一种推挽式直流自耦变压器的制作方法

[0001]
本发明属于电力系统输配电技术领域，更具体地，涉及一种推挽式直流自耦变压器。


背景技术：

[0002]
随着新能源发电的快速发展，高压直流输电(high voltage direct current transmission，hvdc)技术得到了社会的广泛关注与研究，全球现已建设运行了多条高压直流输电线路。与此同时，柔性直流输电技术的日渐成熟和多端直流输电系统的成功试运行，将不同直流输电系统进行互联，构建直流电网的技术可行性与优势性也愈加明显。大容量、多电压等级是未来直流电网的发展趋势之一，而直流变压器(或称为直流-直流变换器)作为互联多电压等级直流输电系统必不可少的关键技术装备，具有重大研究意义。
[0003]
现有的高压大功率直流变压器按其实现方式主要可划分为两大类，第一类是采用多组低压低功率直流-直流变换器进行串并联组合实现总体的高压大功率，第二类是直接采用高压大功率换流器拓扑结构与附加电气设备(左文平等“直流-直流自耦变压器控制与直流故障隔离”，《中国电机工程学报》，2016，36(9):2398-2407)。
[0004]
双有源桥(dual active bridge，dab)组合型直流-直流变换器是上述第一类直流变压器的一种典型拓扑结构，其具体实施方式是将单个双有源桥直流-直流变换器作为子模块，对多个双有源桥进行串联与并联操作。其中，低压直流系统侧的双有源桥端口之间更多地采用并联形式，以实现总体工作电流的提高，高压直流系统侧的双有源桥端口之间更多地采用串联形式，以实现总体工作电压的提高。双有源桥组合型直流-直流变换器虽具备双有源桥已有的一些优点，如可实现软开关，但也面临着不同双有源桥间电压均压和电流均流、系统控制策略复杂以及成本造价高等难题。
[0005]
面对面型直流-直流变换器是上述第二类直流变压器的一种典型拓扑结构，其具体实施方式是构建两个换流器，两个换流器的直流端口分别与低压第一直流系统和高压第二直流系统的直流端相连，两个换流器的交流端口通过电抗器或变压器等交流电路相连。以第一直流系统向第二直流系统传输功率为例，其工作原理如下：换流器一将第一直流系统输出的直流功率转换为交流功率，然后通过交流电路传输到换流器二，换流器二再将交流功率转换为直流功率，最终传输给第二直流系统。上述直流变压器的显著特征是两个直流系统间没有直接的电气连接，通过交流电路实现了电气隔离。面对面型直流-直流变换器采用的换流器和附加电气设备等都已较为成熟，因此具备控制策略设计简单和运行可靠性高等优势，但其也存在着一些缺陷。首先，两个换流器的额定容量均要等于第一直流系统与第二直流系统间互联的额定直流功率，换流器的额定直流电压分别要等于相连直流系统的额定电压，换流器的总成本较高。其次，传输的直流功率全部需要经过直流/交流/直流两级功率变换，运行损耗较大，传输效率低。
[0006]
综上，已有的主流高压大功率直流变压器都至少存在着以下某一种缺陷，如控制策略复杂、成本造价高、运行损耗大和传输效率低等。


技术实现要素：

[0007]
为了改进现有直流变压器存在的缺陷，推动直流电网相关技术的发展，本发明提供了一种推挽式直流自耦变压器，其利用直流自耦结构在两个直流系统间建立了一定程度上的直接电气连接，实现了部分直流功率的直接传输，即此部分功率无需再经过直流/交流/直流两级功率变换，进而提高了功率传输效率，降低了系统总的换流容量和设备造价。
[0008]
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种推挽式直流自耦变压器，用于实现两个直流系统间的互联以及功率传输控制，包含第一、二、三功率交换单元和正、负极四绕组变压器，其中，
[0009]
第一、二、三功率交换单元中均包含两个相同的桥臂，每个功率交换单元的正、负极各有两个端口，桥臂是由多个子模块串联构成，第一功率交换单元包含桥臂一与桥臂二，第二功率交换单元包含桥臂三与桥臂四，第三功率交换单元包含桥臂五与桥臂六；
