本文是一篇电气自动化论文，本文提出理论并仿真验证了一款应用于风力发电MVDC变换器的基于软开关自取能模块的矩阵型模块化高增益DC-DC变换器，设计PCB并搭建了一个设计指标为250V/750V 100kHz 1.8kW的实验样机。通过实验测试，验证了该变换器理论的正确性。
第一章 绪论
1.1 研究意义和研究背景
随着工业现代化进程不断加快，由于人们对石油、煤炭等化石能源的过度使用，能源危机、全球变暖等问题日益严重[1]。为解决上述问题，各国逐渐把目光投向潮汐能、太阳能、风能、地热能、生物质能等无污染、可持续发展的新能源[3]。其中，风能因蕴量丰富、易于收集、利用率高等优点备受关注，目前已成为新能源中的重要组成部分之一。
全球风能理事会最新发布的《2021年全球风能报告》指出，截至2020年底，全球风力发电总装机容量达到742GW，其中陆上总装机容量为707GW，海上总装机容量为35GW[2]。图1.1给出了2001-2020年全球风力发电总装机容量及增长趋势[4]。由该图可知，在过去20年中，全球风力发电总装机容量的增长趋势不断扩大。该报告还指出，全球风力发电总装机容量预计将在2030年达到2300GW，占世界发电总量的22%。
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1.2 海上风力发电输电技术
现阶段，根据风力发电机容量和离岸距离的不同，海上风力发电主要分为两种传输方式：高压交流系统并网传输和高压直流系统并网传输[9][10]。
1.2.1 高压交流系统并网传输
对于容量较小，风力发电机离岸距离较近的海上风力发电场，现阶段通常选用高压交流系统并网传输方式，如图1.4所示。在该方式中，由于风力发电机输出端电压不稳定，首先需要经过一个LVAC变换器将风力发电机的输出电压(0.6-3.3kV AC)转换成1-5kV AC。随后，通过MVAC变换器升压至30-50kV AC，并入MVAC总线。最后，通过HVDC变换器升压至150kV DC，并入HVDC总线[11]。在上述过程中，LVAC变换器和MVAC变换器为交流并网传输，均采用了工频变压器。然而，工频变压器十分笨重，且体积庞大，这极大地增加了传输系统的成本和设计难度。同时，LVAC变压器一般放置于风力发电机的机舱内，这也明显增加了机舱重量和机械负载。此外，随着风力发电场离岸距离不断增加，海底电缆接地电容的影响变得不可忽视，传输系统的无功功率明显增大，工作效率显著降低。上述缺点导致海上风力发电场的远海发展受到一定限制[12]。
1.2.2 高压直流系统并网传输方式
鉴于上一节中高压交流系统并网传输方式存在的问题，学者们提出了高压直流输电汇流传输方式[13]，如图1.5所示。在该方式中，由于风力发电机输出端电压不稳定，首先需要经过整流变换器将风力发电机的输出电压(0.6-3.3kV AC)转换为1-5kV DC；其次，通过MVDC变换器，将1-5kV DC转换到30-50kV DC并入直流电网；最后，通过HVDC变换器升压至150kV DC，并入HVDC总线[14][15]。该传输方式中后两级均采用了DC-DC变换器，可明显降低传导损耗。此外，由于省去了笨重的工频变压器，相关设备的设计和制造成本也明显降低。在该传输方式中，提到了MVDC变换器和HVDC变换器，这两种变换器的特点具有一定区别。其中，MVDC变换器的主要特点为高增益，该增益通常需要达到十几甚至几十。而HVDC变换器更侧重点于大功率等要求[16]。通常情况下，HVDC变换器在海上平台搭建，平台对变换器质量和体积的要求相对较小，且该系统的电压和功率等级很高。因此，HVDC变换器一般采用隔离型DC-DC变换器。相比于HVDC变换器，MVDC变换器的电压等级相对较低，且该系统的部分装置漂浮在海上。因此，系统对该装置的体积、质量等要求较高[17]。目前，MVDC变换器中既有隔离型DC-DC变换器，也有非隔离型DC-DC变换器。本文将主要针对风力发电高压直流系统并网传输方式中MVDC变换器进行研究。
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第二章 矩阵型模块化高增益DC-DC变换器的研究
2.1 串联型高增益DC-DC变换器
2.1.1 拓扑演绎
以Boost电路为基础，通过将输出电容串联在输入电压侧，即可得到如图2.1所示的一种新型Boost电路。该拓扑可通过控制占空比，实现对电压增益的调节。理论上，该新型Boost电路可以通过控制占空比无限接近于1实现高增益。然而，当占空较大时，半导体器件的电压应力明显增加。此外，二极管也会存在严重的反向恢复损耗。上述缺点严重限制了该拓扑在高电压、高增益等场景的应用。
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2.2 矩阵型模块化高增益DC-DC变换器
