1.3 主要研究内容及章节安排

本书针对应用于中低压直流配电系统中的直流变压器前沿方案与关键技术进行了梳理与介绍，具体研究内容如下：

第1章为绪论，介绍了中低压直流配电系统的发展历程，详细阐述了其核心装备——直流变压器目前的三大技术发展路线，即基于半导体器件串联/高压宽禁带半导体器件的直流变压器、基于模块化多电平换流器的直流变压器、基于ISOP或ISOS结构的直流变压器，同时指出其存在的一些问题。

第2章从分析现有ISOP型直流变压器功率子模块拓扑结构出发，归纳了高输入电压型直流变换拓扑的构造思路，提出了基于新型串联式三相桥电路的三相三倍压DAB（Three-Phase Triple-Voltage DAB，T2-DAB）变换器。变换器直流端口电压可达全桥结构的3倍，显著降低了子模块数量，有助于提升功率密度。该章节分析T2-DAB变换器工作原理、建立数学模型，推导了关键元件参数的设计方法及控制策略，分别通过仿真与实验验证了该拓扑结构的可行性。并从成本、效率与体积三个角度，对比了基于T2-DAB变换器与现有全桥、半桥、三电平DAB结构的DCT方案，证明了T2-DAB变换器的优势。

第3章首先分析了第2章中所提出的T2-DAB变换器在宽电压、宽负载范围内的软开关特性，并针对其端口电压不匹配与轻载情况下丢失软开关的问题，提出了一种基于非对称占空比调制与移相控制的混合控制策略，可以实现宽电压、宽负载范围内的开关管零电压开通，同时降低器件电流应力。通过工况划分与模态分析，建立了该混合控制策略下的变换器数学模型。进一步，考虑开关管寄生电容与死区时间的影响，以最小电流应力与零电压开通为目标，优化了相应控制参数，最后通过实验进行了验证。

第4章针对T2-DAB中隔直电容体积较大的问题，引入LLC谐振结构，提出了一种三相三倍压LLC直流变换器，降低了所需电容值及体积，进一步提升了变换器功率密度。该变换器实现了开关管零电压开通，且近似零电流关断，相较于T2-DAB变换器降低了开关损耗，提升了变换效率。针对变压器两端直流电压都较为稳定的场合，对该变换器采用开环控制，简化了控制系统复杂性。在此基础上，研究了不同谐振参数、开关管寄生电容等对变换器软开关情况的影响，建立了相关损耗模型，对参数进行了优化设计与研制，最后通过实验验证了其可行性。

第5章针对ISOP型直流变压器，在对比DAB与谐振变换器增益特性与损耗特性的基础上，提出并研究了一种DAB与谐振变换器组合式ISOP型直流变压器拓扑结构，兼有DAB变换器灵活电压/功率控制能力与谐振变换器的高变换效率优势。本章通过建立DAB与谐振变换器组合式ISOP型直流变压器的电压、功率数学模型，推导了DAB与谐振变换器的关键参数设计准则与灵活电压/功率控制策略，最后通过仿真与实验验证了该拓扑结构与控制方案的可行性。

第6章针对传统ISOP型直流变压器中压侧存在集中式电容，导致中压直流母线故障难以迅速隔离，且故障后重启速度慢的问题，提出并研究了一种电容间接串联式ISOP型直流变压器拓扑结构，在不增加额外的半桥或其他结构基础上，实现了中压侧各子模块电容的相互隔离，解决了中压侧短路故障处理问题。本章详细分析了该直流变压器的工作模态，提出了基于非对称占空比控制的电压调控策略以及关键参数设计方法，最后基于仿真与实验验证了该电容间接串联式ISOP型直流变压器方案的可行性。

第7章提出并研究了一种紧凑型模块化多电平直流变压器拓扑，该拓扑在中压侧采用半桥模块串联降低开关管的电压应力，并通过传输电感和隔直电容将半桥模块支路连接至变压器中压侧绕组，经低压侧全桥电路实现电能双向传输，其紧凑化结构有利于提升直流变压器功率密度。同时，该拓扑结合了MMC变换器和DAB变换器运行特性，具有高电压输入、故障易处理以及软开关的优点。本章在分析该结构运行特性基础上，改进了准方波调制策略，通过调节恒投入/切出子模块的数量，使得传输电感两端电压在较宽的电压增益范围内实现匹配。本章详细介绍了该直流变压器的工作原理，并阐述其调制和控制策略，最后通过仿真和样机验证了其可行性。

第8章结合了模块化多电平结构与开关器件串联技术，提出并研究了一种模块化多电平-串联开关组合式直流变压器结构，大大减少了模块化多电平直流变压器拓扑中所需的子模块数量，更利于实现紧凑化结构与高功率密度。另外，通过类方波调制策略，使得串联开关在零电压状态下实现换流，降低了串联开关器件的均压难度。本章阐述了该直流变压器拓扑的工作原理以及参数设计方法，并通过仿真与实验验证了该拓扑结构与控制策略的可行性。

第9章针对端口电压不匹配或轻载工况，传统单移相控制策略下的模块化多电平-串联开关组合式直流变压器拓扑存在电流应力大、易丢失软开关等问题，分别提出了基于子模块类方波调制改进的软开关优化控制、基于低压侧全桥内移相的电感电流优化控制以及基于中压侧全桥换流移相的阀串支路电流优化控制三种控制策略，实现了模块化多电平-串联开关组合式直流变压在宽电压、宽负载荷工况下的低电流应力、高效率运行。本章详细分析了三种优化控制策略的工作原理，并结合仿真与实验进行了验证。

第10章在第2章研究成果的基础上，进一步探索了T2-DAB变换器在实际大功率中压工程中应用的可行性。基于实际应用需求，本章针对该变换器中的关键元件——大功率三相高频变压器，建立了损耗与温升模型，以变换效率与功率密度为目标对结构参数进行了优化设计。最后，通过与许继电气公司合作，完成了120kVA/10kHz三相高频变压器的研制与测试工作。

第11章针对±10kV/750V/2MW直流配电场景，介绍了一种具有故障隔离能力的开关电容型ISOP直流变压器，其采用谐振型DAB变换器作为子模块，通过在各子模块中压侧电容处并联额外的半桥模块，实现了中压侧短路故障工况下直流变压器与故障点的快速隔离，从而避免直流变压器损坏，加快了故障后直流变压器重启速度。此外，该半桥模块实现了谐振型DAB变换器端口电压匹配，提升了宽电压范围内子模块变换效率。本章针对±10kV/750V/2MW应用背景，详细阐述了其参数设计与控制方案，由南瑞集团构建了相应的直流变压器样机，完成了正常运行与故障工况的性能测试。