学术简报｜基于拓展移相控制的直流配电网模块化多电平直流变压器

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摘要

东南大学电气工程学院的研究人员管州、梅军、丁然、葛锐、范光耀，在2019年第13期《电工技术学报》上撰文，分析了模块化多电平换流器（MMC）桥臂与H桥组成的MMC-H桥型直流变压器拓扑与运行特性，其中MMC采用阶梯波调制，H桥采用增加一个内移相的拓展移相调制。

推导出直流变压器中间交流链电压电流表达式，给出传输功率表达式与回流功率求解方法并分析功率随参数变化的分布情况，总结了影响回流功率的因素，讨论了电压调节比的优化配置，凝练零回流功率的边界条件与回流功率优化工作区间。

为抑制回流功率，该文提出了回流功率优化策略，通过调整内外移相实现直流变压器工作在回流功率优化工作区域，减小回流功率与电流应力。最后，搭建实验平台，对优化策略进行了实验验证。

为应对气候变化带来的巨大挑战，发展新能源已成为世界能源发展的重要趋势。2017年，我国风电累计装机1.64亿kW，光伏发电累计装机容量1.3亿kW。新能源发电在总发电量中所占比例和装机数量持续增加。

新能源发电功率随机波动，易受到环境影响。新能源发电大量接入交流电网时会影响其稳定性与供电可靠性，造成频率波动、相位不同步和无功不平衡等问题。而直流配电网不存在上述问题，其在新能源接入、电能质量、传输损耗等方面的优势日益凸显。

交流电网通过工频变压器实现电压匹配和功率传输，但直流电网之间必须依靠电力电子设备实现相互的电压匹配和能量流动。针对适用于直流配电网的直流变压器，目前已有许多专家学者开展研究。

双有源桥（Dual Active Bridge, DAB）DC-DC变换器拓扑结构与传统的单向DC-DC转换器相比，减小了体积，减少了器件数量并提高了转换器的效率，并且一次侧和二次侧的极性不变就可以实现双向能量流动。

然而，回流功率的存在将会在两侧电压幅度不匹配的情况下大大降低转换器的效率。因此，除了传统的单相移，还提出了扩展相移、双重相移、三重移相和混合移相以抑制回流功率，其中拓展移相因其控制简单、回流功率较小等优点受到学者们的深入研究。

为适应直流配网电压等级，组合式DC-DC变换器也被相继提出，其通过多个DC-DC变换器串并联形成组合变换器结构。灵活选用串并联结构可以适应直流配电网的不同需求，解决了开关半导体器件耐压低与电网电压高之间的矛盾，并联结构适用于大电流需求的场合。但该组合式变换器每个变压器传输功率低，而隔离电压要求高（通常远高于中压侧电网电压），磁心利用率低，绝缘设计困难。

模块化多电平换流器采用多个子模块级联，能够降低半导体器件电压应力，在高压直流输电（High Voltage Direct Current, HVDC）领域得到广泛应用。因此，一些学者提出了结合DAB和模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter,MMC）的MMC-DAB型DC-DC变换器拓扑，其结合了DAB和MMC的特点。

将MMC桥臂替换DAB中的H桥，一次侧与二次侧依靠中频变压器的连接，形成MMC-DAB直流变压器拓扑。而当DAB中只替换一个H桥，即一次侧采用MMC桥臂，二次侧依然采用H桥，形成MMC-H桥直流变压器拓扑。

针对该拓扑，文献[15]提出一种新型控制策略，设置内外移相，控制内外移相值可实现功率传输与电压匹配，但该控制策略涉及多个子模块同时开通，易产生较大dv/dt，影响电路稳定性。

本文在MMC-H桥直流变压器拓扑的基础上，分析了该直流变压器运行特性，同时提出了回流功率优化策略实现更小的回流功率与电流应力，扩大传输功率的调节范围，增强直流变压器的灵活性。

图1 MMC-H桥型直流变压器拓扑

总结

基于MMC-H桥型直流变压器拓扑，本文分析了其在拓展移相控制下的运行特性，推导出传输功率表达式并给出回流功率求解算法，讨论了传输功率与回流功率随内外移相的分布情况，对影响回流功率的因素进行分析，讨论了电压调节比的优化配置，得到零回流功率的边界条件与回流功率优化工作区间，为MMC-H桥型直流变压器的参数设计和回流功率抑制提供理论依据。

考虑到该直流变压器存在回流功率，本文提出基于拓展移相的回流功率优化策略，计算出直流变压器的优化工作区域，通过调节内外移相落入优化工作区域，减小回流功率与电流应力，扩大传输功率的调节范围，增强直流变压器的灵活性。最后，搭建实验平台，通过实验得到不同内移相比下的电压、电流和功率波形，继而得到电流应力曲线和效率曲线，验证了优化策略的正确性。

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