中高壓直流變壓器拓撲綜述

范世源，王 超，向 鑫，楊 歡，李武華

(浙江大學電氣工程學院，浙江 杭州 310027)

為應(yīng)對氣候變化、環(huán)境污染與化石能源枯竭等問題，全球能源正加速向低碳、零碳方向演進，我國亦提出了“雙碳戰(zhàn)略”，即承諾二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值、2060年前實現(xiàn)碳中和[1].在此過程中，能源生產(chǎn)與消費形式的轉(zhuǎn)變也深刻影響著電力系統(tǒng)的形態(tài)[2]：大量的可再生能源(如光伏與風能發(fā)電)、儲能裝備(超級電容儲能與電池儲能)與直流負載(電動汽車、數(shù)據(jù)中心、LED照明)等直流或非工頻交流的元件接入電力系統(tǒng)[3]，因而在部分場景下直流方案正逐步取代傳統(tǒng)交流方案，成為了極具潛力的電網(wǎng)互聯(lián)形式，該方式減少了電能變換的級數(shù)，提高了電能集成、傳輸、分配與利用中的效率[4].

在具有多級電壓的直流電網(wǎng)中，直流變壓器實現(xiàn)了直流電壓的轉(zhuǎn)換，是實現(xiàn)不同電壓等級直流系統(tǒng)互聯(lián)的關(guān)鍵設(shè)備[5].經(jīng)典直流變壓拓撲具有實現(xiàn)成本低、功率密度高、運行效率高等優(yōu)點，但其開關(guān)器件在高頻開關(guān)動作下，需要承擔直流母線電壓或直流母線電流，難以拓展應(yīng)用于中高壓場景.本文梳理了中高壓領(lǐng)域已有的直流變壓器拓撲，并重點針對模塊化多電平方案在中高壓直流變壓領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景展開了討論.

1 應(yīng)用于低壓領(lǐng)域的直流變壓器拓撲

在過去數(shù)十年的研究中，各類低壓直流變壓器被廣泛的提出并研究，以實現(xiàn)高效率、高功率密度需求下多種變比的直流電壓變換，主要可分為隔離型拓撲與非隔離型拓撲.

1.1 非隔離型拓撲

作為最經(jīng)典的直流變壓器拓撲，如圖1～圖3所示的Buck電路、Boost電路、Buck-boost電路一般被認為是各類改進型非隔離拓撲的推演起點，絕大多數(shù)直流變壓拓撲均可在每種程度上被視為上述三種拓撲的衍生、變體或組合[6].

圖1 經(jīng)典Buck變壓拓撲

圖2 經(jīng)典Boost變壓拓撲

圖3 經(jīng)典Buck-boost變壓拓撲

盡管圖1～圖3中呈現(xiàn)的電路均使用IGBT構(gòu)成，但這三種電路中的開關(guān)器件均可采用MOSFET代替以實現(xiàn)高頻率開關(guān)運行(開關(guān)頻率可達數(shù)百千赫茲).有研究提出了基于上述三種經(jīng)典電路的變體電路拓撲，如具有輔助電路的軟開關(guān)電路[7]、主動/被動鉗位配置[8]、基于耦合電感/集成變壓器的結(jié)構(gòu)[9]等，這些電路可以實現(xiàn)高頻的軟開關(guān)運行，降低開關(guān)器件上的電壓或電流應(yīng)力，并提高電壓變比范圍.

1.2 非隔離型拓撲

對于隔離型的低壓直流變壓器，經(jīng)典的正激式直流變壓器和反激式直流變壓器可被分別視為基于功率單向變換的Buck直流變壓器和Buck-boost直流變壓器的隔離版本.除了正激式直流變壓器和反激式直流變壓器，單有源橋(Single Active Bridge，SAB)/雙有源橋(Dual Active Bridge，DAB)直流變壓器[10]與LLC諧振型直流變壓器[11]亦是低壓隔離型變換中常用的解決方案.如圖4～圖5所示分別為單相全橋SAB/DAB直流變壓器與LLC諧振型直流變壓器.該種拓撲也被提出了多種變體結(jié)構(gòu)，包括其三相形式[12]、基于半橋結(jié)構(gòu)的版本[13]和多電平形式[14].其調(diào)制方法基本原理相似，且均以提高運行效率與變壓范圍為主要研究方向.拓撲內(nèi)部的變壓器提供了電流隔離，并提高了電壓變比.電路中所有的開關(guān)器件均可以實現(xiàn)軟開關(guān)運行，變換效率高，且開關(guān)頻率通常在幾十或幾百千赫茲，因此SAB/DAB直流變壓器與LLC諧振型直流變壓器往往具有高功率密度的優(yōu)點.

