[发明专利]一种用于高压直流输电系统的升压模块化DC-DC变换器

说明书

本发明公开了一种用于高压直流输电系统的升压模块化DC‑DC变换器，作为高压直流输电系统的直流采集点。本发明的升压模块化DC‑DC变换器在两端都采用了最先进的MMC。采用特殊的中频解耦变压器，实现了小型化设计。该变换器设计具有模块化、可扩展性、冗余性、电流隔离等特点，并采用低电压电流器件实现。与传统的两个基于三相MMC的DC‑DC变换器相比，该变换器实现了类似的效率，在二次侧减少了66％的SM数量。

技术领域

本发明涉及变压器技术领域，具体为一种用于高压直流输电系统的升压模块化DC-DC变换器。

背景技术

高压直流传输系统(HVDC)是一种成熟的、经过验证的技术，用于远距离传输大规模能源。随着直流输电系统应用的日益增多，不同级别直流输电系统之间的互联变得越来越具有挑战性。高压直流采集网络是一种很有前途的集成技术，旨在消除额外的转换阶段，提高系统的可靠性。目前，利用多模组(由多个换流模块组成)和模块化多电平拓扑结构构建高压大功率DC-DC变换器是实现系统与HVDC集成的关键。高压大功率DC-DC变换器不仅可以作为不同电压级别的DC采集点，还可以作为DC隔离器，清除其中一条高压直流输电线路可能发生的故障；为此现有技术提出如下多种变换器的拓扑结构：

双有源桥式(Dual Active Bridge,DAB)变换器具有：电隔离、双向功率流动和高开关频率的工作能力等，然而，该变换器采用单一功率模块，单一功率模块难以满足高压和大功率的需求，要求功率半导体器件和转换模块的串联和/或并联组合。

此外，由于直流采集点需要提供高压以方便与高压直流输电系统连接，因此通常首选输入并联输出串联(IPOS)配置。已有多篇论文研究了该组合变流器作为高压直流系统的直流采集点，然而，对于这样的变换器，只有在有限的负载和输入电压变化范围内才能实现全软开关操作。此外，由于增加的开关损耗和电磁干扰，极大地限制了变换器的效率和性能。为了解决这个问题，外加大谐振电感通常与变压器连接在一起用来扩展软开关范围，但大电感对变换器的性能有不利影响,因为它会导致增加占空比丢失,以及严重的振铃电压。目前也有学者讨论了用饱和电感代替线性电感的概念，它有效地扩展了软开关的范围，同时有较低的导通损耗，并且没有显著的占空比损耗。但由于需要较大的磁芯用来散热，限制了整个系统的功率密度和大规模应用。

另一方面，基于MMC(模块化多电平换流器)的HVDC系统直流连接点由于其多方面的优点。现有技术提出了一系列由MMC组成的无变压器DC-DC变换器，以适应不同的电压应用，如调谐滤波模块化 DC变换器和推挽模块化多电平DC变换器。然而，由于没有变压器，这些变换器缺乏电气隔离特性。针对这一问题，提出了基于MMC的 DC-DC变换器，通过中频变压器连接，作为HVDC系统的直流采集点。这些变换器包括单向变换器和双向变换器，但基于MMC的单向DC/DC 变换器，由于在二次侧应用了二极管作为整流子模块，无法分别控制有功和无功功率。

由上述可得知，现有的DC-DC变换器应用到高压直流输电系统中会造成半桥子模块的电压应力升高进而导致高压直流输电系统不稳定可靠，且现有的DC-DC变换器需要使用更多的SM(功率子模块或功率元器件)，进而导致DC-DC变换器的高成本。

发明内容

(一)解决的技术问题

本发明提供了一种用于高压直流输电系统的升压模块化DC-DC 变换器，降低高压直流输电系统中半桥子模块的电压应力，提高系统的稳定可靠性，降低该升压模块化DC-DC变换器的成本。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于高压直流输电系统的升压模块化DC-DC变换器，包括以下步骤：

步骤S1：建立升压模块化DC-DC变换器的拓扑结构，其中，三相MMC逆变器产生可控交流电压连接在三相解耦中频变压器的一次侧，升压模块化DC-DC变换器的二次侧的每个去耦相均连接单相MMC 的子模块；