中高压直流变压器拓扑综述

范世源，王 超，向 鑫，杨 欢，李武华

(浙江大学电气工程学院，浙江 杭州 310027)

为应对气候变化、环境污染与化石能源枯竭等问题，全球能源正加速向低碳、零碳方向演进，我国亦提出了“双碳战略”，即承诺二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值、2060年前实现碳中和[1].在此过程中，能源生产与消费形式的转变也深刻影响着电力系统的形态[2]：大量的可再生能源(如光伏与风能发电)、储能装备(超级电容储能与电池储能)与直流负载(电动汽车、数据中心、LED照明)等直流或非工频交流的元件接入电力系统[3]，因而在部分场景下直流方案正逐步取代传统交流方案，成为了极具潜力的电网互联形式，该方式减少了电能变换的级数，提高了电能集成、传输、分配与利用中的效率[4].

在具有多级电压的直流电网中，直流变压器实现了直流电压的转换，是实现不同电压等级直流系统互联的关键设备[5].经典直流变压拓扑具有实现成本低、功率密度高、运行效率高等优点，但其开关器件在高频开关动作下，需要承担直流母线电压或直流母线电流，难以拓展应用于中高压场景.本文梳理了中高压领域已有的直流变压器拓扑，并重点针对模块化多电平方案在中高压直流变压领域的应用现状与发展前景展开了讨论.

1 应用于低压领域的直流变压器拓扑

在过去数十年的研究中，各类低压直流变压器被广泛的提出并研究，以实现高效率、高功率密度需求下多种变比的直流电压变换，主要可分为隔离型拓扑与非隔离型拓扑.

1.1 非隔离型拓扑

作为最经典的直流变压器拓扑，如图1～图3所示的Buck电路、Boost电路、Buck-boost电路一般被认为是各类改进型非隔离拓扑的推演起点，绝大多数直流变压拓扑均可在每种程度上被视为上述三种拓扑的衍生、变体或组合[6].

图1 经典Buck变压拓扑

图2 经典Boost变压拓扑

图3 经典Buck-boost变压拓扑

尽管图1～图3中呈现的电路均使用IGBT构成，但这三种电路中的开关器件均可采用MOSFET代替以实现高频率开关运行(开关频率可达数百千赫兹).有研究提出了基于上述三种经典电路的变体电路拓扑，如具有辅助电路的软开关电路[7]、主动/被动钳位配置[8]、基于耦合电感/集成变压器的结构[9]等，这些电路可以实现高频的软开关运行，降低开关器件上的电压或电流应力，并提高电压变比范围.

1.2 非隔离型拓扑

对于隔离型的低压直流变压器，经典的正激式直流变压器和反激式直流变压器可被分别视为基于功率单向变换的Buck直流变压器和Buck-boost直流变压器的隔离版本.除了正激式直流变压器和反激式直流变压器，单有源桥(Single Active Bridge，SAB)/双有源桥(Dual Active Bridge，DAB)直流变压器[10]与LLC谐振型直流变压器[11]亦是低压隔离型变换中常用的解决方案.如图4～图5所示分别为单相全桥SAB/DAB直流变压器与LLC谐振型直流变压器.该种拓扑也被提出了多种变体结构，包括其三相形式[12]、基于半桥结构的版本[13]和多电平形式[14].其调制方法基本原理相似，且均以提高运行效率与变压范围为主要研究方向.拓扑内部的变压器提供了电流隔离，并提高了电压变比.电路中所有的开关器件均可以实现软开关运行，变换效率高，且开关频率通常在几十或几百千赫兹，因此SAB/DAB直流变压器与LLC谐振型直流变压器往往具有高功率密度的优点.

图4 全桥配置的有源桥式变换器

图5 全桥配置的LLC谐振式直流变压器

上述的隔离与非隔离型直流变压器电路，均具有设计实现成本低、功率密度高、运行效率高的优点，但难以拓展应用于中高压场景.这些电路中的开关器件在高频开关动作下，需要承担直流母线电压或直流母线电流，尚难在中高压电路中实现，但这些拓扑作为经典直流变换电路为进一步改进与生成新拓扑提供了发展基础.

2 应用于中压领域的直流变换拓扑

中压直流变压器，其至少有一端连接中压直流.主要通过改进上述经典直流拓扑，使其适配中压范围的应用.

2.1 级联型配置的直流变压器

实现中压直流变压器的最简单形式如图6所示，即通过将经典直流变压拓扑的级联来实现中压变换[15].级联方式可以提高直流变压器的变比，并避免在大电压变比直流变压器的个别开关器件上出现极端的占空比，使之能够实现变比较大的低压直流与中压直流系统互联.但该类级联型拓扑难以解决高压侧开关/二极管的高电压应力问题和低压侧开关/二极管的高电流应力问题.

