶來(lái)配電網(wǎng)電壓波動(dòng)、開光管損壞等一些問題。除此之外，該文獻(xiàn)還介紹一種可以均衡功率的調(diào)控方法。即通過對(duì)每個(gè)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(lái)完成對(duì)功率和電壓的調(diào)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(diào)控的角度出發(fā)，應(yīng)用于直流配網(wǎng)的變壓器需要對(duì)雙向功率進(jìn)行控制。文獻(xiàn)［29］從輸出電壓值來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，首先通過設(shè)置母線電壓的上下限值，以此來(lái)判斷輸出電壓值，然后設(shè)置能量控制環(huán)節(jié)，即通過比較直流母線上直流負(fù)荷的供給功率與分布式電源的功率大小進(jìn)而判斷直流變壓器的功率流向。當(dāng)母線的電壓升高且超過一開始設(shè)置的上限或者下限時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生控制信號(hào)，最后控制信號(hào)選擇開關(guān)。

2.3 直流變壓器潮流控制功能

就目前對(duì)于直流變壓器的研究，已經(jīng)不再局限于對(duì)于變比的研究，更多的學(xué)者已經(jīng)將研究方向轉(zhuǎn)向?yàn)橹绷髯儔浩骺刂瞥绷鞣植嫉哪芰蛯?duì)直流電網(wǎng)電壓控制等功能［30］。

目前潮流控制器主要分為可變串聯(lián)電阻器、直流變壓器和串聯(lián)電壓源［31］，因此國(guó)內(nèi)外就直流變壓器潮流控制的能力進(jìn)行深入研究。文獻(xiàn)［31］對(duì)一種DAB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直流變壓器潮流控制器進(jìn)行研究，該直流變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)直流輸電線路功率的雙向靈活調(diào)控。文獻(xiàn)［32］中對(duì)可以控制潮流的在直流變壓器進(jìn)行定位，該可控制潮流的直流變壓器，不僅能互聯(lián)不同的電壓等級(jí)，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)于潮流的控制。

在文獻(xiàn)［33］中敘述了直流電網(wǎng)的潮流控制，其最重要的就是多電壓等級(jí)的互聯(lián)以及對(duì)于潮流靈活控制的能力，指出未來(lái)的直流電網(wǎng)將同時(shí)包含多個(gè)電壓等級(jí)，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(guān)鍵環(huán)節(jié)。

對(duì)于目前的多端口直流變壓器國(guó)內(nèi)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(huì)對(duì)未來(lái)直流電網(wǎng)組網(wǎng)起到?jīng)Q定性作用。

3 主要關(guān)鍵技術(shù)以及研究方向

目前對(duì)于直流變壓器的研究仍然存在著許多的技術(shù)難點(diǎn)：研制應(yīng)用于高壓大功率場(chǎng)所的直流變壓器、ISPO（input series and output parallel）直流變壓器在應(yīng)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(wǎng)直接連接直流電源和直流負(fù)荷，是實(shí)現(xiàn)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(jí)直流電網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)設(shè)備，其性能和特性的研究一直是一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容［34］，文獻(xiàn)［35］結(jié)合風(fēng)電與光伏并網(wǎng)時(shí)的技術(shù)需求，提出了應(yīng)用在風(fēng)電直流匯集并網(wǎng)的單向LC式直流變壓器以及光伏直流匯集并網(wǎng)的LCT（LC-AC transformer）直流型變壓器。單向LC式直流變壓器無(wú)論是在體積、損耗、電壓變比以及故障的隔離方面都符合風(fēng)電匯集并網(wǎng)的技術(shù)需求且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)技術(shù)合理性。其提出的LCT直流變壓器，在保留了LC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直流變壓器優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，進(jìn)一步提升了電壓變比，同時(shí)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(chǎng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，DAB 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直流變壓器，由于可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)、具備雙向功率流動(dòng)能力以及極易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，在LVDC（low voltage direct current transmission）與MVDC 中被廣泛研究利用。但是其未來(lái)要在某些高壓大功率場(chǎng)所使用，就必須要利用組合型DAB直流變壓器，但是其所帶來(lái)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(jià)以及傳輸損耗偏高，將會(huì)阻礙其未來(lái)在高壓大功率場(chǎng)合的推廣。

輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)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(duì)于ISOP型直流變壓器的均壓均流技術(shù)目前主要分為兩種：自然均壓均流技術(shù)和通過直流變壓器內(nèi)部的自動(dòng)校正特性來(lái)實(shí)現(xiàn)［36］。文獻(xiàn)［37］提出了通過對(duì)公共占比調(diào)控方法以完成輸入電壓和輸出電流的均衡調(diào)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(diào)整特性。但是該方法對(duì)于模塊參數(shù)的要求很高，當(dāng)其模塊參數(shù)差異較大時(shí)，該方法將無(wú)法實(shí)現(xiàn)均壓均流的均衡控制。文獻(xiàn)［38］針對(duì)ISOP 型直流變壓器提出了一種典型的三環(huán)控制方法，該方法有效地解決了由于電路參數(shù)差異而造成的均壓均流問題，但是其控制結(jié)構(gòu)繁雜，增大了設(shè)計(jì)難度。

