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前言

為了應(yīng)對因過度依賴化石能源所造成的生態(tài)環(huán)境問題和能源安全問題,推動(dòng)社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的綠色低碳轉(zhuǎn)型,我國大力發(fā)展光伏、風(fēng)電等可再生清潔能源,積極構(gòu)建清潔、低碳、安全、高效的能源體系。構(gòu)建含有新能源大規(guī)模接入的能源互聯(lián)網(wǎng),要求電網(wǎng)必須具備潮流柔性控制、多形態(tài)能源負(fù)荷接入等功能。在此背景下,傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)暴露出供電容量不足、潮流調(diào)節(jié)困難、電能質(zhì)量難以保障等問題,且對直流負(fù)荷兼容性差、分布式新能源消納能力不足。相比于傳統(tǒng)交流配電技術(shù),直流配電技術(shù)具有供電容量更大、方便靈活接入各類直流負(fù)荷與分布式新能源的特點(diǎn)。其中,直流變壓器可以實(shí)現(xiàn)母線電壓控制、不同電壓等級母線間的電氣隔離、雙向潮流調(diào)度、故障阻斷等功能,是直流配電網(wǎng)的核心設(shè)備之一。

應(yīng)用于中低壓直流配電系統(tǒng)的直流變壓器應(yīng)具備中壓變換與電氣隔離功能。而受限于現(xiàn)有商用半導(dǎo)體器件的電壓、功率等級,傳統(tǒng)隔離型直流變換拓?fù)潆y以適用于中壓場合。為實(shí)現(xiàn)中壓直流母線接入,目前隔離型直流變壓器主要有三種解決思路:一是半導(dǎo)體器件串聯(lián)或采用高壓寬禁帶半導(dǎo)體器件;二是采用模塊化多電平變換器結(jié)構(gòu);三是采用輸入串聯(lián)、輸出并聯(lián)或輸入串聯(lián)、輸出串聯(lián)結(jié)構(gòu)。本書將從這三種思路對應(yīng)用于中低壓直流配電系統(tǒng)的直流變壓器進(jìn)行詳細(xì)梳理與闡述,并介紹近年來作者所在東南大學(xué)實(shí)驗(yàn)室所取得的研究成果和工程應(yīng)用實(shí)例。懇請電力電子界、電力系統(tǒng)界的各位前輩和同行批評指正,提出寶貴意見和建議。

本書共分為11章。第1章介紹中低壓直流配電系統(tǒng)的概念和發(fā)展歷程,并闡述直流變壓器的研究現(xiàn)狀,包括目前直流變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制方法,以及存在的問題。第2章歸納高輸入電壓型直流變換器拓?fù)涞臉?gòu)造思路,提出一種三相三倍壓DAB(Three-Phase Triple-Voltage DAB, T2-DAB)變換器作為輸入串聯(lián)、輸出并聯(lián)(Input Series Output Parallel, ISOP)型直流變壓器的功率模塊,分析其工作原理、關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)方法和控制策略。第3章提出一種基于非對稱占空比調(diào)制與移相控制的混合優(yōu)化控制策略,可實(shí)現(xiàn)T2-DAB變換器在寬電壓、全負(fù)載范圍內(nèi)的開關(guān)管零電壓開通,同時(shí)降低器件電流應(yīng)力。第4章提出一種三相三倍壓LLC(Three-Phase Triple-Voltage LLC,T2-LLC)諧振變換器,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,并據(jù)此建立損耗模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。第5章對比分析DAB變換器與串聯(lián)諧振變換器(Series Resonant Converter, SRC),提出一種DAB/SRC變換器組合式ISOP型直流變壓器,該變換器兼具DAB變換器靈活電壓/功率控制能力與SRC高變換效率的優(yōu)勢。第6章提出一種電容間接串聯(lián)式ISOP型直流變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),解決了中壓側(cè)短路故障處理問題,分析該直流變壓器的工作模態(tài),提出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(jì)方法。第7章提出一種緊湊型模塊化多電平直流變壓器拓?fù)洌⒔Y(jié)合該拓?fù)溥\(yùn)行特性,提出一種基于恒投入/恒切出子模塊的寬電壓增益范圍準(zhǔn)方波調(diào)制策略。第8章結(jié)合模塊化多電平結(jié)構(gòu)與開關(guān)器件串聯(lián)技術(shù),提出一種模塊化多電平-串聯(lián)開關(guān)組合式直流變壓器拓?fù)洌⒎治銎涔ぷ髟怼⒖刂撇呗砸约皡?shù)設(shè)計(jì)方法。第9章提出基于子模塊類方波調(diào)制改進(jìn)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、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(shí)現(xiàn)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(fù)荷工況下的低電流應(yīng)力、高效率運(yùn)行。第10章針對T2-DAB變換器中的關(guān)鍵元件——大功率三相高頻變壓器,建立損耗與溫升模型,以變換效率與功率密度為目標(biāo)對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并完成120kVA/10kHz三相高頻變壓器的研制與測試工作。第11章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,并以南瑞集團(tuán)有限公司研制的±10kV/750V/2MW直流變壓器樣機(jī)為例,分析其子模塊以及直流變壓器整體系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)與控制方案,并給出測試結(jié)果。

作者所在東南大學(xué)課題組的同學(xué)先后參與了研究工作,他們是舒良才、薛晨煬、姚金杰、金浩哲、李容冠等。他們努力、勤奮,付出了勞動(dòng)和心血,為課題的研究做出了重要貢獻(xiàn),在此對他們表示衷心感謝。

本書相關(guān)的研究工作得到了國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金(51922028)、國家電網(wǎng)有限公司科技項(xiàng)目(SGJSDK00PW2000236)的資助,在編寫過程中,得到了許繼電氣股份有限公司和南瑞集團(tuán)有限公司等單位的大力支持和幫助,在此也表示衷心的感謝。

本書的出版得到了機(jī)械工業(yè)出版社的大力支持,特此致謝!

作者

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