[0010]
桥臂一的正极、桥臂二的正极以及第二直流系统的正极互联在一起，桥臂一的负极与正极四绕组变压器绕组三的正极相连接，桥臂二的负极与正极四绕组变压器绕组四的正极相连接，桥臂三的正极与正极四绕组变压器绕组一的负极相连接，桥臂四的正极与正极四绕组变压器绕组二的负极相连接，桥臂三的负极与负极四绕组变压器绕组一的正极相连接，桥臂四的负极与负极四绕组变压器绕组二的正极相连接，桥臂五的正极与负极四绕组变压器绕组三的负极相连接，桥臂六的正极与负极四绕组变压器绕组四的负极相连接，桥臂五的负极、桥臂六的负极以及第二直流系统的负极互联在一起，同时所述正极四绕组变压器绕组一的正极、绕组二的正极、绕组三的负极、绕组四的负极和第一直流系统的正极互联在一起，负极四绕组变压器绕组一的负极、绕组二的负极、绕组三的正极、绕组四的正极和第一直流系统的负极互联在一起。
[0011]
本方案中的上述推挽式直流自耦变压器通过上述拓扑结构，利用其中桥臂一与桥臂二、桥臂三与桥臂四输出的交流电压分量，控制第一功率单元与第二功率单元间通过正极四绕组变压器传输的功率，利用其中桥臂五与桥臂六、桥臂三与桥臂四输出的交流电压分量，控制第三功率单元与第二功率单元间通过负极四绕组变压器传输的功率，最终实现对两个直流系统间的直流功率传输控制。
[0012]
优选地，所述正极四绕组变压器与负极四绕组变压器属性特殊，各绕组间互感耦合关系经特定设计，其中，绕组一与绕组二、绕组三与绕组四间强耦合，可忽略相互间的漏抗，绕组一与绕组三、绕组一与绕组四、绕组二与绕组三、绕组二与绕组四间存在漏抗，且数值相同。
[0013]
优选地，所述的功率交换单元中桥臂的子模块可采用半桥子模块、自阻子模块、全桥子模块、钳位双子模块，单个桥臂中非必须统一采用同种类型的子模块，也可采用多种类型子模块混合的形式，此外，桥臂中的子模块可由多个子模块并联构成，以实现额定工作电流的提高。
[0014]
优选地，所述推挽式直流自耦变压器具备降压互联能力，即第一直流系统的额定直流电压可以高于第二直流系统的额定直流电压，此时第一功率交换单元和第三功率交换单元的桥臂中需采用具有输出负电平能力的子模块，如全桥子模块。
[0015]
优选地，所述各桥臂两端输出电压中均应包含直流电压分量和交流电压分量，其中，直流电压分量用于支撑功率交换单元端口的直流电压，交流电压分量用于控制第一直
流系统与第二直流系统间的功率传输。
[0016]
优选地，所述桥臂一与桥臂二的直流电压分量相同，桥臂五与桥臂六的直流电压分量相同，均等于第二直流系统与第一直流系统额定直流电压差值的一半，所述桥臂三与桥臂四的直流电压分量相同，等于第一直流系统额定直流电压。
[0017]
优选地，所述各桥臂中交流电压分量具有多种关系形式，一种优选的控制形式为：第一功率交换单元、第二功率交换单元、第三功率交换单元中的两个桥臂的交流电压分量幅值大小相同，相位差180度。此时，可与具有特定拓扑结构的四绕组变压器相结合，在稳态运行时，正、负极四绕组变压器均可由两个相同的单相双绕组变压器等效代替分析，极大简化了功率传输特性的分析和控制策略的复杂度。
[0018]
优选地，所述第一功率交换单元、第二功率交换单元、第三功率交换单元中桥臂的子模块数目设计时需考虑直流子模块储备数目、交流子模块储备数目和冗余子模块储备数目。
[0019]
优选地，所述第一直流系统可以是不对称单极结构的直流系统，第二直流系统可以是对称双极结构的直流系统。
[0020]
优选地，所述第一直流系统可以是对称双极结构的直流系统，第二直流系统可以是不对称单极结构的直流系统。
[0021]
优选地，所述第二功率交换单元进一步由正极第二功率交换单元与负极第二功率交换单元连接构成，其中，正极第二功率交换单元包括正极桥臂三和正极桥臂四，负极第二功率交换单元包括负极桥臂三和负极桥臂四，正极桥臂三的负极、正极桥臂四的负极、负极桥臂三的正极、负极桥臂四的正极互联在一起，且连接点接地。