图6 级联型配置的直流变压器

2.2 开关电容配置的直流变压器

如图7所示，开关电容配置[16]是低压直流与中压直流间高变比互联的另一种实现方法.它通过高速开关的系列电容器来提升低压侧电压，从而实现更大的变比.该种拓扑在部分情况下具有自平衡能力，且支持模块化设计，无需更改主电路.但同时也要面临低压侧开关电流过大的问题，以及所有开关和二极管都以硬开关方式工作的缺点.

图7 开关电容型配置的直流变压器

2.3 多电平配置的直流变压器

如图8所示，将传统的中点箝位结构、飞跨电容结构[17]等多电平技术应用到非隔离的经典直流变压电路中，可以将母线电压均匀的分摊到多个功率器件上，从而实现对中压的适配.衍生的多电平拓扑与经典拓扑的配置方式基本相同，且可以扩展到n级配置，从而实现低压直流与中压直流之间的高变比功率转换.每个开关的占空比将保持在正常范围内，避免了出现高阶跃比中常出现的极端占空比问题；且由于多电平运行方式和其较高的等效开关频率，该拓扑中的无源电感取值亦可小于传统的升压电路.然而，当电压等级很高时，各直流电容器的电压平衡是一个主要的挑战；且所有的功率器件都是在硬开关条件下工作，这导致其在高频工作时开关损耗较大；此外，多电平配置无法提供容错操作，系统可靠性难以保证.

图8 多电平升压直流变压器

2.4 模块化配置的直流变压器

模块化思想是将经典隔离型直流变压器扩展到中压领域的一个极有前途的方案[18-19].作为该类拓扑的两个典型示例，模块化全桥DAB和LLC直流变压器的原边串联、副边并联配置如图9所示，其高压侧电路串联以支撑中压直流端的电压应力，低压侧电路并联以分担电流应力.这些模块化直流变压器继承了原始电路的各类运行特性优点，包括软开关下的高效率变换、高开关频率下的高功率密度设计和适应于高变比的电流隔离特性，且模块化设计使其在中高压领域下具有冗余容错能力，因而具有更好的可靠性优势.然而，这些模块化直流变压器及其衍生的系列拓扑都依赖于复杂的算法来保持各模块电路电压和电流的平衡[20]；且由于原副边的电位差很大，变压器绕组和其他组件的绝缘问题是严峻的设计挑战；此外，任何单个模块变压器的故障都可能导致整个系统故障，从而破坏系统的可靠性.

图9 多子模块结构的全桥双向DAB与LLC型直流变压器

2.5 谐振型配置的直流变压器

除了上述配置和拓扑结构之外，谐振型直流变压器也为中压直流变换提供了另一方向[21].基本的单向和双向谐振拓扑电路分别如图10(a)和图10(b)所示.这些拓扑使用串联的晶闸管来承受直流母线电压，与使用IGBT相比，其传导损耗较低.图10(b)中晶闸管反并联配置下双向功率传输的实现，可参照传统基于晶闸管的电网换相型拓扑运行规律.其双向运行可在不改变直流端电压极性的情况下实现潮流反转，因而使其更适合多端直流网络互连.且谐振方式有助于实现所有开关的软开关运行，因此其开关损耗非常低.

图10 谐振型直流变压器

然而，这些电路中的谐振电容面临着比高压侧母线电压更高的电压应力，该问题将导致设计和绝缘上的挑战.此外，低压侧和高压侧的反并联配置需要大量半导体器件，且这些谐振型直流变压器还需通过配备辅助无源电路，以确保串联晶闸管的静态与动态分压平衡，实现成本较高.

3 应用于高压领域的直流变压拓扑

在高压领域，模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter，MMC)[22]可以克服图6～图10中所示拓扑的大部分缺陷及其在高压应用中的工程实现困难.MMC结构继承了模块化设计的实施可行性与可靠性优势，以及多电平运行的高效性及其无源滤波需求较低的优良特性，极为适应于中高压领域的应用.基于半桥模块的MMC拓扑如图11所示，其最初被提出并应用于交直流变换，已在过去的数十年内成功且广泛的应用于高压直流输电领域，并将对未来的多端多电压等级的直流网络建设产生深远的影响[23].与图12所示的基于晶闸管的电网换相型/电流源型换流器[24]相比，图11所示的MMC是基于IGBT的自换相型电源型换流器.与电网换相型换流器相比，电源型换流器能够实现有功/无功、正向/反向的四象限运行，并能够在弱交流电网及黑启动条件下运行，且能在不改变直流电压极性的条件下双向运行.

