1.3 主要研究內(nèi)容及章節(jié)安排

本書針對應(yīng)用于中低壓直流配電系統(tǒng)中的直流變壓器前沿方案與關(guān)鍵技術(shù)進行了梳理與介紹，具體研究內(nèi)容如下：

第1章為緒論，介紹了中低壓直流配電系統(tǒng)的發(fā)展歷程，詳細闡述了其核心裝備——直流變壓器目前的三大技術(shù)發(fā)展路線，即基于半導(dǎo)體器件串聯(lián)/高壓寬禁帶半導(dǎo)體器件的直流變壓器、基于模塊化多電平換流器的直流變壓器、基于ISOP或ISOS結(jié)構(gòu)的直流變壓器，同時指出其存在的一些問題。

第2章從分析現(xiàn)有ISOP型直流變壓器功率子模塊拓撲結(jié)構(gòu)出發(fā)，歸納了高輸入電壓型直流變換拓撲的構(gòu)造思路，提出了基于新型串聯(lián)式三相橋電路的三相三倍壓DAB（Three-Phase Triple-Voltage DAB，T2-DAB）變換器。變換器直流端口電壓可達全橋結(jié)構(gòu)的3倍，顯著降低了子模塊數(shù)量，有助于提升功率密度。該章節(jié)分析T2-DAB變換器工作原理、建立數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了關(guān)鍵元件參數(shù)的設(shè)計方法及控制策略，分別通過仿真與實驗驗證了該拓撲結(jié)構(gòu)的可行性。并從成本、效率與體積三個角度，對比了基于T2-DAB變換器與現(xiàn)有全橋、半橋、三電平DAB結(jié)構(gòu)的DCT方案，證明了T2-DAB變換器的優(yōu)勢。

第3章首先分析了第2章中所提出的T2-DAB變換器在寬電壓、寬負載范圍內(nèi)的軟開關(guān)特性，并針對其端口電壓不匹配與輕載情況下丟失軟開關(guān)的問題，提出了一種基于非對稱占空比調(diào)制與移相控制的混合控制策略，可以實現(xiàn)寬電壓、寬負載范圍內(nèi)的開關(guān)管零電壓開通，同時降低器件電流應(yīng)力。通過工況劃分與模態(tài)分析，建立了該混合控制策略下的變換器數(shù)學(xué)模型。進一步，考慮開關(guān)管寄生電容與死區(qū)時間的影響，以最小電流應(yīng)力與零電壓開通為目標(biāo)，優(yōu)化了相應(yīng)控制參數(shù)，最后通過實驗進行了驗證。

第4章針對T2-DAB中隔直電容體積較大的問題，引入LLC諧振結(jié)構(gòu)，提出了一種三相三倍壓LLC直流變換器，降低了所需電容值及體積，進一步提升了變換器功率密度。該變換器實現(xiàn)了開關(guān)管零電壓開通，且近似零電流關(guān)斷，相較于T2-DAB變換器降低了開關(guān)損耗，提升了變換效率。針對變壓器兩端直流電壓都較為穩(wěn)定的場合，對該變換器采用開環(huán)控制，簡化了控制系統(tǒng)復(fù)雜性。在此基礎(chǔ)上，研究了不同諧振參數(shù)、開關(guān)管寄生電容等對變換器軟開關(guān)情況的影響，建立了相關(guān)損耗模型，對參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計與研制，最后通過實驗驗證了其可行性。

第5章針對ISOP型直流變壓器，在對比DAB與諧振變換器增益特性與損耗特性的基礎(chǔ)上，提出并研究了一種DAB與諧振變換器組合式ISOP型直流變壓器拓撲結(jié)構(gòu)，兼有DAB變換器靈活電壓/功率控制能力與諧振變換器的高變換效率優(yōu)勢。本章通過建立DAB與諧振變換器組合式ISOP型直流變壓器的電壓、功率數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了DAB與諧振變換器的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計準(zhǔn)則與靈活電壓/功率控制策略，最后通過仿真與實驗驗證了該拓撲結(jié)構(gòu)與控制方案的可行性。

第6章針對傳統(tǒng)ISOP型直流變壓器中壓側(cè)存在集中式電容，導(dǎo)致中壓直流母線故障難以迅速隔離，且故障后重啟速度慢的問題，提出并研究了一種電容間接串聯(lián)式ISOP型直流變壓器拓撲結(jié)構(gòu)，在不增加額外的半橋或其他結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了中壓側(cè)各子模塊電容的相互隔離，解決了中壓側(cè)短路故障處理問題。本章詳細分析了該直流變壓器的工作模態(tài)，提出了基于非對稱占空比控制的電壓調(diào)控策略以及關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計方法，最后基于仿真與實驗驗證了該電容間接串聯(lián)式ISOP型直流變壓器方案的可行性。