[0022]
优选地，所述正极桥臂三的负极、正极桥臂四的负极、负极桥臂三的正极、负极桥臂四的正极的公共连接点还经金属回线与第一直流系统、第二直流系统的中性点相连，实现不对称运行时两极间不平衡直流电流经金属回线构成的回路流通，避免流经大地造成对直流线路上管道的腐蚀。
[0023]
按照本发明的另一方面，提供了一种推挽式直流自耦变压器，用于实现正极性的不对称单极第一直流系统和正极性不对称单极的第二直流系统间的互联以及功率传输的控制，包含第一功率交换单元、正极四绕组变压器和正极第二功率交换单元，其中，
[0024]
所述桥臂一的正极、桥臂二的正极以及第二直流系统的正极互联在一起，桥臂一的负极与正极四绕组变压器绕组三正极相连接，桥臂二的负极与正极四绕组变压器绕组四的正极相连接，正极桥臂三的正极与正极四绕组变压器绕组一的负极相连接，正极桥臂四的正极与正极四绕组变压器绕组二的负极相连接，正极桥臂三的负极、正极桥臂四的负极、第一直流系统的负极、第二直流系统的负极互联在一起，且连接点接地或者通过金属回线接地，同时正极四绕组变压器绕组一的正极、绕组二的正极、绕组三的负极、绕组四的负极、第一直流系统的正极互联在一起；
[0025]
通过利用其中桥臂一与桥臂二、正极桥臂三与正极桥臂四输出的交流电压分量，进而控制第一功率单元与正极第二功率单元间通过正极四绕组变压器传输的功率，最终实现对两个直流系统间的直流功率传输控制。
[0026]
按照本发明的另一方面，提供了一种推挽式直流自耦变压器，用于实现负极性的不对称单极第一直流系统和负极性不对称单极的第二直流系统间的互联以及功率传输的
控制，包含负极第二功率交换单元、负极四绕组变压器和第三功率交换单元，其中，
[0027]
所述负极桥臂三的正极、负极桥臂四的正极、第一直流系统的正极、第二直流系统的正极互联在一起，且连接点接地或通过金属回线接地，负极桥臂三的负极与负极四绕组变压器绕组一的正极相连接，负极桥臂四的负极与负极四绕组变压器绕组二的正极相连接，桥臂五的正极与负极四绕组变压器绕组三的负极相连接，桥臂六的正极与负极四绕组变压器绕组四的负极相连接，桥臂五的负极、桥臂六的负极以及第二直流系统的负极互联在一起，同时负极四绕组变压器绕组一的负极、绕组二的负极、绕组三的正极、绕组四的正极、第一直流系统的负极互联在一起；
[0028]
通过利用其中桥臂五与桥臂六、负极桥臂三与负极桥臂四输出的交流电压分量，进而控制第三功率单元与负极第二功率单元间通过负极四绕组变压器传输的功率，最终实现对两个直流系统间的直流功率传输控制。
[0029]
优选地，所述的推挽式直流自耦变压器可进一步扩展，以实现多个直流系统间的互联与功率传输的控制，具有多个功率交换单元，四绕组变压器变换为耦合型多绕组变压器，绕组总数目等于直流系统数目的两倍。
[0030]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0031]
(1)本发明方案通过采用直流自耦结构，在两个直流系统间建立了一定程度上的直接电气互联，进而实现了部分直流功率的直接传输，系统中经过直流/交流/直流两级功率变换的功率数值和运行损耗均得到了有效降低，当两个直流系统额定直流电压的升压比越接近于1时，系统的功率传输效率提升越显著。同时，本发明充分利用了低压第一直流系统存在的直流电压，降低了第一功率交换单元和第三功率交换单元中桥臂的直流电压分量和子模块需求数量，进而降低了系统的总成本造价。
[0032]
(2)本发明方案功率交换单元中的桥臂是由多个子模块串联构成，与模块化多电平换流器中的桥臂类似，其调制方式和子模块电容电压间的平衡控制等都已较为成熟，控制简单，运行可靠性高。
[0033]