圖4 全橋配置的有源橋式變換器

圖5 全橋配置的LLC諧振式直流變壓器

上述的隔離與非隔離型直流變壓器電路，均具有設(shè)計實現(xiàn)成本低、功率密度高、運行效率高的優(yōu)點，但難以拓展應(yīng)用于中高壓場景.這些電路中的開關(guān)器件在高頻開關(guān)動作下，需要承擔直流母線電壓或直流母線電流，尚難在中高壓電路中實現(xiàn)，但這些拓撲作為經(jīng)典直流變換電路為進一步改進與生成新拓撲提供了發(fā)展基礎(chǔ).

2 應(yīng)用于中壓領(lǐng)域的直流變換拓撲

中壓直流變壓器，其至少有一端連接中壓直流.主要通過改進上述經(jīng)典直流拓撲，使其適配中壓范圍的應(yīng)用.

2.1 級聯(lián)型配置的直流變壓器

實現(xiàn)中壓直流變壓器的最簡單形式如圖6所示，即通過將經(jīng)典直流變壓拓撲的級聯(lián)來實現(xiàn)中壓變換[15].級聯(lián)方式可以提高直流變壓器的變比，并避免在大電壓變比直流變壓器的個別開關(guān)器件上出現(xiàn)極端的占空比，使之能夠?qū)崿F(xiàn)變比較大的低壓直流與中壓直流系統(tǒng)互聯(lián).但該類級聯(lián)型拓撲難以解決高壓側(cè)開關(guān)/二極管的高電壓應(yīng)力問題和低壓側(cè)開關(guān)/二極管的高電流應(yīng)力問題.

圖6 級聯(lián)型配置的直流變壓器

2.2 開關(guān)電容配置的直流變壓器

如圖7所示，開關(guān)電容配置[16]是低壓直流與中壓直流間高變比互聯(lián)的另一種實現(xiàn)方法.它通過高速開關(guān)的系列電容器來提升低壓側(cè)電壓，從而實現(xiàn)更大的變比.該種拓撲在部分情況下具有自平衡能力，且支持模塊化設(shè)計，無需更改主電路.但同時也要面臨低壓側(cè)開關(guān)電流過大的問題，以及所有開關(guān)和二極管都以硬開關(guān)方式工作的缺點.

圖7 開關(guān)電容型配置的直流變壓器

2.3 多電平配置的直流變壓器

如圖8所示，將傳統(tǒng)的中點箝位結(jié)構(gòu)、飛跨電容結(jié)構(gòu)[17]等多電平技術(shù)應(yīng)用到非隔離的經(jīng)典直流變壓電路中，可以將母線電壓均勻的分攤到多個功率器件上，從而實現(xiàn)對中壓的適配.衍生的多電平拓撲與經(jīng)典拓撲的配置方式基本相同，且可以擴展到n級配置，從而實現(xiàn)低壓直流與中壓直流之間的高變比功率轉(zhuǎn)換.每個開關(guān)的占空比將保持在正常范圍內(nèi)，避免了出現(xiàn)高階躍比中常出現(xiàn)的極端占空比問題；且由于多電平運行方式和其較高的等效開關(guān)頻率，該拓撲中的無源電感取值亦可小于傳統(tǒng)的升壓電路.然而，當電壓等級很高時，各直流電容器的電壓平衡是一個主要的挑戰(zhàn)；且所有的功率器件都是在硬開關(guān)條件下工作，這導致其在高頻工作時開關(guān)損耗較大；此外，多電平配置無法提供容錯操作，系統(tǒng)可靠性難以保證.

圖8 多電平升壓直流變壓器

2.4 模塊化配置的直流變壓器

模塊化思想是將經(jīng)典隔離型直流變壓器擴展到中壓領(lǐng)域的一個極有前途的方案[18-19].作為該類拓撲的兩個典型示例，模塊化全橋DAB和LLC直流變壓器的原邊串聯(lián)、副邊并聯(lián)配置如圖9所示，其高壓側(cè)電路串聯(lián)以支撐中壓直流端的電壓應(yīng)力，低壓側(cè)電路并聯(lián)以分擔電流應(yīng)力.這些模塊化直流變壓器繼承了原始電路的各類運行特性優(yōu)點，包括軟開關(guān)下的高效率變換、高開關(guān)頻率下的高功率密度設(shè)計和適應(yīng)于高變比的電流隔離特性，且模塊化設(shè)計使其在中高壓領(lǐng)域下具有冗余容錯能力，因而具有更好的可靠性優(yōu)勢.然而，這些模塊化直流變壓器及其衍生的系列拓撲都依賴于復(fù)雜的算法來保持各模塊電路電壓和電流的平衡[20]；且由于原副邊的電位差很大，變壓器繞組和其他組件的絕緣問題是嚴峻的設(shè)計挑戰(zhàn)；此外，任何單個模塊變壓器的故障都可能導致整個系統(tǒng)故障，從而破壞系統(tǒng)的可靠性.

