1.3 主要研究內容及章節安排

本書針對應用于中低壓直流配電系統中的直流變壓器前沿方案與關鍵技術進行了梳理與介紹，具體研究內容如下：

第1章為緒論，介紹了中低壓直流配電系統的發展歷程，詳細闡述了其核心裝備——直流變壓器目前的三大技術發展路線，即基于半導體器件串聯/高壓寬禁帶半導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結構的直流變壓器，同時指出其存在的一些問題。

第2章從分析現有ISOP型直流變壓器功率子模塊拓撲結構出發，歸納了高輸入電壓型直流變換拓撲的構造思路，提出了基于新型串聯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構的3倍，顯著降低了子模塊數量，有助于提升功率密度。該章節分析T2-DAB變換器工作原理、建立數學模型，推導了關鍵元件參數的設計方法及控制策略，分別通過仿真與實驗驗證了該拓撲結構的可行性。并從成本、效率與體積三個角度，對比了基于T2-DAB變換器與現有全橋、半橋、三電平DAB結構的DCT方案，證明了T2-DAB變換器的優勢。

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、寬負載范圍內的軟開關特性，并針對其端口電壓不匹配與輕載情況下丟失軟開關的問題，提出了一種基于非對稱占空比調制與移相控制的混合控制策略，可以實現寬電壓、寬負載范圍內的開關管零電壓開通，同時降低器件電流應力。通過工況劃分與模態分析，建立了該混合控制策略下的變換器數學模型。進一步，考慮開關管寄生電容與死區時間的影響，以最小電流應力與零電壓開通為目標，優化了相應控制參數，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諧振結構，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。該變換器實現了開關管零電壓開通，且近似零電流關斷，相較于T2-DAB變換器降低了開關損耗，提升了變換效率。針對變壓器兩端直流電壓都較為穩定的場合，對該變換器采用開環控制，簡化了控制系統復雜性。在此基礎上，研究了不同諧振參數、開關管寄生電容等對變換器軟開關情況的影響，建立了相關損耗模型，對參數進行了優化設計與研制，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構，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、功率數學模型，推導了DAB與諧振變換器的關鍵參數設計準則與靈活電壓/功率控制策略，最后通過仿真與實驗驗證了該拓撲結構與控制方案的可行性。

第6章針對傳統ISOP型直流變壓器中壓側存在集中式電容，導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式ISOP型直流變壓器拓撲結構，在不增加額外的半橋或其他結構基礎上，實現了中壓側各子模塊電容的相互隔離，解決了中壓側短路故障處理問題。本章詳細分析了該直流變壓器的工作模態，提出了基于非對稱占空比控制的電壓調控策略以及關鍵參數設計方法，最后基于仿真與實驗驗證了該電容間接串聯式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，該拓撲在中壓側采用半橋模塊串聯降低開關管的電壓應力，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繞組，經低壓側全橋電路實現電能雙向傳輸，其緊湊化結構有利于提升直流變壓器功率密度。同時，該拓撲結合了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的優點。本章在分析該結構運行特性基礎上，改進了準方波調制策略，通過調節恒投入/切出子模塊的數量，使得傳輸電感兩端電壓在較寬的電壓增益范圍內實現匹配。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章結合了模塊化多電平結構與開關器件串聯技術，提出并研究了一種模塊化多電平-串聯開關組合式直流變壓器結構，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量，更利于實現緊湊化結構與高功率密度。另外，通過類方波調制策略，使得串聯開關在零電壓狀態下實現換流，降低了串聯開關器件的均壓難度。本章闡述了該直流變壓器拓撲的工作原理以及參數設計方法，并通過仿真與實驗驗證了該拓撲結構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，傳統單移相控制策略下的模塊化多電平-串聯開關組合式直流變壓器拓撲存在電流應力大、易丟失軟開關等問題，分別提出了基于子模塊類方波調制改進的軟開關優化控制、基于低壓側全橋內移相的電感電流優化控制以及基于中壓側全橋換流移相的閥串支路電流優化控制三種控制策略，實現了模塊化多電平-串聯開關組合式直流變壓在寬電壓、寬負載荷工況下的低電流應力、高效率運行。本章詳細分析了三種優化控制策略的工作原理，并結合仿真與實驗進行了驗證。

第10章在第2章研究成果的基礎上，進一步探索了T2-DAB變換器在實際大功率中壓工程中應用的可行性。基于實際應用需求，本章針對該變換器中的關鍵元件——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對結構參數進行了優化設計。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電容處并聯額外的半橋模塊，實現了中壓側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，該半橋模塊實現了諧振型DAB變換器端口電壓匹配，提升了寬電壓范圍內子模塊變換效率。本章針對±10kV/750V/2MW應用背景，詳細闡述了其參數設計與控制方案，由南瑞集團構建了相應的直流變壓器樣機，完成了正常運行與故障工況的性能測試。