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研究背景

随着直流配网的快速发展，直流变压器(DC transformer, DCT)作为其中能量变换的核心装备，得到了学者们的广泛关注与研究。近年来，不同形式的直流变压器已在多个直流配网示范工程中得到应用，但现有直流变压器多为定制化需求，存在占地面积较大、效率较低、暂态及故障性能较差的特点，未形成工程应用的统一规范。鉴于此，本文针对DCT工程应用中的常见问题展开讨论，重点分析能效提升及小型化技术2个核心问题，为后续工程提供参考及借鉴。

图1  直流变压器拓扑结构示意图

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常见工程化问题

2.1  取能方式

目前工程中DCT子模块板卡控制电多采用从并联电容自取能的方式。该方式无法在启动前检验子模块状态，在启动过程中，可能由于通信故障、取能电源故障或子模块自行旁路等状况导致无法感知子模块状态，即发生“黑模块”情况。此时，为保护子模块必须停机排查故障，使得启动过程复杂化。

对于DCT这类模块数量较少、冗余度小的情况可采用如图2所示的交叉冗余取电技术解决黑模块问题，高低压侧分别通过本模块及相邻模块的取能电源实现对驱动电路的冗余供电。应当指出，此时图中红色虚框部分需承受约2倍模块电压。

图2  交叉冗余取电方式示意图

此外，自取能供电还需考虑电容电压Uc的稳定问题，模块上的取能驱动电路功率为P,并联均压电阻R需足够小，满足式(1)所示条件以保持电容电压稳定。

2.2  启动方式

以高压侧启动为例，DCT的启动可分为以下几个阶段。

1)不控充电阶段：通过软启回路为高压侧电容进行不控充电直至稳定，此时电容电压已大于取能电源启动电压，满足解锁条件。

2)模块升压阶段：解锁隔离半桥并以Boost模式运行，使高压侧电容进一步升压至额定电压。

3)低压电容充电阶段：解锁双有源桥(DAB)的高压侧H桥，内移相角D由0°逐渐增大至180°，通过高频变为低压侧电容不控充电，直至低压侧电容达到额定电压。

4)低压侧H桥解锁阶段：低压侧电容达到额定电压后，保持高低压H桥间外移相角为0°解锁低压侧H桥，并进入额定运行状态。

图3  低压电容充电阶段

2.3  子模块绝缘设计

DCT子模块输入端对地电位和子模块在整机拓扑中的所处位置有关，对于±10 kV/750 V直流变压器而言，考虑最严酷的情况，高频变高压绕组对地电位为10 kV。此时子模块输入输出端子电位分布如图4所示。

图4  子模块电位分布及接地方式示意图

若子模块采用金属外壳，则高频变铁芯可接地，高低压侧外壳间绝缘按10 kV直流设备设计，高频变高压绕组对地、高低压绕组间绝缘按10 kV直流设备设计，低压绕组绝缘按普通低压设备设计。

若子模块采用全绝缘外壳，则高频变铁芯无法接地，外壳整体绝缘按10 kV直流设备设计，高频变高低压绕组对地及绕组间绝缘均按10 kV直流设备设计。

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效率提升技术措施

提升效率是电力电子设备工程化应用的核心问题之一。对于DCT的效率提升，可从以下几个方面进行。

1)选用新型材料。由于DCT具有高电压、大电流、高开关频率的特点，传统硅基器件及工频铁芯材料损耗较大，可选用SiC功率器件、纳米晶磁芯材料提升效率。

2)提升制造工艺。对于高频变，其集肤效应、临近效应明显，采用高品质利兹线可大幅减小集肤效应，采用交叉绕制的方式可大幅减小临近效应，从而提升高频变效率；对于取能及驱动电路耗能，研制低功耗的取能电路不仅可直接减小板卡耗能，而且可增大均压电阻阻值限制，减小均压电阻耗能；对于模块一致性，提升模块制造水平后可提升参数一致性，从而降低整机系统的环流，提升整机效率。

3)改进控制策略。采用多重移相方式减小环流功率，拓展软开关范围，提升变换器在电压不匹配以及轻载条件下的整体运行效率；对于冷却系统，采用不同负载率下的调速控制策略降低轻载情况下的用能。

