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摘要：高压大容量DC/DC变换器是实现不同电压等级的直流电网线路之间互联的关键设备，也是制约直流电网推广的主要技术瓶颈之一。为此，本文分析了高压直流电网对大容量DC/DC变换器的技术需求，总结了各类DC/DC变换器的特点及其在未来高压直流电网中的应用前景。
关键词：高压直流电网；DC/DC变换器；模块化多电平换流器
与高压直流断路器技术研究已取得的突破性进展相比，目前用于高压直流电网的大容量DC/DC变换器的研究处于电路拓扑、仿真计算、原理样机阶段，尚无工业样机的报道。因此对高压直流电网中的大容量DC/DC变换器的拓扑结构进行梳理和分析，具有重要的理论价值和现实指导意义。
1高压大容量DC/DC变换器的技术需求
1.1直流互联应用
1）快速调节功率，实现功率双向流动。
2）对包含LCC-HVDC（linecommutatedconverters-HVDC，LCC-HVDC）和柔性高压直流系统（voltagesourceconverter-HVDC，VSC-HVDC）2种输电类型的直流电网，由于LCC-HVDC中晶闸管的单向导电性，需要DC/DC变换器改变极性以实现潮流反转。
3）对包含单极和双极2种运行方式的直流电网系统，则需要进行单双极性的变换。
一定的故障电流耐受能力和故障隔离能力。
1.2大规模可再生能源汇集应用
1）高压、高增益。直流电网主干输电线路的电压通常高达数百kV以降低传输损耗，但目前风力发电机组的输出线电压最高只有数kV，因此DC/DC变换器必须具有很大的直流电压增益。
2）大容量。由于当前海上风电场的容量越来越大，对DC/DC变换器的容量要求也很高。
3）功率单向流动。不同于直流互联应用中DC/DC变换器具有双向功率流动能力要求，大规模可再生能源汇集的应用中，系统功率由可再生能源向高压直流电网单向输送。这将有利于简化系统拓扑，降低硬件成本投入。
2大容量DC/DC变换器综述
2.1基于晶闸管的谐振式DC/DC变换器
有关研究提出了一种谐振式两端口DC/DC变换器拓扑，其两端口换流器的交流侧通过并联电容器直接连接，且与直流侧的滤波电感共同构成LCL谐振电路，从而省去了交流变压器，其电路如图1所示。该拓扑无需变压器元件，因此其体积和重量都较小。
基于晶闸管的谐振式DC/DC变换器结合软开关技术，降低了系统损耗，并可实现较大的直流电压增益；由于其开关器件是晶闸管，易满足高电压、大容量的要求，串并联晶闸管间的均压和均流也相对容易，因此该拓扑比较适合在直流电网的应用。
图1晶闸管谐振式DC/DC变换器
但该类拓扑的主要不足在于：1）该拓扑在断续工作模式下虽然实现了软开关，但其输入侧电流谐波含量大，对滤波电感的设计提出了更高的要求。2）需要使用大量的高压交流电容，且低压侧每相桥臂的耐压与高压侧基本相同，因此低压侧的开关器件也要按高压侧的电压等级设计。
2.2模块化多电平DC/DC变换器
2.2.1中大容量高电压变比连接
有学者提出了一种基于模块化多电平换流器（modularmultilevelconverter，MMC）的DC/AC/DC变换器。模块化多电平换流器使用子模块串联的方法，缓解了两电平VSC和三电平VSC中大量功率器件直接串联所面临的驱动一致性的硬性要求，避免了NFC和FCC中随电平数增多而使硬件软件设计难度加大的困境，有很大优势。在基于MMC的柔性直流输电工程中的应用，也充
分说明模块化多电平换流器非常适合高压大容量的能量传输。
又有学者给出了一种适用于大容量小变比应用场合的DC/AC/DC变换器配置，其中MMC变换器采用由切换开关和子模块串联组成的混合型拓扑，如图2所示。由于传输的功率较大，电路中采用三相拓扑。相比单相H桥结构，每相流过的电流较小，易于开关器件选型。因无需获取大变比的要求，图2中中间交流环节直接通过电感相连，并没有采用变压器。中间交流环节可以采用中频500～1000Hz，甚至更高。相比交流50Hz，在满足相同的电容电压波动要求下，子模块的电容容值较小，易于减小装置的体积。此外，中间的交流环节并不一定是正弦波，可以根据系统整体效率和体积等优化指标选择合适的电压波形，如方波或梯形波等。