圖9 多子模塊結(jié)構(gòu)的全橋雙向DAB與LLC型直流變壓器

2.5 諧振型配置的直流變壓器

除了上述配置和拓撲結(jié)構(gòu)之外，諧振型直流變壓器也為中壓直流變換提供了另一方向[21].基本的單向和雙向諧振拓撲電路分別如圖10(a)和圖10(b)所示.這些拓撲使用串聯(lián)的晶閘管來承受直流母線電壓，與使用IGBT相比，其傳導損耗較低.圖10(b)中晶閘管反并聯(lián)配置下雙向功率傳輸?shù)膶崿F(xiàn)，可參照傳統(tǒng)基于晶閘管的電網(wǎng)換相型拓撲運行規(guī)律.其雙向運行可在不改變直流端電壓極性的情況下實現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)，因而使其更適合多端直流網(wǎng)絡(luò)互連.且諧振方式有助于實現(xiàn)所有開關(guān)的軟開關(guān)運行，因此其開關(guān)損耗非常低.

圖10 諧振型直流變壓器

然而，這些電路中的諧振電容面臨著比高壓側(cè)母線電壓更高的電壓應(yīng)力，該問題將導致設(shè)計和絕緣上的挑戰(zhàn).此外，低壓側(cè)和高壓側(cè)的反并聯(lián)配置需要大量半導體器件，且這些諧振型直流變壓器還需通過配備輔助無源電路，以確保串聯(lián)晶閘管的靜態(tài)與動態(tài)分壓平衡，實現(xiàn)成本較高.

3 應(yīng)用于高壓領(lǐng)域的直流變壓拓撲

在高壓領(lǐng)域，模塊化多電平變換器(Modular Multilevel Converter，MMC)[22]可以克服圖6～圖10中所示拓撲的大部分缺陷及其在高壓應(yīng)用中的工程實現(xiàn)困難.MMC結(jié)構(gòu)繼承了模塊化設(shè)計的實施可行性與可靠性優(yōu)勢，以及多電平運行的高效性及其無源濾波需求較低的優(yōu)良特性，極為適應(yīng)于中高壓領(lǐng)域的應(yīng)用.基于半橋模塊的MMC拓撲如圖11所示，其最初被提出并應(yīng)用于交直流變換，已在過去的數(shù)十年內(nèi)成功且廣泛的應(yīng)用于高壓直流輸電領(lǐng)域，并將對未來的多端多電壓等級的直流網(wǎng)絡(luò)建設(shè)產(chǎn)生深遠的影響[23].與圖12所示的基于晶閘管的電網(wǎng)換相型/電流源型換流器[24]相比，圖11所示的MMC是基于IGBT的自換相型電源型換流器.與電網(wǎng)換相型換流器相比，電源型換流器能夠?qū)崿F(xiàn)有功/無功、正向/反向的四象限運行，并能夠在弱交流電網(wǎng)及黑啟動條件下運行，且能在不改變直流電壓極性的條件下雙向運行.

圖11 基于半橋的模塊化多電平換流器

與如圖13所示的傳統(tǒng)兩電平拓撲[25]相比，MMC拓撲在許多方面具有明顯的優(yōu)勢：首先，模塊化配置使之能夠便捷的拓展到更高的電壓與更大的容量等級，且基于模塊的冗余，系統(tǒng)可靠性能夠保持在較高的水平.在模塊發(fā)生故障時，冗余模塊能夠在不擾亂正常運行的同時投入橋臂的功率運行[26].其次，多電平拓撲無需使用壓接式串聯(lián)器件，保障了單個器件故障后電流路徑的完整性；與此同時，多電平運行使輸出諧波大大降低，從而減小了濾波電容的體積與造價.第三，最近電平調(diào)制下功率器件的開關(guān)頻率相較于PWM調(diào)制大大降低，減小了開關(guān)損耗的同時進一步降低了大功率電壓變換的散熱設(shè)計難度[27].

圖12 基于晶閘管的電網(wǎng)換相換流器圖13 基于IGBT的自換相兩電平換流器

為提高MMC的直流故障處理能力[28]與系統(tǒng)占用的空間[29]，如圖14的一系列MMC變體拓撲被提出，包括基于全橋模塊的MMC、基于全半橋模塊混合的MMC、基于雙鉗位模塊的MMC、混合級聯(lián)型多電平換流器以及橋臂交替型多電平換流器.

圖14 模塊化多電平換流器拓撲變體

此外，相關(guān)研究考慮通過對子模塊開關(guān)器件的設(shè)計[30]，實現(xiàn)了子模塊傳導損耗的降低與其電壓/電流限值的提升，從而使系統(tǒng)整體效率提升并使MMC的功率等級向基于晶閘管的換流器靠近.