第7章提出并研究了一種緊湊型模塊化多電平直流變壓器拓撲，該拓撲在中壓側(cè)采用半橋模塊串聯(lián)降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力，并通過傳輸電感和隔直電容將半橋模塊支路連接至變壓器中壓側(cè)繞組，經(jīng)低壓側(cè)全橋電路實現(xiàn)電能雙向傳輸，其緊湊化結(jié)構(gòu)有利于提升直流變壓器功率密度。同時，該拓撲結(jié)合了MMC變換器和DAB變換器運行特性，具有高電壓輸入、故障易處理以及軟開關(guān)的優(yōu)點。本章在分析該結(jié)構(gòu)運行特性基礎(chǔ)上，改進了準(zhǔn)方波調(diào)制策略，通過調(diào)節(jié)恒投入/切出子模塊的數(shù)量，使得傳輸電感兩端電壓在較寬的電壓增益范圍內(nèi)實現(xiàn)匹配。本章詳細介紹了該直流變壓器的工作原理，并闡述其調(diào)制和控制策略，最后通過仿真和樣機驗證了其可行性。

第8章結(jié)合了模塊化多電平結(jié)構(gòu)與開關(guān)器件串聯(lián)技術(shù)，提出并研究了一種模塊化多電平-串聯(lián)開關(guān)組合式直流變壓器結(jié)構(gòu)，大大減少了模塊化多電平直流變壓器拓撲中所需的子模塊數(shù)量，更利于實現(xiàn)緊湊化結(jié)構(gòu)與高功率密度。另外，通過類方波調(diào)制策略，使得串聯(lián)開關(guān)在零電壓狀態(tài)下實現(xiàn)換流，降低了串聯(lián)開關(guān)器件的均壓難度。本章闡述了該直流變壓器拓撲的工作原理以及參數(shù)設(shè)計方法，并通過仿真與實驗驗證了該拓撲結(jié)構(gòu)與控制策略的可行性。

第9章針對端口電壓不匹配或輕載工況，傳統(tǒng)單移相控制策略下的模塊化多電平-串聯(lián)開關(guān)組合式直流變壓器拓撲存在電流應(yīng)力大、易丟失軟開關(guān)等問題，分別提出了基于子模塊類方波調(diào)制改進的軟開關(guān)優(yōu)化控制、基于低壓側(cè)全橋內(nèi)移相的電感電流優(yōu)化控制以及基于中壓側(cè)全橋換流移相的閥串支路電流優(yōu)化控制三種控制策略，實現(xiàn)了模塊化多電平-串聯(lián)開關(guān)組合式直流變壓在寬電壓、寬負載荷工況下的低電流應(yīng)力、高效率運行。本章詳細分析了三種優(yōu)化控制策略的工作原理，并結(jié)合仿真與實驗進行了驗證。

第10章在第2章研究成果的基礎(chǔ)上，進一步探索了T2-DAB變換器在實際大功率中壓工程中應(yīng)用的可行性。基于實際應(yīng)用需求，本章針對該變換器中的關(guān)鍵元件——大功率三相高頻變壓器，建立了損耗與溫升模型，以變換效率與功率密度為目標(biāo)對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計。最后，通過與許繼電氣公司合作，完成了120kVA/10kHz三相高頻變壓器的研制與測試工作。

第11章針對±10kV/750V/2MW直流配電場景，介紹了一種具有故障隔離能力的開關(guān)電容型ISOP直流變壓器，其采用諧振型DAB變換器作為子模塊，通過在各子模塊中壓側(cè)電容處并聯(lián)額外的半橋模塊，實現(xiàn)了中壓側(cè)短路故障工況下直流變壓器與故障點的快速隔離，從而避免直流變壓器損壞，加快了故障后直流變壓器重啟速度。此外，該半橋模塊實現(xiàn)了諧振型DAB變換器端口電壓匹配，提升了寬電壓范圍內(nèi)子模塊變換效率。本章針對±10kV/750V/2MW應(yīng)用背景，詳細闡述了其參數(shù)設(shè)計與控制方案，由南瑞集團構(gòu)建了相應(yīng)的直流變壓器樣機，完成了正常運行與故障工況的性能測試。