[发明专利]模块化多电平直流变压器及其调制方法

说明书

本发明提供了一种模块化多电平直流变压器及其调制方法，其中直流变压器，包括变压器子模块；所述变压器子模块包括一次侧部分、二次侧部分以及储能电容部分；所述一次侧部分、二次侧部分以及储能电容部分这三个部分级联；所述储能电容部分包括电容；所述一次侧部分、二次侧部分均通过反向串联的开关管与储能电容部分相连接。本发明拓扑结构无内部交流链接变压器，实现直流初级侧与直流次级侧的直接功率变换，提升传输效率，减小装置体积；拓扑的模块化结构增大系统冗余度，能够提升装置可靠性；新型子模块的应用，能够实现直流变压器系统变比的大范围在线调节功能。

技术领域

本发明涉及直流输电领域与电力电子变换器设计和控制领域，具体地，涉及一种模块化多电平直流变压器及其调制方法，尤其涉及一种模块化多电平直流变压器的拓扑设计与运行控制。

背景技术

直流电网是未来电网发展的重要方向。中高压大容量直流变压器，是直流电网的关键核心元件之一。国内外学者对直流变压器的研究已经日益深入，并提出了多种拓扑结构。谐振型直流变压器从低压开关电源发展而来，具有高功率密度、高变化效率的优点，但其电感电容参数设计复杂，且开关器件耐压耐流能力有限，因此难以直接推广应用到高压大容量场合。

应用于中高压大容量场景的直流变压器，大多采用模块化结构，主要可以分成隔离型和非隔离型两大类拓扑。

传统隔离型直流变压器，通常利用交流变压器实现一次侧与二次侧的电气隔离，如图1所示。该方案需要经过直流-交流-交流-直流的多级能量变换，传输效率较低，且体积庞大。同时，该方案每桥臂均由大量开关器件串联构成，以满足高压场合应用的需要，串联子模块的均衡设计难度很大。在此基础上，有学者借鉴模块化多电平换流器(MMC)的思路，将桥臂改为MMC结构，如图2所示。该方案解决了桥臂串联器件的均衡控制问题，但交流变压器带来的传输效率低，体积庞大的问题依然存在。同样借鉴MMC思路，有学者提出了将双有源桥(DAB)进行串并联组合的方案，如图3所示。该方案将DAB进行输入串联/并联、输出串联/并联，以此满足高压大容量应用的要求。同时，该方案还利用提高调制频率的办法，减小装置体积。该方案难点在于控制器需要考虑各DAB模块之间的均衡，设计难度较大。此外，该模块化DAB方案需要利用高频变压器来减小装置体积，而适用于大容量应用场景的高频变压器目前存在较大设计和制造难度。

非隔离型直流变压器，同样主要采用MMC结构，但省去了其中的交流变压器部分。如图4所示是一种基于链式模块的直接耦合式模块化多电平直流变压器，与隔离型拓扑相比成本和体积都有显著下降。如图5所示是一种基于新型子模块结构的直流变压器，基于共享电容和模块化投切的思路，同样显著减小装置体积和成本，且具有变比动态调节能力，但其子模块结构较为复杂，控制策略设计较复杂。

综上所述，尽管现有文献已经针对直流变压器提出多种拓扑，但尚有以下问题需要解决：

1、如何提升直流变压器的系统电能变换效率？

2、如何提升直流变压器的系统安全稳定运行能力？

3、如何实现直流变压器的直流变比大范围在线调节？

因此，提供一种模块化多电平直流变压器及其调制方法具有较高的实用价值和现实意义。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种模块化多电平直流变压器及其调制方法。

根据本发明提供的一种模块化多电平直流变压器，包括变压器子模块；

所述变压器子模块包括一次侧部分、二次侧部分以及储能电容部分；所述一次侧部分、二次侧部分以及储能电容部分这三个部分级联；

所述储能电容部分包括电容；

所述一次侧部分、二次侧部分均通过反向串联的开关管与储能电容部分相连接。