基于模块化多电平变换原理的高频链直流变压器研究

With speedy development of the dc grid technology, the interconnection of the dc power transmission and distribution systems will be inevitable. In order to realize energy conversion between the dc buses in different areas or different voltage levels, this project proposes to research the dc transformer (DCT) technology, especially to research a high-frequency-link (HFL) DCT based on modular multilevel conversion principle (abbreviated as MDCT). Firstly, the project will analyze the HFL conversion characterization of MDCT to give the HFL pulse modulation method and establish the coupling mathematical model of electric signals. Secondly, the project will research the multi-mode control and fault treatment method to give the steady and transient control management strategies under different operation modes and fault types. Thirdly, in order to achieve high-efficiency and high-density, the project will present the general optimal method for HFL parameter design. On this basis, the project will further discuss the technical economy of MDCT to give the constraints and topology selection principles to adapt various applications. The research of this project will provide theoretical and practical basis for the application of MDCT and promote the integration of flexible dc power transmission and distribution.

在直流电网技术的快速发展趋势下，直流输、配电的组网将不可避免。为了实现直流电网中不同区域或不同电压等级直流母线的能量变换，本项目对直流变压器（DC transformer，DCT）技术展开研究；特别的，提出并研究一种基于模块化多电平变换原理的高频链直流变压器（DCT based on modular multilevel conversion，简称MDCT）。通过对MDCT高频变换特性的分析，给出其高频脉冲调制原理并建立电气量耦合关系的数学模型；对MDCT的多模式控制方式和故障处理方法展开研究，给出不同工作模式、不同故障类型下的稳态和暂态控制和管理策略；并以高效率和高功率密度为目标，给出MDCT高频化参数设计的一般性优化方法；在此基础上，讨论MDCT的技术经济性，给出不同应用场合的约束条件以及选型原则，以期为MDCT的应用奠定理论和实践基础，促进柔性直流输配电的一体化建设。

本项目提出并研究了一种基于模块化多电平变换原理的高频链直流变压器（DCT based on modular multilevel conversion，简称MDCT）。研究中，分析了MDCT的脉冲调制策略、有功传输原理、电压和电流特性以及功率特性，并在此基础上，提出了最优无功特性，在保证传输特定的有功功率情况下，可以通过选择相关参数，使得消耗的无功功率最小。对MDCT的换流行为和开关行为进行了详细的分析，开关管有较大几率工作在软开关特性下，这使得系统的损耗较低，效率较高。通过对控制策略的分析，提出了基于脉冲轮换附加分布式脉冲延时的直流电压平衡控制方法。此外，还对MDCT的内部故障和外部故障处理策略进行了详细分析，在子模块单元发生故障时，MDCT可以实现冗余运行，当发生外部短路故障时，MDCT可以快速的从故障处切除，且不会对直流电容放电，也不会产生过电流。在理论研究的基础上，分析了MDCT的技术经济型，并搭建了MDCT的物理试验样机，验证了理论分析的正确性。本项目的研究对于实现直流电网中不同区域或不同电压等级直流母线的能量变换，促进柔性直流输配电网络的一体化建设具有重要意义。