盡管上述的模塊化多電平拓撲均用于交直變換，但這些拓撲的模塊化思想可被進一步拓展到直流變換領(lǐng)域，使之繼承模塊化拓撲的靈活性與可控性.此外，在眾多基于電壓源型換流器的直流輸電項目的推動下，MMC技術(shù)發(fā)展迅猛，該技術(shù)的總體成本正在下降.基于以上條件，近期關(guān)于中高壓直流變換的研究集中于如何采用和重新配置模塊化設(shè)計，使之應(yīng)用直流變換領(lǐng)域并適應(yīng)于各種變比范圍的直流變換.

已有的模塊化多電平直流變換拓撲可根據(jù)模塊配置與功能分為如下所述的兩大類.

3.1 面對面型交-直-交配置

第一類模塊化直流變壓拓撲被稱為“面對面”型交-直-交配置，如圖15所示采用兩個交直變換MMC通過交流端耦合來實現(xiàn)直流變壓，圖15(a)和圖15(b)分別三相與單相的面對面配置MMC直流變壓器[31].這種拓撲繼承了交直變換MMC的各種優(yōu)點，且可以阻止任一側(cè)的直流故障電流傳向另一側(cè).直流變壓器內(nèi)部的交流波形與頻率可以自行選擇，以提高整體效率并減少變換器體積.利用變壓器耦合的配置可以提供電流隔離，并且通過調(diào)整匝數(shù)比可實現(xiàn)廣泛的電壓變比范圍，而無變壓器的配置則可以優(yōu)化系統(tǒng)占地面積并提升系統(tǒng)效率.子模塊類型和橋臂配置有多種選擇，可實現(xiàn)不同的特定應(yīng)用要求.

圖15 基于模塊化多電平結(jié)構(gòu)的面對面型直流變壓器

3.2 鏈式連接配置

另一類基于MMC的直流變壓拓撲是僅使用一個類似于MMC單相/多相橋臂的直接鏈式連接配置，如圖16(a)和圖16(b)分別展示了基于單相橋臂與兩相橋臂(推挽式)的直流拓撲[32].三相形式、雙極形式、多端形式的變體亦有類似的推演，濾波器的設(shè)計亦可參考無源方案或有源方案.所有這些直接鏈接模塊化多電平直流變壓器都避免了變換過程中顯式的內(nèi)部交流環(huán)節(jié)，橋臂中的部分模塊同時用于高壓側(cè)與低壓側(cè)，因此在功率器件利用率、整體變換效率和系統(tǒng)占用空間方面具有優(yōu)勢.

然而，直接鏈式直流變壓器仍需克服一些技術(shù)難題，才能真正應(yīng)用于直流網(wǎng)絡(luò)互連.首先，盡管在轉(zhuǎn)換過程中沒有單獨明確的交流環(huán)節(jié)，電路仍然依靠內(nèi)部循環(huán)的交流電流來平衡正常運行中的橋臂模塊能量.這些電流可能會對模塊器件和濾波器造成大的電流幅值應(yīng)力和功率損耗[33].其次，這些電路中的濾波器設(shè)計需要克服一些挑戰(zhàn)，特別是要避免無源濾波器中的極大電感或降低含有子模塊的有源濾波器的造價.此外，如果在橋臂中使用半橋模塊，則其無法阻斷高壓側(cè)直流故障電流，低壓直流端將存在一個通過半橋模塊反并聯(lián)二極管的故障電流路徑[34]，因而需要額外的快速保護設(shè)備以實現(xiàn)直流系統(tǒng)中的應(yīng)用.最后，所有的模塊功率器件均運行于硬開關(guān)條件下，且需要一種控制算法來平衡模塊電容電壓.

圖16 基于直接鏈式模塊的模塊化多電平直流變壓器

4 結(jié) 論

直流變壓一直是電力電子中一個重要的研究領(lǐng)域，近年來，隨著可再生能源的發(fā)展與電力網(wǎng)絡(luò)的進一步拓展，中高壓領(lǐng)域的直流變壓吸引了更多的研究者.基于本文對低壓、中壓、高壓領(lǐng)域已有的直流變壓器拓撲的綜述與梳理可見，隨著模塊化多電平拓撲的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，模塊化多電平設(shè)計在直流變換領(lǐng)域的改進與發(fā)展成為了研究的一大熱點，鑒于模塊化多電平技術(shù)的潛力，預(yù)計未來十年該思路將進一步得到重視與研究.已有的兩種模塊化多電平直流配置的直流變壓器，即面對面型與直接鏈式連接型拓撲，有望解決經(jīng)典直流變壓拓撲中電壓變比及功率等級難以突破的問題，但也存在功率器件利用率低、功率密度低、電流應(yīng)力高 、模塊能量平衡算法復(fù)雜等問題，相關(guān)技術(shù)亟待進一步探索與發(fā)展.