(3)本发明方案可采用特定拓扑结构的四绕组变压器，结合推挽式工作模式，简化了稳态运行时不同桥臂间的功率传输特性分析，降低了控制策略的复杂度，增强了系统的运行可靠性。
[0034]
(4)本发明方案较易扩展成为多端口直流变压器，实现三个及以上直流系统间的互联以及功率传输的控制。
附图说明
[0035]
图1是现有技术中双有源桥组合型直流-直流变换器的一种典型拓扑示意图，其采用的是单相电压源型双有源桥直流-直流变换器；
[0036]
图2是现有技术中面对面型直流-直流变换器的一种典型拓扑示意图，其采用电压源型换流器完成直流/交流(交流/直流)功率变换；
[0037]
图3是本发明一个实施例的推挽式直流自耦变压器拓扑示意图；
[0038]
图4是本发明中经特定设计的四绕组变压器的铁芯绕组分布示意图；
[0039]
图5是现有技术中半桥子模块的拓扑；
[0040]
图6是现有技术中具有故障自清除能力的自阻子模块的拓扑；
[0041]
图7是现有技术中具有故障自清除和输出负电平能力的全桥子模块的拓扑；
[0042]
图8是现有技术中具有故障自清除能力的钳位双子模块的拓扑；
[0043]
图9是本发明另一个实施例的推挽式直流自耦变压器拓扑示意图，其中第一直流系统是正极性的不对称单极直流系统，第二直流系统为对称双极直流系统；
[0044]
图10是本发明另一个实施例的推挽式直流自耦变压器拓扑示意图，其中第一直流系统是负极性的不对称单极直流系统，第二直流系统为对称双极直流系统；
[0045]
图11是本发明另一个实施例的推挽式直流自耦变压器拓扑示意图，其中第一直流系统是对称双极直流系统，第二直流系统为正极性的不对称单极直流系统；
[0046]
图12是本发明另一个实施例的推挽式直流自耦变压器拓扑示意图，其中第一直流系统是对称双极直流系统，第二直流系统为负极性的不对称单极直流系统；
[0047]
图13是本发明另一个实施例的推挽式直流自耦变压器拓扑示意图，其中第二功率交换单元由正极第二功率交换单元和负极第二功率单元连接构成，公共连接点接地；
[0048]
图14是本发明另一个实施例的推挽式直流自耦变压器拓扑示意图，其中正极第二功率交换单元和负极第二功率单元的公共连接点通过金属回线与第一直流系统和第二直流系统的中性点互联；
[0049]
图15是本发明另一个实施例的由第一功率交换单元、正极四绕组变压器以及正极第二功率交换单元构成的推挽式直流自耦变压器拓扑示意图，可用于连接两个正极性的不对称单极直流系统；
[0050]
图16是本发明另一个实施例的由第三功率交换单元、负极四绕组变压器以及负极第二功率交换单元构成的推挽式直流自耦变压器拓扑示意图，可用于连接两个负极性的不对称单极直流系统；
[0051]
图17是本发明另一个实施例的经扩展后具有互联三个直流系统能力的推挽式直流自耦变压器拓扑示意图。
具体实施方式
[0052]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0053]
本发明实例提供的推挽式直流自耦变压器主要用于额定直流电压等级不同的直流系统的互联及其功率传输的控制，能够有效解决现有的直流-直流变换器技术存在的控制策略复杂、成本造价高、运行损耗大以及传输效率低等缺点。
[0054]
图1是现有技术中双有源桥组合型直流-直流变换器的一种典型拓扑示意图，其采用的是单相电压源型双有源桥直流-直流变换器；图2是现有技术中面对面型直流-直流变换器的一种典型拓扑示意图，其采用电压源型换流器完成直流/交流(交流/直流)功率变换。
[0055]
本发明提供了一种推挽式直流自耦变压器，用于实现两个直流系统间的互联以及功率传输控制，其特征在于，包含第一、二、三功率交换单元和正、负极四绕组变压器，其中，
[0056]
第一、二、三功率交换单元中均包含两个相同的桥臂，每个功率交换单元的正、负极各有两个端口，桥臂是由多个子模块串联构成，第一功率交换单元包含桥臂一与桥臂二，第二功率交换单元包含桥臂三与桥臂四，第三功率交换单元包含桥臂五与桥臂六；
