2024年4月12日发(作者：)

第 47 卷 第 4 期

2023 年 8 月

北京交通大学学报

JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY

Vol.47 No.4

Aug. 2023

文章编号：1673-0291（2023）04-0130-16

DOI：

10.11860/.1673-0291.20220060

应用于直流电网的直流变换器拓扑综述

杨晓峰

1

， 刘妍

1

， 陈骞

2

（1.北京交通大学 电气工程学院，北京 100044； 2.国网浙江省电力有限公司 电力科学研究院，杭州 310014）

摘要：直流电网是解决远距离大功率电能传输和新能源大规模汇集的重要方案，作为实现不同电

压等级的直流电网柔性互联的关键设备，直流变换器承担着电能变换与能量分配的任务，其拓扑和

工作特性对直流电网的性能具有深刻影响.传统直流变换器的研究主要集中在中小功率领域，而

随着直流电网的飞速发展，大功率直流变换器的应用场景进一步拓宽，开展相应拓扑的研究十分必

要.本文首先梳理了新能源汇集、直流电网互联等典型场景对直流变换器的技术需求，从电气隔离

角度对两端口直流变流器拓扑分类，详细对比研究其拓扑结构和变换性能，并对多端柔性互联场景

中更具潜力的多端口直流变换器进行综述.然后，系统总结了直流变换器的技术特征及适用场景，

并在±10 kV/±375 V的典型直流配电网算例下阐明了各类直流变换器的优缺点.最后，基于实际

工程需求总结提炼了当前直流变换器存在的共性问题，并从轻量集约的设计趋势和稳定高效的发

展要求展望了直流变换器的未来研究方向，以期为高压直流电网建设提供借鉴.

关键词

：

直流电网；新能源汇集；电力电子；直流变换器；拓扑；非隔离型；隔离型

中图分类号

：

TM46 文献标志码

：

A

A comprehensive review of DC-DC converter topologies

applied in DC power grids

YANG Xiaofeng

1

, LIU Yan

1

, CHEN Qian

2

（ of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China； ic Power Research

Institute State Grid, Zhejiang Electric Power Co. Ltd., Hangzhou 310014, China）

Abstract

:

The DC power grid has emerged as a crucial solution for long-distance, high-power energy

transmission and the integration of renewable energy sources. As the key equipment enabling flexible

interconnection among DC power grids of different voltage levels, DC-DC converters play a vital role

in energy conversion and energy distribution. The topology and operational characteristics of these con⁃

verters profoundly influence the performance of DC power grids. While traditional research on DC-DC

converters has primarily focused on low to medium power applications, the rapid advancement of DC

power grids necessitates exploring high-power DC-DC converter topologies and their corresponding

reviews. This paper first examines the technical requirements of DC-DC converters in typical sce⁃

narios such as renewable energy convergence and DC power grid interconnection. It categorizes two-

port DC-DC converters based on electrical isolation and thoroughly compares their topology structures

收稿日期

：

2022-04-25；修回日期：2023-01-26

基金项目：国网浙江省电力有限公司科技项目（ 5211DS19003A）

Foundation item

:

Science and Technology Project of State Grid Zhejiang Electric Power Co.， Ltd. under Grant （5211DS19003A）

第一作者：杨晓峰（1980—），男，河北石家庄人，副教授，博士，博士生导师. 研究方向为大功率电能变换技术、宽禁带半导体器件应用、轨

道交通电气化等.email：***************.cn.

引用格式：

杨晓峰，刘妍，陈骞.应用于直流电网的直流变换器拓扑综述［J］.北京交通大学学报，2023，47（4）：130-145.

YANG Xiaofeng，LIU Yan，CHEN Qian.A comprehensive review of DC-DC converter topologies applied in DC power grids［J］.

