中高压直流变压器关键技术研究

With the high penetration of renewable energy, the DC power distribution is an important development trend of the grid. In this project, we will investigate the key technology of the DC transformer suitable for DC distribution system, especially for the bidirectional DC conversion interfacing the medium to high voltage DC bus and the low voltage DC bus with galvanic isolation requirement. The existing DC transformer structures usually suffer from complex structure, high circulating energy, low power density and low conversion efficiency. In this project, we propose a multi-phase paralleled DC transformer structure based on modular multi-level converter (MMC) structure, and only one multi-phase high frequency transformer is required for voltage matching and galvanic isolation, thus the power density can be improved. Based on the proposed topology, the decoupled control method for output regulation and circulating energy reduction is studied to improve the conversion efficiency. A voltage balancing control method with minimized switching frequency is studied to achieve fast voltage balancing among the power modules under different load and voltage gain conditions. The analysis and optimal design methodology for high frequency, multi-phase and high power transformer will be studied, including optimal winding structure. . The objective of the project is to investigate new PET structure with high conversion efficiency and high reliability, and provide promising technology for the future DC distribution system.

随着新能源渗透率的持续提高，直流配电已成为电力系统的一个重要发展方向。本项目拟研究用于直流配电系统的直流变压器关键技术，特别是中高压直流到低压直流的隔离型双向直流变换技术。针对现有直流变压器结构复杂、循环能量大、变换效率及功率密度低等不足，研究一种基于模块化多电平的多相并联直流变压器结构，利用单个多相高频变压器实现中高压直流到低压直流的电压变换及电气隔离，以简化系统结构、提高转换效率及功率密度。据此研究其多自由度解耦控制方法，实现功率调节和循环能量控制，优化系统效率；研究低载波比下的模块电压均衡控制方法，实现不同电压增益和负载下的模块电压快速均衡；并探索高频多相大功率变压器设计和绕组结构优化方法。. 通过本项目的研究，为实现高效、高可靠的直流变压器奠定基础，为直流配电技术的发展提供技术支撑。

为了适应高通量新能源接入电网的需求，直流电网技术在近几年受到广泛关注。由于现有电力电子器件、拓扑及控制技术等诸多限制，如何高效地实现不同直流母线之间电压变换及能量交互，已经成为直流配电网发展中亟待解决的关键问题之一。. 项目提出了一系列结合模块化多电平结构与传统谐振变换器的直流变压器拓扑，可实现中高压直流与低压直流的电能变换，拓扑可工作于单向或双向模式，且能应用于定变比场合及宽电压增益范围的场合。采用模块化结构可将直流变压器接入中高压直流电网，且借助其控制自由度可使变换器在较宽增益范围内工作。采用谐振腔进行功率变换，可继承传统谐振变换器高效率、软开关、低电磁噪声的优点。同时，针对子模块面临的电压不均衡问题，项目提出了电压采样、排序及驱动信号动态分配的子模块电压均衡策略，通过实时监测子模块电压并根据其电压大小动态分配不同的驱动信号，可在全负载范围、全电压增益范围内维持子模块的电压均衡。此外，中高频高压大功率变压器是优化直流变压器性能的一个关键点。项目采用有限元仿真软件对中频变压器结构进行了研究，对其寄生参数、电流分布及损耗进行了综合分析，探索了减小和优化分布参数的方法和绕组结构，提出了中频中压变压器设计方法及参数优化方法，研制了一台30kVA中压变压器，效率高于99%。为验证直流变压器拓扑及相关控制策略可行性，项目设计搭建了大功率实验样机及实验平台，进行了一系列实验及测试，验证了拓扑及控制方法的可行性。. 项目提出的直流变压器拓扑系列具有变换效率高、功率密度高、可靠性高等优势，可应用在新能源发电站、数据中心、舰船电力系统等需求中高压直流与低压直流互联的场合，具有广阔的应用前景。同时，项目提出的子模块均压技术理论上可应用于任何采用模块化多电平结构的直流变压器拓扑，具有应用范围广、均压效果好等优点。