[0057]
桥臂一的正极、桥臂二的正极以及第二直流系统的正极互联在一起，桥臂一的负极与正极四绕组变压器绕组三的正极相连接，桥臂二的负极与正极四绕组变压器绕组四的正极相连接，桥臂三的正极与正极四绕组变压器绕组一的负极相连接，桥臂四的正极与正极四绕组变压器绕组二的负极相连接，桥臂三的负极与负极四绕组变压器绕组一的正极相连接，桥臂四的负极与负极四绕组变压器绕组二的正极相连接，桥臂五的正极与负极四绕组变压器绕组三的负极相连接，桥臂六的正极与负极四绕组变压器绕组四的负极相连接，桥臂五的负极、桥臂六的负极以及第二直流系统的负极互联在一起，同时所述正极四绕组变压器绕组一的正极、绕组二的正极、绕组三的负极、绕组四的负极和第一直流系统的正极互联在一起，负极四绕组变压器绕组一的负极、绕组二的负极、绕组三的正极、绕组四的正极和第一直流系统的负极互联在一起。
[0058]
在此基础上，本发明还提供了一种推挽式直流自耦变压器，用于实现正极性的不对称单极第一直流系统和正极性不对称单极的第二直流系统间的互联以及功率传输的控制，包含第一功率交换单元、正极四绕组变压器和正极第二功率交换单元，其中，
[0059]
所述桥臂一的正极、桥臂二的正极以及第二直流系统的正极互联在一起，桥臂一的负极与正极四绕组变压器绕组三正极相连接，桥臂二的负极与正极四绕组变压器绕组四的正极相连接，正极桥臂三的正极与正极四绕组变压器绕组一的负极相连接，正极桥臂四的正极与正极四绕组变压器绕组二的负极相连接，正极桥臂三的负极、正极桥臂四的负极、第一直流系统的负极、第二直流系统的负极互联在一起，且连接点接地或者通过金属回线接地，同时正极四绕组变压器绕组一的正极、绕组二的正极、绕组三的负极、绕组四的负极、第一直流系统的正极互联在一起；
[0060]
通过利用其中桥臂一与桥臂二、正极桥臂三与正极桥臂四输出的交流电压分量，进而控制第一功率单元与正极第二功率单元间通过正极四绕组变压器传输的功率，最终实现对两个直流系统间的直流功率传输控制。
[0061]
本发明还提供了一种推挽式直流自耦变压器，用于实现负极性的不对称单极第一直流系统和负极性不对称单极的第二直流系统间的互联以及功率传输的控制，包含负极第二功率交换单元、负极四绕组变压器和第三功率交换单元，其中，
[0062]
所述负极桥臂三的正极、负极桥臂四的正极、第一直流系统的正极、第二直流系统的正极互联在一起，且连接点接地或通过金属回线接地，负极桥臂三的负极与负极四绕组变压器绕组一的正极相连接，负极桥臂四的负极与负极四绕组变压器绕组二的正极相连接，桥臂五的正极与负极四绕组变压器绕组三的负极相连接，桥臂六的正极与负极四绕组变压器绕组四的负极相连接，桥臂五的负极、桥臂六的负极以及第二直流系统的负极互联在一起，同时负极四绕组变压器绕组一的负极、绕组二的负极、绕组三的正极、绕组四的正极、第一直流系统的负极互联在一起；
[0063]
通过利用其中桥臂五与桥臂六、负极桥臂三与负极桥臂四输出的交流电压分量，进而控制第三功率单元与负极第二功率单元间通过负极四绕组变压器传输的功率，最终实现对两个直流系统间的直流功率传输控制。
[0064]
本发明在所述的推挽式直流自耦变压器可进一步扩展，以实现多个直流系统间的互联与功率传输的控制，具有多个功率交换单元，四绕组变压器变换为耦合型多绕组变压器，绕组总数目等于直流系统数目的两倍。
[0065]
图3给出了按照本发明一个实施例所提出的推挽式直流自耦变压器的拓扑结构示意图，所述推挽式直流自耦变压器4主要包含第一功率交换单元7、正极四绕组交流变压器5、第二功率交换单元69、负极四绕组交流变压器8和第三功率交换单元10，其中，
[0066]
所述每个功率交换单元中均包含两个相同的桥臂，因此其具有四个端口，正、负极各有两个端口，桥臂是由多个子模块串联构成。第一功率交换单元7包含桥臂一71与桥臂二72，第二功率交换单元69包含桥臂三691与桥臂四692，第三功率交换单元10包含桥臂五101与桥臂六102；