3.3 高壓大容量直流變壓器

如前所述，傳統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)中的發(fā)展。不少學(xué)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(jié)合軟開關(guān)技術(shù)，以此降低了系統(tǒng)的損耗，并實(shí)現(xiàn)較大增益［39］。開關(guān)器件由晶閘管組成，由于晶閘管的耐壓性較IGBT 優(yōu)越，更易滿足系統(tǒng)的高壓大容量需求，均流均壓的要求對(duì)于晶閘管也容易實(shí)現(xiàn)，是比較適合應(yīng)用在電網(wǎng)系統(tǒng)之中。但這類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變壓器也存在著幾個(gè)缺點(diǎn)，如輸入側(cè)會(huì)有更大的諧波成分、對(duì)其濾波電感的設(shè)計(jì)要求更高以及低壓側(cè)的開關(guān)器件需要按高壓側(cè)的電壓等級(jí)設(shè)計(jì)。

文獻(xiàn)［40］對(duì)于大規(guī)模的新能源并網(wǎng)應(yīng)用介紹了一種諧振開關(guān)電容直流變壓器，其優(yōu)勢(shì)在于不僅可以實(shí)現(xiàn)大變比的電壓變換，其開關(guān)器件還可以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)以提升系統(tǒng)利用率。但是其缺點(diǎn)就是因?yàn)殚_關(guān)采用了二極管，使功率無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)，只適合于在海上風(fēng)力發(fā)電等單向傳輸領(lǐng)域。

模塊化多電平（MMC）直流變壓器現(xiàn)在依然是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。其無(wú)論是應(yīng)用在中大容量的高變比場(chǎng)合［41-42］，還是在中大容量低變比場(chǎng)合都具有十分優(yōu)秀的發(fā)展前景。應(yīng)用在中大容量高變比場(chǎng)合的MMC直流變壓器可以通過隔離變壓器元件實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)的變換，通過將換流端的頻率設(shè)置為中頻段以此來(lái)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(guān)頻率高的問題。應(yīng)用于中大容量低變比場(chǎng)合的MMC直流變壓器，采用較高的系統(tǒng)頻率，有助于減少系統(tǒng)中無(wú)源器件的容量。唯一不足之處就是其任一側(cè)直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，將會(huì)波及到非故障側(cè)。

由于新能源發(fā)電的輸出電壓往往都不高，在其并網(wǎng)的時(shí)候往往會(huì)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(dá)到10，雖然DAB直流變壓器可以通過模塊的串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)較高變比，但由于均壓均流的問題還沒有解決，因此實(shí)現(xiàn)高變比且投入運(yùn)行較為困難。

由文獻(xiàn)［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(zhì)量，保證了較高的傳輸效率與隔離故障的能力，其兩級(jí)升壓結(jié)構(gòu)大大提升了直流變壓器的變比，實(shí)現(xiàn)約40 的電壓比，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 LCT型DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.13 LCT dc transformer topology

3.4 高頻直流變壓器

高壓直流輸電系統(tǒng)互聯(lián)是實(shí)現(xiàn)直流電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵，而高頻模塊化直流變壓器是構(gòu)建直流電網(wǎng)的核心設(shè)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(wú)法實(shí)現(xiàn)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(xiàn)階段已經(jīng)在低壓小容量的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在中壓大容量領(lǐng)域仍然處于樣機(jī)的研發(fā)階段，尚無(wú)實(shí)際的工程應(yīng)用，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和保護(hù)還有待完善。中壓大容量領(lǐng)域直流變壓器的突破將成為未來(lái)一個(gè)研究熱點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)于直流變壓器的原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略、主要研究方向以及技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。大致分析了國(guó)內(nèi)外各種情況下的直流變壓器的原理和特點(diǎn)。

1）分析出還有許多問題有待進(jìn)一步的深入研究。對(duì)于新能源應(yīng)用場(chǎng)所，需要研究更低成本，傳輸效率更高的直流變壓器，而未來(lái)的研究方向新能源的匯集并網(wǎng)研究將會(huì)是主流研究之一。

2）對(duì)于直流配電網(wǎng)的電壓等級(jí)變換以及系統(tǒng)互聯(lián)，模塊化多電平直流變壓器將會(huì)成為主要的研究對(duì)象。對(duì)模塊化多電平直流變壓器進(jìn)一步提升其系統(tǒng)效率以及減小系統(tǒng)體積提出了更大的考驗(yàn)。

3）伴隨著柔性直流輸電技術(shù)的深入研究以及直流配網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，作為關(guān)鍵設(shè)備之一的直流變壓器，在未來(lái)將成為一個(gè)主要的研究對(duì)象。