Journal of Beijing Jiaotong University，2023，47（4）：130-145.（in Chinese）

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第 4 期杨晓峰等：应用于直流电网的直流变换器拓扑综述

131

and conversion performance. Furthermore, it provides an overview of multi-port DC-DC converters

that show promising potential in multi-terminal flexible interconnection scenarios. On this basis, this

paper systematically summarizes the technical characteristics and suitable application scenarios of dif⁃

ferent DC-DC converters. It highlights the advantages and disadvantages of various converter types us⁃

ing a typical ±10 kV/±375 V DC distribution network as an example. Finally, the common issues

present in current DC-DC converters are identified based on practical engineering requirements. The

paper concludes by envisioning the future research directions of DC-DC converters, considering the

trends of lightweight and compact design as well as the need for stable and efficient development.

These insights aim to provide valuable guidance for the construction of high-voltage DC power grids.

pology； non-isolated； isolated

随着传统化石能源日益枯竭和环境持续恶化，

发展以光伏、风电为代表的新能源成为世界各国实

现绿色低碳发展的重要途径之一，我国正向构建以

新能源为主体的新型电力系统转型

［1-3］

，然而由于风

光等新能源的随机性、间歇性等特点，以及传统交流

电网对新能源的消纳能力限制，发展直流电网技术

成为实现新能源大规模汇集接入和远距离输送的重

要途径，具有广阔的发展前景

［4-7］

Keywords

:

DC power grid； renewable energy integration； power electronics； DC-DC converter； to⁃

压和电流水平，应用于直流电网的直流变换器研究

多处于原型机和工程示范阶段

［30-33］

.为此，对面向直

流电网的大功率直流变换器拓扑进行梳理和分析，

总结提炼其共性问题，具有重要的理论参考价值.

本文首先分析了直流电网中不同应用场合的直流变

换器需求，在此基础上对两端口和多端口直流变换

器开展了详细的对比分析；进一步，在典型直流配电

网算例下综述了各类直流变换器的优缺点.最后，

展望了直流变换器的未来发展趋势以及亟待解决的

关键问题.

.

2006年，德国亚琛工业大学研究了具有不同电

压等级海上风电场的直流电网；瑞典皇家理工学

院提出具有网状拓扑的直流电网，即多个直流端互

为备用

［9］

；欧洲北海沿岸于2008年提出建设一个泛

欧洲的超级电网计划

［10-11］

，通过规划大量的换流站

及直流线路，以实现不同发电系统之间的互联，有利

于风光等新能源的远距离输送

［12］

［8］

1 典型应用场景

1.1 新能源汇集应用

传统的大规模光伏、风电等新能源采用交流并

网方式，然而交流并网方式电能转换环节多，系统效

率及功率密度难以提升，且面临着系统同步运行及

潮流控制等问题.大规模新能源通过直流电网汇

集，可充分利用高压直流输电走廊，实现多种能源互

补.面向直流电网的直流变换器典型应用场景如

图1所示，使用一个直流变换器代替传统能源汇集

中的多级能量变换.文献［34］对大型光伏电站接入

直流电网的直流变换器进行了探讨.文献［35］则研

；2009年，德国在

撒哈拉沙漠开展了大型太阳能沙漠科技项目，通过

与超级电网相联接，形成跨越欧洲、中东与北非的跨

洲超级电网

［13-15］

.近年来我国直流电网技术蓬勃发

展，2013年底，南澳三端柔性直流工程正式投入运

行

［16］

，2014年，舟山五端柔性直流工程投运

［17］

；作为

世界上第一个±500kV柔性直流电网工程，张北柔

性直流电网工程把张家口地区的优质风光新能源送

到北京，实现了奥运会史上首次100%绿色电力

供应

［18-19］

.

尽管直流电网适应未来电网发展趋势，但也面

临着诸多技术挑战

［20-22］

.作为构建直流电网的关键

设备之一，直流变换器可用于不同类型新能源和直

流负荷的接入，实现不同电压等级直流负荷或直流

电网间的柔性互联

［23-25］

，除了实现电压变换功能外，

同时还要求具备直流故障隔离、功率调节等

能力

［26-28］

.

