應用于直流電源電網的直接耦合式直流穩壓電源變壓器
2017-7-1 13:55:15??????點擊：
1團隊介紹
蔡旭教授帶領的上海交通大學風力發電研究中心具有新能源及直流電源儲能電力變換與并網、風電變流器及整機控制、新能源直流電源并網等研究方向，由9位教師、1位博士后研究人員、1位工程師、40余位博士、碩士生組成，發表相關論文300余篇，獲40余項國家發明專利授權。
風電直流電源并網研究小組致力于大型海上風電直流電源匯聚與并網中的關鍵變換器、柔性直流電源組網方式與控制保護、風場柔直并網系統穩定性的研究。研究小組目前共有博士研究生7人，教師2人。近3年來在直流電源方向發表論文30余篇，申請發明專利20余項。與南網電氣科學院、中國電科院、全球能源互聯網研究院、甘肅風電研究中心、上海電氣、FUJI電機、英國Aberdeen大學、挪威NTNU和加拿大SFU等大學和科研機構在柔性直流電源輸電領域建立了廣泛的合作關系。
蔡旭（1964），上海交通大學教授，博士生導師。研究方向為可再生能源電力變換與并網技術。作為第一完成人獲省部級科技進步二等獎2項、三等獎4項、國內發明專利授權15項；出版專著1部，發表論文300余篇。2005年起與上海電氣集團合作，完成1.25MW、2MW和3.6MW風電變流器、1.25~3.6MW風機主控制器、2MW電動獨立變槳系統的研發任務，受華銳風電委托開發了3MW全功率風電變流器，并擔任崇明島智能電網綜合集成示范的技術負責人。近年來致力于風場直流電源并網技術的研究，培養博士17人，碩士80余人。
游洪程（1992），男，博士研究生，研究方向為高壓大功率變換器和高壓直流電源輸電技術，hc_you@sjtu.edu.cn。
2項目背景
柔性直流電源技術是解決新能源并網的有效技術手段之一，直流電源變壓器是連接不同直流電源電壓、構建直流電源電網的關鍵設備。由于直流電源輸電系統的電壓等級高，傳統的斬波型DC直流穩壓電源/DC直流穩壓電源變換器并不適用。基于模塊化多電平變換器(modular multilevel converter，MMC)的DC直流穩壓電源/AC/DC直流穩壓電源變換器能實現高壓直流電源電壓的變換，但其需要兩級DC直流穩壓電源/AC變換，且中間交流環節需要交流變壓器，因此整體成本高、效率低。
3論文所解決的問題及意義
本文提出了一種基于鏈式子模塊的直接耦合式直流電源變壓器拓撲，與基于MMC的DC直流穩壓電源/AC/DC直流穩壓電源變換器相比，該拓撲所需的子模塊數更少，且無需中間交流變壓器。本文還提出了一種階梯波兩電平調制方法，與傳統的正弦波調制方法相比，該調制方式開關頻率更低、交流環流更小、所需的子模塊電容大大減小，因此可有效降低變換器的成本、體積和損耗?！?/span>
4論文重點內容
1）拓撲結構和工作原理
本文提出的直接耦合式直流電源變壓器拓撲如圖1所示，直流電源變壓器用于連接電壓等級不同的直流電源輸電系統UDC直流穩壓電源1和UDC直流穩壓電源2，其中UDC直流穩壓電源1>UDC直流穩壓電源2。該拓撲上橋臂由橋臂電感La和n個半橋型子模塊(鏈式模塊1)串聯而成，下橋臂由n個半橋型子模塊(鏈式模塊2)串聯而成，其中半橋型子模塊如圖1所示。橋臂中點通過一個濾波電感Lf與低壓側電壓源UDC直流穩壓電源2連接。
圖1 直接耦合式直流電源變壓器拓撲
變換器的基本工作波形如圖2所示，鏈式模塊1和2均工作在階梯波兩電平PWM模式下，開關周期為T，占空比分別為(1-d)和d。與兩電平調制不同，階梯波兩電平調制可有效降低變換器的dv/dt應力。鏈式模塊2輸出電壓uCl2 相對于鏈式模塊1輸出電壓uCl1 存在相移，移相占空比為ds。變換器通過調節占空比d來調節輸出電壓，通過調節移相占空比ds來實現鏈式模塊1和2的能量均衡。
圖2 階梯波準兩電平調制主要波形
2）損耗分析
本文詳細分析了變換器的開關損耗與導通損耗。圖3給出了不同變比下，開關損耗和導通損耗占直流電源變壓器總傳輸功率的百分比數。其中直流電源變壓器的開關頻率取200Hz，子模塊中IGBT采用ABB公司的5SNA 1000N330300 IGBT模塊。從圖中可以看到變換器的損耗在1%以內，能滿足高壓直流電源變壓器高效率的要求。
圖3 開關損耗與導通損耗所占百分比
5結論
本文提出了基于階梯波兩電平調制的直接耦合式直流電源變壓器，大幅降低了直流電源變壓器的成本與損耗，具有以下特點：1）不需要交流變壓器；2）階梯波準兩電平調制策略能有效降低鏈式模塊輸出電壓的dv/dt；3）每個子模塊一個周期內只投入和切除一次，開關頻率更低；4）交流環流小；5）所需的子模塊電容容值相比正弦波調制更小。
6引文信息
游洪程, 蔡旭. 應用于直流電源電網的直接耦合式直流電源變壓器[J]. 中國電機工程學報, 2017, 37(9): 2516-2524.
You Hongcheng, Cai Xu. Direct-coupled DC直流穩壓電源 transformers applied to DC直流穩壓電源 Grids [J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(9): 2516-2524 (in Chinese).
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