1团队介绍

　　蔡旭教授带领的上海交通大学风力发电研究中心具有新能源及直流电源储能电力变换与并网、风电变流器及整机控制、新能源直流电源并网等研究方向，由9位教师、1位博士后研究人员、1位工程师、40余位博士、硕士生组成，发表相关论文300余篇，获40余项国家发明专利授权。

　　风电直流电源并网研究小组致力于大型海上风电直流电源汇聚与并网中的关键变换器、柔性直流电源组网方式与控制保护、风场柔直并网系统稳定性的研究。研究小组目前共有博士研究生7人，教师2人。近3年来在直流电源方向发表论文30余篇，申请发明专利20余项。与南网电气科学院、中国电科院、全球能源互联网研究院、甘肃风电研究中心、上海电气、FUJI电机、英国Aberdeen大学、挪威NTNU和加拿大SFU等大学和科研机构在柔性直流电源输电领域建立了广泛的合作关系。

　　蔡旭（1964），上海交通大学教授，博士生导师。研究方向为可再生能源电力变换与并网技术。作为第一完成人获省部级科技进步二等奖2项、三等奖4项、国内发明专利授权15项；出版专著1部，发表论文300余篇。2005年起与上海电气集团合作，完成1.25MW、2MW和3.6MW风电变流器、1.25~3.6MW风机主控制器、2MW电动独立变桨系统的研发任务，受华锐风电委托开发了3MW全功率风电变流器，并担任崇明岛智能电网综合集成示范的技术负责人。近年来致力于风场直流电源并网技术的研究，培养博士17人，硕士80余人。

　　游洪程（1992），男，博士研究生，研究方向为高压大功率变换器和高压直流电源输电技术，hc_you@sjtu.edu.cn。

2项目背景

　　柔性直流电源技术是解决新能源并网的有效技术手段之一，直流电源变压器是连接不同直流电源电压、构建直流电源电网的关键设备。由于直流电源输电系统的电压等级高，传统的斩波型DC直流稳压电源/DC直流稳压电源变换器并不适用。基于模块化多电平变换器(modular multilevel converter，MMC)的DC直流稳压电源/AC/DC直流稳压电源变换器能实现高压直流电源电压的变换，但其需要两级DC直流稳压电源/AC变换，且中间交流环节需要交流变压器，因此整体成本高、效率低。

3论文所解决的问题及意义

　　本文提出了一种基于链式子模块的直接耦合式直流电源变压器拓扑，与基于MMC的DC直流稳压电源/AC/DC直流稳压电源变换器相比，该拓扑所需的子模块数更少，且无需中间交流变压器。本文还提出了一种阶梯波两电平调制方法，与传统的正弦波调制方法相比，该调制方式开关频率更低、交流环流更小、所需的子模块电容大大减小，因此可有效降低变换器的成本、体积和损耗。　

4论文重点内容

　　1）拓扑结构和工作原理

　　本文提出的直接耦合式直流电源变压器拓扑如图1所示，直流电源变压器用于连接电压等级不同的直流电源输电系统UDC直流稳压电源1和UDC直流稳压电源2，其中UDC直流稳压电源1>UDC直流稳压电源2。该拓扑上桥臂由桥臂电感La和n个半桥型子模块(链式模块1)串联而成，下桥臂由n个半桥型子模块(链式模块2)串联而成，其中半桥型子模块如图1所示。桥臂中点通过一个滤波电感Lf与低压侧电压源UDC直流稳压电源2连接。

图1  直接耦合式直流电源变压器拓扑

　　变换器的基本工作波形如图2所示，链式模块1和2均工作在阶梯波两电平PWM模式下，开关周期为T，占空比分别为(1-d)和d。与两电平调制不同，阶梯波两电平调制可有效降低变换器的dv/dt应力。链式模块2输出电压uCl2 相对于链式模块1输出电压uCl1 存在相移，移相占空比为ds。变换器通过调节占空比d来调节输出电压，通过调节移相占空比ds来实现链式模块1和2的能量均衡。

图2  阶梯波准两电平调制主要波形

2）损耗分析

　本文详细分析了变换器的开关损耗与导通损耗。图3给出了不同变比下，开关损耗和导通损耗占直流电源变压器总传输功率的百分比数。其中直流电源变压器的开关频率取200Hz，子模块中IGBT采用ABB公司的5SNA 1000N330300 IGBT模块。从图中可以看到变换器的损耗在1%以内，能满足高压直流电源变压器高效率的要求。

图3  开关损耗与导通损耗所占百分比

5结论

　　本文提出了基于阶梯波两电平调制的直接耦合式直流电源变压器，大幅降低了直流电源变压器的成本与损耗，具有以下特点：1）不需要交流变压器；2）阶梯波准两电平调制策略能有效降低链式模块输出电压的dv/dt；3）每个子模块一个周期内只投入和切除一次，开关频率更低；4）交流环流小；5）所需的子模块电容容值相比正弦波调制更小。

6引文信息

游洪程, 蔡旭. 应用于直流电源电网的直接耦合式直流电源变压器[J]. 中国电机工程学报, 2017, 37(9): 2516-2524.

You Hongcheng, Cai Xu. Direct-coupled DC直流稳压电源 transformers applied to DC直流稳压电源 Grids [J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(9): 2516-2524 (in Chinese).