基于能量存储原理的高压大容量直流-直流变换拓扑及其控制技术研究

Highly efficient and light-weight high-voltage large-power DC/DC converter is currently one of the key fundamental techniques needed by the HVDC grid. In order to satisfy the technical requirements of interconnecting HVDC lines with different voltage levels, this research project derives a series of new energy-storage-principle based DC/DC topologies by modifying the classical low-voltage DC/DC converters, and reveals its current commutation mechanism and topology evolution rules. Optimization methods will be developed with respect to converter valve, sub-module circuit structure, and operating mode to reduce component count, improve conversion efficiency, and reduce the weight and size of the converter, respectively. This research project aims to establish the basic theories for the new energy-storage-principle based HV DC/DC converters, breaking through the bottlenecks of traditional DC/DC converters in terms of efficiency, volume, weight, and cost, which will provide research basis for the development and application of future multi-voltage HVDC grid.

高效率、轻量化的高压大容量DC/DC变换器是柔性直流电网亟待攻克的关键基础性课题。本项目针对不同电压等级直流输电线路互联的技术需求，提出基于能量存储原理对经典低压DC/DC拓扑进行改造，推演出一系列新型高压大容量DC/DC电路拓扑，揭示此类拓扑的换流机理及演化规律；并从换流阀组、子模块结构、运行控制方式上提出优化设计方案，以降低器件数量、提升拓扑转换效率、减小体积重量。通过解决相应的关键科学问题，形成基于能量存储原理DC/DC变换技术的理论体系，突破传统DC/DC拓扑在转换效率、体积重量、工程成本等方面的技术瓶颈，为多电压等级柔性直流电网的发展与工程化实践提供理论基础。

高压大容量DC/DC变换器是联接不同电压等级直流输电线路、构造直流电网的核心设备。现有MMC型DC/DC拓扑必须在桥臂中注入交流电压，存在开关器件数目多、成本高、运行效率低以及滤波电感和变压器磁性元件笨重问题。为克服上述问题，本课题参考经典Buck-Boost变换器的感性能量转移过程，将基于子模块的储能桥臂作为能量缓冲元件，通过基于器件串联的换流阀切换子模块中储能电容的充、放电状态，实现容性能量的转移。在此基础上，提出了容性能量转移DC/DC变换器(Capacitive energy transfer DC/DC converter, CETDC)拓扑基本结构及其运行原理，设计了整体控制策略，以保证其稳定运行。通过与传统MMC型DC/DC变换器对比，指出了CETDC拓扑在成本、效率及体积重量方面的优势。通过优化两个串联连接的半桥子模块，提出了新型三开关子模块结构，降低了拓扑的开关器件成本和导通损耗。为进一步提升拓扑的转换效率，提出了基于载波频率变化的NLC和PWM结合的调制方法。此外，本课题归纳了CETDC拓扑中储能桥臂与换流阀的构造约束，衍化出Buck-Boost、Buck和Boost三种类型的CETDC拓扑。并结合直流短路故障阻断、高电压变比以及潮流控制等应用场景，提出了CETDC拓扑的优化设计方法以及满足实际需求的衍生拓扑结构。最终，通过搭建600V/15kw的CETDC实验样机平台，验证了所提CETDC拓扑、控制策略及不同应用场景下的衍生拓扑。.本课题系统地得到了CETDC拓扑结构，为其在高压大容量电能变换应用中提供了完备的理论基础。本课题在高水平期刊与会议上共发表学术论文18篇，SCI检索8篇，EI检索10篇，出版专著1部。申请发明专利7项，获得授权3项。