图11 基于半桥的模块化多电平换流器

与如图13所示的传统两电平拓扑[25]相比，MMC拓扑在许多方面具有明显的优势：首先，模块化配置使之能够便捷的拓展到更高的电压与更大的容量等级，且基于模块的冗余，系统可靠性能够保持在较高的水平.在模块发生故障时，冗余模块能够在不扰乱正常运行的同时投入桥臂的功率运行[26].其次，多电平拓扑无需使用压接式串联器件，保障了单个器件故障后电流路径的完整性；与此同时，多电平运行使输出谐波大大降低，从而减小了滤波电容的体积与造价.第三，最近电平调制下功率器件的开关频率相较于PWM调制大大降低，减小了开关损耗的同时进一步降低了大功率电压变换的散热设计难度[27].

图12 基于晶闸管的电网换相换流器图13 基于IGBT的自换相两电平换流器

为提高MMC的直流故障处理能力[28]与系统占用的空间[29]，如图14的一系列MMC变体拓扑被提出，包括基于全桥模块的MMC、基于全半桥模块混合的MMC、基于双钳位模块的MMC、混合级联型多电平换流器以及桥臂交替型多电平换流器.

图14 模块化多电平换流器拓扑变体

此外，相关研究考虑通过对子模块开关器件的设计[30]，实现了子模块传导损耗的降低与其电压/电流限值的提升，从而使系统整体效率提升并使MMC的功率等级向基于晶闸管的换流器靠近.

尽管上述的模块化多电平拓扑均用于交直变换，但这些拓扑的模块化思想可被进一步拓展到直流变换领域，使之继承模块化拓扑的灵活性与可控性.此外，在众多基于电压源型换流器的直流输电项目的推动下，MMC技术发展迅猛，该技术的总体成本正在下降.基于以上条件，近期关于中高压直流变换的研究集中于如何采用和重新配置模块化设计，使之应用直流变换领域并适应于各种变比范围的直流变换.

已有的模块化多电平直流变换拓扑可根据模块配置与功能分为如下所述的两大类.

3.1 面对面型交-直-交配置

第一类模块化直流变压拓扑被称为“面对面”型交-直-交配置，如图15所示采用两个交直变换MMC通过交流端耦合来实现直流变压，图15(a)和图15(b)分别三相与单相的面对面配置MMC直流变压器[31].这种拓扑继承了交直变换MMC的各种优点，且可以阻止任一侧的直流故障电流传向另一侧.直流变压器内部的交流波形与频率可以自行选择，以提高整体效率并减少变换器体积.利用变压器耦合的配置可以提供电流隔离，并且通过调整匝数比可实现广泛的电压变比范围，而无变压器的配置则可以优化系统占地面积并提升系统效率.子模块类型和桥臂配置有多种选择，可实现不同的特定应用要求.

图15 基于模块化多电平结构的面对面型直流变压器

3.2 链式连接配置

另一类基于MMC的直流变压拓扑是仅使用一个类似于MMC单相/多相桥臂的直接链式连接配置，如图16(a)和图16(b)分别展示了基于单相桥臂与两相桥臂(推挽式)的直流拓扑[32].三相形式、双极形式、多端形式的变体亦有类似的推演，滤波器的设计亦可参考无源方案或有源方案.所有这些直接链接模块化多电平直流变压器都避免了变换过程中显式的内部交流环节，桥臂中的部分模块同时用于高压侧与低压侧，因此在功率器件利用率、整体变换效率和系统占用空间方面具有优势.

然而，直接链式直流变压器仍需克服一些技术难题，才能真正应用于直流网络互连.首先，尽管在转换过程中没有单独明确的交流环节，电路仍然依靠内部循环的交流电流来平衡正常运行中的桥臂模块能量.这些电流可能会对模块器件和滤波器造成大的电流幅值应力和功率损耗[33].其次，这些电路中的滤波器设计需要克服一些挑战，特别是要避免无源滤波器中的极大电感或降低含有子模块的有源滤波器的造价.此外，如果在桥臂中使用半桥模块，则其无法阻断高压侧直流故障电流，低压直流端将存在一个通过半桥模块反并联二极管的故障电流路径[34]，因而需要额外的快速保护设备以实现直流系统中的应用.最后，所有的模块功率器件均运行于硬开关条件下，且需要一种控制算法来平衡模块电容电压.

图16 基于直接链式模块的模块化多电平直流变压器

4 结 论

直流变压一直是电力电子中一个重要的研究领域，近年来，随着可再生能源的发展与电力网络的进一步拓展，中高压领域的直流变压吸引了更多的研究者.基于本文对低压、中压、高压领域已有的直流变压器拓扑的综述与梳理可见，随着模块化多电平拓扑的快速发展与广泛应用，模块化多电平设计在直流变换领域的改进与发展成为了研究的一大热点，鉴于模块化多电平技术的潜力，预计未来十年该思路将进一步得到重视与研究.已有的两种模块化多电平直流配置的直流变压器，即面对面型与直接链式连接型拓扑，有望解决经典直流变压拓扑中电压变比及功率等级难以突破的问题，但也存在功率器件利用率低、功率密度低、电流应力高 、模块能量平衡算法复杂等问题，相关技术亟待进一步探索与发展.