然而，目前对直流变换器的研究主要集中在低

压小容量领域

［29］

，受限于功率半导体器件的额定电

图1　面向直流电网的直流变换器典型应用场景

Fig.1　Typical application scenarios of DC-DC converters in

DC power grid

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132

北京交通大学学报第 47 卷

器则根据其形成方式可分为环形和复合型两种，如

图2所示.本文将对这些拓扑及其特点进行详细地

对比研究.

究了海上风电多端柔性直流并网技术，与交流汇集

方案相比，直流汇集方案显著减少电能变换环节、降

低损耗和成本.

作为新能源大规模接入直流电网的柔性互联设

备，直流变换器除满足大功率要求外，还应具有较高

的直流电压增益，从而将风光等新能源发电机组的

输出电压提升至直流电网的电压等级，实现新能源

的直流汇集.另外，在新能源大规模汇集应用中，功

率仅需由新能源向直流电网单向输送，故单向直流

变换器即可满足应用需求，有利于降低系统的复杂

度和硬件成本.

1.2 直流电网互联应用

鉴于目前直流电网建设缺乏统一的电压标准，

直流电网通常存在不同的电压等级，常见的电压等

级包括±160 kV、±80 kV、±10 kV、±375 V

36-37］

等

［30，

，中高频大功率直流变换器通常用于实现

直流电网间的柔性互联，有助于推进直流电网的一

体化建设

［38］

.

图2　直流变换器分类

Fig.2　Categorization of DC-DC converters

为降低传输损耗，主输电线路电压通常高达上

百千伏，实现此类直流线路柔性互联的直流变换器，

要求能够承受较高的电压应力，并具备功率双向流

动能力.相对于中压直流配电和低压直流用电环节

的电压等级差异大，故要求此类直流线路柔性互联

的直流变换器具有较高的直流电压增益.

在基于晶闸管相控换流器的直流输电应用时，

要求直流变换器能改变电压极性以实现潮流反转，

而在基于电源换流器的柔性直流输电应用时，则要

求直流变换器能改变电流极性，允许反向电流通过.

2.1 非隔离型直流变换器

2.1.1　谐振型直流变换器

文献［39］研究了一种应用于直流电网的晶闸管

谐振式直流变换器，其拓扑如图3所示，图3中，U

DC1

及U

DC2

分别为直流变换器的输入及输出电压，输入

侧的电感共用谐振电容，并组成两个LC谐振支路，

输出侧亦由电感和电容组成两个LC谐振支路.通

过控制晶闸管可改变谐振电容的电压极性，并结合

LC谐振支路将能量从输入侧传送至输出侧

［7］

.与绝

缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transis⁃

tor， IGBT）相比，晶闸管的开关电压应力更高，在同

电压等级下所需开关器件更少；由于不需要隔离变

压器，其体积及重量均比较小；在断续运行模式下即

可实现晶闸管的零电流关断，开关损耗较小，但是由

于该拓扑采用频率控制，其输入与输出侧通常需要

较大的滤波装置；由于高压侧和低压侧之间的绝缘

等级相同，晶闸管需按高压侧相同的电压等级选取.

2 直流变换器拓扑

根据典型直流电网应用场景，直流变换器可分

为传统两端口直流变换器及多端口直流变换器两大

类，传统两端口直流变换器主要应用于两个不同电

压等级直流电网的点对点互联，而多端口直流变换

器则可实现直流电网的多端互联，以及新能源发电

系统中发电装置、储能单元以及负载之间的综合能

量协调管理.