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小型化技术措施

设备小型化是DCT工程推广，特别是在配电网推广的必由之路。其核心思路在于提高子模块耐压水平，从而减少子模块数目。以下从特定场景设计、改进模块拓扑、新型器件应用3个方面分别提出一种DCT小型化方法。

光伏升压场景优化设计

对于纯光伏接入场景，其特征在于功率由低压侧单向流向高压侧，可在高压侧选用高耐压水平的二极管代替绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块，从而减少模块数目，降低设备尺寸。

三电平子模块拓扑

与两电平子模块相比，三电平子模块耐压水平提升了将近一倍，因此DCT模块数量约减小至原来一半，进而可有效减小体积。

应用高压SiC器件

当子模块数目进一步大幅减小时，对子模块提出了更高要求：①器件耐压水平需大幅增加；②为保证等效开关频率不变，每个子模块开关频率大幅增加；③在更高频率的基础上，为保证子模块效率，器件需具有更短的开关时间。

综合上述要求，可选用高压SiC器件。目前，Cree公司已研制出了基于10 kV/120 A SiC半桥模块的13.8 kV/1 MVA电力电子变压器，其尺寸约为同容量工频变压器的1/2，重量约为1/4，最高效率可达99.2%，各性能参数全面超越工频变压器。

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结语

1)子模块取能方式可分为自取能及外供电2种。其中自取能方式可通过交叉冗余供电解决黑模块问题，通过并联均压电阻解决电容电压稳定问题；外供电方式需通过配置不间断电源保证供电可靠性。

2)子模块的绝缘设计与外壳材质有关。采用金属外壳时，高低压外壳间、高频变高压绕组与铁芯间的绝缘需按照10 kV直流设备设计；采用全绝缘外壳时，整个外壳、高频变高低压绕组及铁芯间均需按照10 kV直流设备设计。

3)DCT的效率优化可分为硬件和软件2方面。硬件上主要包括新材料应用、器件选型、高频变设计及提高模块一致性等；软件上主要包括改进调制及控制策略、优化冷却系统及驱动电路用能等。

4)DCT小型化设计的核心思路在于提高子模块耐压水平，从而减少子模块数目，可分别从特定场景设计、改进模块拓扑、应用新型材料3个方面进行研究。

原文发表在《电力系统自动化》2019年第43卷第23期，欢迎品读！

引文信息

刘瑞煌, 杨景刚, 贾勇勇, 等. 中压直流配电网中直流变压器工程化应用 [J]. 电力系统自动化, 2019, 43(23): 131-140. DOI: 10.7500/ AEPS20190429020.

LIU Ruihuang, YANG Jinggang, JIA Yongyong, et al. Engineering Applications of DC Transformer in Medium-voltage DC Distribution Network [J]. Automation of Electric Power Systems, 2019, 43(23): 131-140. DOI: 10.7500/ AEPS20190429020.

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《电力系统自动化》2019年第23期目次

山东大学 马钊，孙媛媛，李可军等：新一代低压直流供用电系统关键技术及发展展望

天津大学 王守相等：直流配电系统控制与保护协同关键技术及展望

山东理工大学 彭克等：柔性直流配电系统稳定性及其控制关键问题

华南理工大学 张勇军，河海大学 刘子文等：智慧能源建设背景下直流配电网的组网技术及其应用

中国农业大学 许彪，唐巍等：关于主动配电网直流改造经济性的探讨

天津大学 李斌，叶仕磊等：基于二极管的直流配电系统故障分区

主要作者简介

刘瑞煌

硕士，国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，工程师，主要研究方向：交直流配用电技术及应用。现为国网江苏电科院直流配网团队核心成员，负责直流变压器及柔直换流器相关研究。

杨景刚

硕士，国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，高级工程师，主要研究方向：交直流配用电技术及应用。现为国网江苏电科院直流配网团队带头人，团队正牵头执行两项国家重点研发计划，聚焦攻关直流配网规划设计、关键设备研制、控制保护策略、直流化配用电模式等多项关键技术，发布1项、立项2项IEC国际标准，正在建设苏州吴江、南京淳化两大直流配网工程。

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