[0067]
桥臂一71的正极、桥臂二72的正极以及第二直流系统2的正极互联在一起，桥臂一71的负极与正极四绕组变压器5绕组三的正极相连接，桥臂二72的负极与正极四绕组变压器5绕组四的正极相连接，桥臂三691的正极与正极四绕组变压器5绕组一的负极相连接，桥臂四692的正极与正极四绕组变压器5绕组二的负极相连接，桥臂三691的负极与负极四绕组变压器8绕组一的正极相连接，桥臂四692的负极与负极四绕组变压器8绕组二的正极相连接，桥臂五101的正极与负极四绕组变压器8绕组三的负极相连接，桥臂六102的正极与负极四绕组变压器8绕组四的负极相连接，桥臂五101的负极、桥臂六102的负极以及第二直流系统2的负极互联在一起，同时所述正极四绕组变压器5绕组一的正极、绕组二的正极、绕组三的负极、绕组四的负极和第一直流系统1的正极互联在一起，负极四绕组变压器8绕组一的负极、绕组二的负极、绕组三的正极、绕组四的正极和第一直流系统1的负极互联在一起。
[0068]
图4给出了本发明中特定设计的正极四绕组变压器5与负极四绕组变压器8的铁芯绕组分布示意图，此结构设计可通过在单相双绕组变压器每个绕组上设立中心抽头获得，其中，绕组一与绕组二是由第一铁心柱51上的绕组设立中心抽头得到，绕组三与绕组四是由第二铁心柱52上的绕组设立中心抽头得到，各绕组间的同名端用黑色圆点表示，最终期望得到的四绕组变压器各绕组间的互感耦合关系如下：绕组一与绕组二、绕组三与绕组四间强耦合，可忽略相互间的漏抗，绕组一与绕组三、绕组一与绕组四、绕组二与绕组三、绕组二与绕组四间存在漏抗，且数值相同。
[0069]
图5、图6、图7、图8分别给出了现有技术中半桥子模块、具有故障自清除能力的自阻子模块、具有故障自清除和输出负电平能力的全桥子模块、具有故障自清除能力的钳位双子模块的拓扑，它们均可作为推挽式直流自耦变压器4桥臂中的子模块，单个桥臂中采用同种类型的子模块或者多种类型子模块混合的形式，此外，桥臂中的子模块也可由多个子模块并联构成，以实现额定工作电流的提高。
[0070]
若第一功率交换单元7与第三功率交换单元10的桥臂中采用具有输出负电平能力的子模块，如全桥子模块，则可控制桥臂一71、桥臂二71、桥臂五101、桥臂六102的输出直流电压为负值，此时，推挽式直流自耦变压器4具备降压互联能力，即第一直流系统的额定直流电压可以高于第二直流系统的额定直流电压。
[0071]
在图3所示实施例中，第一直流系统1与第二直流系统2优选均为对称双极结构的直流系统，为使其能够正常运行，桥臂一71与桥臂二72、桥臂五101与桥臂六102、桥臂三691与桥臂四692两端输出电压中均包含直流电压分量和交流电压分量，其中，直流电压分量用
于支撑功率交换单元端口的直流电压，交流电压分量用于控制第一直流系统1与第二直流系统2间的功率传输。桥臂一71与桥臂二72的直流电压分量相同，桥臂五101与桥臂六102的直流电压分量相同，均等于第二直流系统2与第一直流系统1额定直流电压差值的一半，桥臂三691与桥臂四692的直流电压分量相同，等于第一直流系统1额定直流电压。功率交换单元中两个桥臂输出的交流电压分量间具有多种控制形式，一种优选的控制形式为：第一功率交换单元7、第二功率交换单元69、第三功率交换单元10中的两个桥臂的交流电压分量幅值大小相同，相位差180度。此时，若只从稳态运行下的功率传输特性角度分析，结合具有特定拓扑结构的四绕组变压器，则正极四绕组变压器5和负极四绕组变压器8均可由两个相同的单相双绕组变压器等效代替分析，极大简化了系统功率传输特性的分析和控制策略的复杂度，同时降低了直流侧的谐波含量。
[0072]
第一功率交换单元7、第二功率交换单元69、第三功率交换单元10中桥臂的子模块数目设计时需考虑直流子模块储备数目、交流子模块储备数目和冗余子模块储备数目，桥臂中直流子模块储备数目取决于桥臂的直流电压分量，桥臂中交流子模块储备数目具有多种选择形式，一种常规的形式是等于桥臂的直流子模块储备数目，桥臂中冗余子模块储备数目需根据实际工程要求确定。