两端口直流变换器可大致分为非隔离型和隔离

型两大类.非隔离型直流变换器主要包括谐振型直

流变换器、非隔离型模块化多电平直流变换器

（Multilevel Modular Converter， MMC）直流变换

器、直流自耦变压器等.隔离型直流变换器则主要

包括双有源桥（Dual Active Bridge，DAB）直流变换

器、模块组合型直流变换器、隔离型MMC直流变换

器、混合型谐振直流变换器等.多端口与直流变换

图3　晶闸管谐振型直流变换器

Fig.3　Thyristor-based resonant DC-DC converter

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第 4 期杨晓峰等：应用于直流电网的直流变换器拓扑综述

晶闸管谐振型直流变换器在海上风电场中具有应用

前景，考虑变换器成本，晶闸管谐振型直流变换器的

电压变比通常限制在5~10之内，容量最大可达兆

瓦级.

文献［40］提出一种应用于中压直流电网的级联

型谐振开关电容变换器，其拓扑如图4所示，每个子

模块包含3个端点a、b、c，分别与直流电容连接.该

拓扑实现了模块化设计，通过改变接入的子模块数

量可以调节直流变换器的输入电压范围，并具备零

电流投切能力，即使各子模块异步工作时亦可保证

输入直流电容电压的自均衡，但是通过子模块投切

的方式控制输出电压时，输出电压无法连续调节.

级联型谐振开关电容变换器的运行功率通常较低，

现有实验样机的电压增益可达约5~10.

133

图4　级联型谐振开关电容变换器

Fig.4　Cascaded resonant switched capacitor converter

图5　非隔离型MMC直流变换器

Fig.5　Non-isolated MMC-based DC-DC converter

谐振型直流变换器可实现软开关运行，具有开

关损耗小、运行效率高等优势，但晶闸管型谐振直

流变换器的滤波环节体积较大，设计困难，而谐振

开关电容变换器的输出电压无法实现连续调节，所

需谐振开关单元数量较多，存在谐振参数一致性

问题.

2.1.2　非隔离型MMC直流变换器

对于直流电网中电压增益较低的场合，可选用

非隔离型MMC直流变换器，其拓扑如图5（a）所

示

［41］

，其中SM1，SM2，…，SMN及SMV均为变换

器的子模块，图中子模块由半桥开关组成.该拓扑

共用了部分换流端桥臂，无需隔离变压器，体积及重

量相对较小.对于传输容量较小的场合，可选用图

中的单相MMC直流变换器拓扑，而对于传输容量

较大的场合，可选用三相MMC直流变换器拓扑；对

于更大容量的应用场合，则可通过增加桥臂相数的

方法实现.非隔离型MMC直流变换器通过子模块

之间的互联以降低开关器件的电压及电流应力，但

是在高压大功率场合所需子模块数量较多，控制也

相对复杂.

为进一步改善电路开关特性，文献［42］提出了

LCL谐振式非隔离型MMC直流变换器，其拓扑如

图5（b）所示.输入和输出侧之间通过一个LCL谐振

支路连接，所有桥臂均能实现软开关，降低了开关损

耗；可实现双侧变换器的零无功功率运行，提高整机

的容量利用率，但在高压大功率应用场合，该拓扑同

样需要大量的全控型开关器件，硬件和控制成本

较高.

为降低非隔离型MMC直流变换器中的无源器

件体积，文献［43］提出了混合级联型直流变换器，其

拓扑结构如图6所示.图6中S

1

，S

2

，…，S

6

为可控开

关器件，通过其开通及关断过程可控制储能电感的

充、放电，此拓扑所需的子模块数量较少，但其桥臂

开关采用IGBT串联技术，器件动态均压控制难

度大

［44］

.

针对传统非隔离型MMC直流变换器开关损耗

大等缺陷，文献［45］引入了交错并联的混合型模块

化多电平直流变换器，其拓扑如图7所示，图7中

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北京交通大学学报第 47 卷

1），SM（N+2），…，SM（N+V）为下桥臂的子模块.

在实际运行过程中，电感L

1

与等效的模块电容共同

构成谐振支路实现能量传递，兼顾了软开关和高电

压增益输出特点，但该拓扑依然需要大量的全控型

开关器件，硬件成本较高.