图2基于混合型MMC无隔离DC/DC变换器
图2中采用了由切换开关和全桥子模块串联组成的混合型MMC拓扑，全桥子模块中IGBT和切换开关中串联的IGBT分别根据直流母线电压和直流侧发生接地故障时的电压进行选型，可以保证该拓扑在不采用变压器的情况下具备直流侧故障阻断能力。
2.2.2中等容量大变比应用场合
一种适用于中等容量大变比应用场合的DC/AC/DC变换器配置，如图3所示。
拓扑中采用单相H桥结构，满足中等容量的应用场合；同时采用了中频变压器，以实现大变比的要求。中频变压器使得两侧直流系统电气隔离，有效防止故障的蔓延。例如，当DC/AC/DC变换器连接两个单极对称系统时，若一侧发生单极接地故障，故障电压使得变压器故障侧绕组对地电压变为正常工作的2倍，但故障电压不会影响到无故障系统。因此，在进行变压器绝缘设计时，还需要考虑到故障情况下变压器的耐压。此外，中高频变压器在实现大容量功率传输的基础上，限制变压器内部多个寄生电容参数也是设计的难点。
图3基于混合型MMC的隔离DC/DC变换器
2.2.3连接LCC系统和VSC系统的应用场合
目前，大多数双端高压直流输电系统中采用基于晶闸管的相控换流器。但正在规划或已经规划的直流输电工程中，很多是基于VSC的柔性直流输电工程。因此，将LCC系统和VSC系统互联的DC/DC变换器具有一定的应用前景。LCC系统和VSC系统中最大的区别在于：当DC/DC变换器与LCC系统相连时，需要DC/DC变换器能够改变电压极性来实现潮流反转，而与VSC系统相连时，需要DC/DC变换器改变电流方向来实现潮流反向。因此，为了能够实现系统中潮流反转控制，连接LCC系统和VSC系统的DC/DC变换器必须保证一端能够改变电压的极性而另一端保持电压极性不变，允许反向电流流过。图4给出了一个满足上述要求的DC/DC变换器的拓扑。图4中，与LCC相连的DC/AC换流器采用全桥MMC换流器，每个桥臂子模块均为全桥结构。由于全桥结构的子模块能够输出正的或负的子模块电压，因此，可以根据潮流的方向选择合适的电压极性。与VSC相连的DC/AC换流器采用半桥MMC换流器，每个桥臂子模块均为半桥结构。在潮流反转时，保持电压极性不变，改变电流方向来实现潮流反向。
图4连接LCC系统和VSC系统的DC/DC变换器
根据不同的应用场合和性能指标，选择不同的拓扑结构。通常，根据传递功率的大小选择采用单相、三相或多相拓扑；依据电压增益的大小选择是否采用中频变压器；根据潮流反转的要求选择合适的桥臂及子模块拓扑。此外，DC/DC变换器中开关损耗的大小也是选择桥臂拓扑的一个重要因素。采用半桥MMC拓扑时开关损耗最小，全桥MMC拓扑的开关损耗为半桥MMC拓扑的2倍多。
3结论
1）针对可再生能源发电的特点，研究成本更低、效率更高的DC/DC变换器及直流组网方案，是大规模可再生能源汇集应用的研究方向之一。
2）模块组合型DC/DC变换器及模块化多电平DC/DC变换器在未来高压直流电网中具有良好的应用前景，而将谐振回路、直接开关DS等引入此类拓扑以进一步提高系统效率、减小系统体积，具有积极意义。为此，开展此类拓扑的理论分析和控制技术研究，是亟待开展的研究领域。
3）高压直流电网是一个“低惯量”系统，其响应时间常数小，因此大容量DC/DC变换器的保护和故障穿越技术的研究是未来的重要内容之一。目前各种大容量DC/DC变换器的拓扑及控制技术研究还在不断的深入和发展中。随着高压直流电网技术日益提上日程，可以预见适用于高压直流电网中的大容量DC/DC变换器的研究亦将成为不远将来的研究重点方向。
参考文献：
[1]舒印彪，张文亮．特高压输电若干关键技术研究[J]．中国电机工程学报，2007，27（31）：1-6．
[2]张文亮，于永清，李光范，等．特高压直流技术研究[J]．中国电机工程学报，2007，27（22）：1-7．