2.2.1矩阵型模块化高增益DC-DC变换器的结构特性
为解决串联型高增益DC-DC变换器中各级子模块电流应力不均的问题，本节将在串联型高增益DC-DC变换器的基础上进行结构优化，提出一种新型结构变换器，如错误!未找到引用源。所示。由于该变换器由多个子模块串并联构成，结构外形为矩阵型。因此，称该变换器为矩阵型模块化高增益DC-DC变换器。与串联型高增益DC-DC变换器相比，矩阵型模块化高增益DC-DC变换器各级由数量不等的子模块并联组成。以第一级为例，该级由n个子模块并联而成，分别为模块(1,1)至模块(1,n)。由2.1节分析可知，矩阵型模块化高增益DC-DC变换器中各级电流应力同样呈线性变化。因此，通过子模块数量逐级呈线性变换，该变换器实现了所有子模块具有相同的电压电流应力。
矩阵型模块化高增益DC-DC变换器虽然具有均压、均流、低电压电流应力、可扩容增压等优点，但子模块中半导体器件均工作在硬开关状态。因此，该变换器存在较大的开关损耗，这一问题严重影响了该变换器的效率，还大大增加了散热系统设计的复杂性。此外，随着电压等级的提升，高位的子模块中开关管的驱动电路难以获得供电，这一问题限制了该变换器中子模块的串联级数，进而限制了该变换器的电压增益。综上所述，矩阵型模块化高增益DC-DC变换器中子模块还需要完善，本节将详细分析目前上述问题的主要解决方案。
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第三章 矩阵型模块化高增益DC-DC变换器软开关自取能模块的研究 ................. 23
3.1 软开关自取能模块介绍 ........................... 23
3.1.1 软开关自取能模块的拓扑结构 ................................... 23
3.1.2 软开关自取能模块的工作原理 ............................... 24
第四章 基于软开关自取能模块的矩阵型模块化高增益DC-DC变换器的性能分析 . 43
4.1 电压增益分析 ............................ 43
4.2 控制系统设计 ................................... 44
第五章 仿真分析与实验验证 ................................. 57
5.1 仿真分析 .................................... 57
5.1.1 仿真参数选择 .................................... 57
5.1.2 仿真结果 ................................... 58
第五章 仿真分析与实验验证
5.1 仿真分析
本小节将利用MATLAB/Simulink平台建立基于软开关自取能模块的矩阵型模块化高增益DC-DC变换器的仿真模型，并进行仿真验证分析
5.1.1 仿真参数选
根据风力发电MVDC变换器的实际指标，本小节提出了相应的仿真参数，具体电路参数见表5.1。
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第六章 总结与展望
6.1 本文的主要工作
本文取得的成果如下： 提出理论并仿真验证了一款应用于风力发电MVDC变换器的基于软开关自取能模块的矩阵型模块化高增益DC-DC变换器，设计PCB并搭建了一个设计指标为250V/750V 100kHz 1.8kW的实验样机。通过实验测试，验证了该变换器理论的正确性。
总结本文的研究和解决的问题，可归纳为以下几点：
1.针对风力发电MVDC变换器需要一种高电压、高增益、大功率的非隔离型DC-DC变换器，本文从一种新型Boost电路的设计思路出发，通过对该电路进行拓扑演绎，提出一种串联型高增益DC-DC变换器。针对该变换器存在各级模块电流应力不均等问题，本文分析了各级子模块电流应力的关系，通过对该变换器的结构进行优化，提出一种矩阵型模块化高增益DC-DC变换器。该变换器可通过调整子模块的数量，将不同等级的电流应力平均到每个子模块，从而实现所有子模块的均压、均流，从而使得所有子模块具有相同的电气参数，可通过子模块累积实现变换器的电压提升和功率扩容。
2. 针对矩阵型模块化高增益DC-DC变换器中半导体器件工作在硬开关条件、高电位子模块中开关管驱动困难等问题，提出了一种适用于该变换器的软开关自取能模块。该模块通过将开关管开断过程中产生的能量转移至高电位模块的自取能供电侧，实现了软开关与高电位自取能供电优化融合。该方法不但解决了软开关和自取能驱动两个关键问题，又提升了功率密度和效率，降低了成本，更突破了矩阵型模块化高增益DC-DC变换器的设计瓶颈。
参考文献（略）