[0073]
通过将本发明与图1面对面型直流-直流变换器、图2双有源桥组合型直流-直流变换器对比，可得到如下差别：
[0074]
(1)推挽式直流自耦变压器4在第一直流系统1与第二直流系统2间建立一定程度上的直接电气互联，即第一直流系统1的正极与负极可分别通过第一功率交换单元7和第二功率交换单元10与第二直流系统2的正极和负极相连接。具有以下优势：首先，实现了部分直流功率的直接传输，即此部分功率无需再经过直流/交流/直流两级功率变换，提高了系统的功率传输效率；其次，充分利用了第一直流系统1的直流电压，降低了第一功率交换单元7与第二功率交换单元10中子模块的总成本造价。而传统的面对面型直流-直流变换器与双有源组合型直流-直流变换器在第一直流系统1与第二直流系统2间并没有建立直接电气互联，全部传输功率均需要经过直流/交流/直流两级功率变换，运行损耗高。此外，由于其并没有利用第一直流系统1已有的直流电压，因此总成本造价也较高。
[0075]
(2)与双有源桥组合型直流-直流变换器进一步对比，推挽式直流自耦变压器4的桥臂中串联子模块的调制方式与子模块电容电压间的平衡控制等都已较为成熟，不存在电压均压和电流均流等难题。同时，通过采用特定拓扑结构的四绕组变压器和推挽式的工作模式，推挽式直流自耦变压器的数学模型得到了充分简化，控制策略简单，运行可靠性高。
[0076]
如图9所示，在一个实施例中，推挽式直流自耦变压器4用于互联正极性的不对称单极第一直流系统1和对称双极第二直流系统2。
[0077]
如图10所示，在一个实施例中，推挽式直流自耦变压器4用于互联负极性的不对称单极第一直流系统1和对称双极第二直流系统2。
[0078]
如图11所示，在一个实施例中，推挽式直流自耦变压器4用于互联对称双极第一直流系统1和正极性的不对称单极第二直流系统2。
[0079]
如图12所示，在一个实施例中，推挽式直流自耦变压器4用于互联对称双极第一直流系统1和负极性的不对称单极第二直流系统2。
[0080]
如图13所示，在一个实施例中，第二功率交换单元69又可由正极第二功率交换单
元6和负极第二功率交换单元9连接构成，其中，所述正极第二功率交换单元6包括正极桥臂三61和正极桥臂四62，负极第二功率交换单元9包括负极桥臂三91和负极桥臂四92，正极桥臂三的负极61、正极桥臂四的负极62、负极桥臂三的正极91、负极桥臂四92的正极互联在一起，且连接点接地。此实施例的优势在于，若第一直流系统1与第二直流系统2均为对称双极的直流系统，当发生正极性的单极对地直流短路故障时，可隔离第一功率交换单元7和正极第二功率交换单元6，维持第三功率交换单元10和负极第二功率交换单元9处于正常运行状态，使推挽式直流自耦变压器469仍具备传输一半额定功率的能力。同理当发生负极性的单极对地直流短路故障时，可隔离第三功率交换单元10和负极第二功率交换单元9，维持第一功率交换单元7和正极第二功率交换单元6处于正常运行状态，使推挽式直流自耦变压器469仍具备传输一半额定功率的能力。
[0081]
如图14所示，在一个实施例中，正极桥臂三61的负极、正极桥臂四62的负极、负极桥臂三91的正极、负极桥臂四92的正极的公共连接点通过金属回线11分别与第一直流系统1和第二直流系统2的中性点相连接。图14与图13的拓扑结构基本一致，该实施例优势在于，当系统处于不对称运行时，不平衡的直流电流会通过由金属回线11构成的回路流通，不再流入大地，避免了对直流线路上管道的腐蚀。
[0082]
如图15所示，在一个实施例中，推挽式直流自耦变压器411用于互联正极性的不对称单极第一直流系统1和正极性的不对称单极第二直流系统2，其只包含第一功率交换单元7、正极四绕组变压器5、正极第二功率交换单元6。桥臂一71的正极、桥臂二72的正极以及第二直流系统2的正极互联在一起，桥臂一71的负极与正极四绕组变压器5绕组三正极相连接，桥臂二72的负极与正极四绕组变压器5绕组四的正极相连接，正极四绕组变压器5绕组一的正极、绕组二的正极、绕组三的负极、绕组四的负极和第一直流系统1的正极互联在一起，正极桥臂三61的正极与正极四绕组变压器5绕组一的负极相连接，正极桥臂四62的正极与正极四绕组变压器5绕组二的负极相连接，正极桥臂三61的负极与正极桥臂四62的负极相连接，连接点和第一直流系统1的负极、第二直流系统2的负极直接接地或经金属回线11接地。
[0083]
如图16所示，在一个实施例中，推挽式直流自耦变压器412用于互联负极性的不对称单极第一直流系统1和负极性的不对称单极第二直流系统2，其只包含负极第二功率交换单元9、负极四绕组变压器8和第三功率交换单元10。负极桥臂三91的正极、负极桥臂四92的正极、第一直流系统1的正极、第二直流系统2的正极互联在一起，且连接点接地或通过金属回线11接地，负极桥臂三91的负极与负极四绕组变压器8绕组一的正极相连接，负极桥臂四92的负极与负极四绕组变压器8绕组二的正极相连接，桥臂五101的正极与负极四绕组变压器8绕组三的负极相连接，桥臂六102的正极与负极四绕组变压器8绕组四的负极相连接，桥臂五101的负极、桥臂六102的负极以及第二直流系统2的负极互联在一起，同时负极四绕组变压器8绕组一的负极、绕组二的负极、绕组三的正极、绕组四的正极、第一直流系统1的负极互联在一起；
[0084]
如图17所示，在一个实施例中，推挽式直流自耦变压器431用于互联第一直流系统1、第二直流系统2、第三直流系统333，其拓扑结构可由图3中拓扑扩展得到，特征在于，除包含图3中已有的第一功率交换单元7、第二功率交换单元69、和第三功率交换单元10外，还增加了第四功率交换单元73(包含桥臂七731与桥臂八732)与第五功率交换单元13(包含桥臂
九131与桥臂十132)，并将正极四绕组变压器5和负极四绕组变压器8分别更改为正极六绕组变压器53和负极六绕组变压器83，其中，
[0085]
桥臂七731的正极、桥臂八732的正极以及第三直流系统333的正极互联在一起，桥臂七731的负极与正极六绕组变压器53绕组五的正极相连接，桥臂八732的负极与正极六绕组变压器53绕组六的正极相连接，正极六绕组变压器53绕组五的负极、正极六绕组变压器53绕组六的负极、桥臂一71的正极、桥臂二72的正极、第二直流系统2的正极互联在一起，桥臂一71的负极与正极六绕组变压器53绕组三的正极相连接，桥臂二72的负极与正极六绕组变压器53绕组四的正极相连接，桥臂三691的正极与正极六绕组变压器53绕组一的负极相连接，桥臂四692的正极与正极六绕组变压器53绕组二的负极相连接，桥臂三691的负极与负极六绕组变压器83绕组一的正极相连接，桥臂四692的负极与负极六绕组变压器83绕组二的正极相连接，桥臂五101的正极与负极六绕组变压器83绕组三的负极相连接，桥臂六102的正极与负极六绕组变压器83绕组四的负极相连接，桥臂五101的负极、桥臂六102的负极、负极六绕组变压器83绕组五的正极、负极六绕组变压器83绕组六的正极、第二直流系统2的负极互联在一起，桥臂九131的正极与负极六绕组变压器83绕组五的负极相连接，桥臂十132的正极与负极六绕组变压器83绕组六的负极相连接，桥臂九131的负极、桥臂十132的负极以及第三直流系统333的负极互联在一起，同时所述正极六绕组变压器53绕组一的正极、绕组二的正极、绕组三的负极、绕组四的负极和第一直流系统1的正极互联在一起，负极六绕组变压器83绕组一的负极、绕组二的负极、绕组三的正极、绕组四的正极和第一直流系统1的负极互联在一起。
[0086]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。