非隔离型MMC直流变换器具有高度模块化的

结构特点，且工作频率相对较高，故其子模块电容及

桥臂电感等无源元件的容量较小，在直流电网中具

有一定的应用前景，但非隔离型MMC直流变换器

在高压大功率场合需要大量的全控型开关器件，控

图6　非隔离型混合级联型直流变换器

制复杂，且电压增益较低，一定程度上限制了其在高

电压增益场合中的应用.

2.1.3　直流自耦变压器

针对非隔离型MMC直流变换器电压增益较低

的问题，一系列高压大功率的直流自耦变压器（DC

Auto-Transformer， DCAT）拓扑被相继提出.直流

自耦变压器传输的有功功率中仅有部分功率需要进

行直流-交流-直流两级变换，其所需的电压源型换

流器（Voltage Source Converter， VSC）容量及运行

损耗均远低于直流变换器技术，因此具有较好的经

济性

［47］

.文献［48］研究了直流自耦变压器，其拓扑如

图9所示，图9中VSC采用MMC拓扑，不同VSC之

间通过中频变压器耦合互联在一起.由于输入侧和

输出侧之间共用了一部分VSC，降低了系统成本，

在海上风电等高电压增益的场合具有良好的应用

前景.

Fig.6　Non-isolated hybrid cascade DC-DC converter

图7　交错混合型直流变换器

Fig.7　Hybrid modular multilevel DC-DC converter

HBSM及FBSM分别为半桥型子模块及全桥型子

模块，Q

1

，Q

2

，Q

3

及Q

4

为桥臂开关.使用晶闸管等半

控器件作为桥臂开关，通过控制使电感电流下降至

零后，对应桥臂组串中的晶闸管自然关断，可实现软

开关.

文献［46］提出了一种非隔离型谐振式模块化直

流变换器，该拓扑以传统半桥双向Buck-Boost变换

器为基础，并采用级联的半桥子模块代替传统的全

控型开关器件，其拓扑如图8所示，图8中SM（N+

图9　直流自耦变压器

Fig.9　DC auto-transformer

文献［49］研究了一种多端口分压式直流自耦变

压器如图10所示，以实现多个不同电压等级直流线

路的柔性互联.其输入和输出侧之间同样共用一部

分子模块，但其输出侧滤波电感较大，一定程度上限

制了其工程应用

［50-51］

.

为进一步改善系统控制复杂等问题，文献［52］

图8　非隔离型谐振式模块化直流变换器

Fig.8　Non-isolated resonant modular DC/DC Converter

介绍了一种基于开关电容子模块单元的模块化直流

自耦变压器如图11所示，具有子模块电容电压的自

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第 4 期杨晓峰等：应用于直流电网的直流变换器拓扑综述

135

电压的变化范围较窄，难以满足更高电压增益场合

的应用需求；由于没有电气隔离环节，低压侧的线路

及设备往往要按照高压侧的故障电压等级设计，系

统经济性较差.因此，具有电气隔离环节的隔离型

直流变换器在直流电网中应用相对更为广泛.

2.2 隔离型直流变换器

2.2.1　DAB型直流变换器

DAB直流变换器具有功率双向流动、功率密度

高等优势

［53-55］

，在直流配网应用中得到了广泛关注，

DAB直流变换器的拓扑如图12所示

［56-57］

.文献［58-

59］研究了一系列谐振型DAB直流变换器拓扑，满

足了高效率及高功率密度的设计要求，兼具全负载

范围的软开关特点和功率双向流动能力，在储能系

统中具有较好的发展潜力

［60-61］

.

图10　分压式直流自耦变压器

Fig.10　Partial voltage DC auto-transformer

图12　DAB直流变换器

Fig.12　DAB DC-DC converter

针对高压应用场景，受功率器件的电压和电流

应力限制，DAB直流变换器往往采用功率器件直接

串并联方式.文献［62］采用三相DAB直流变换器拓

扑，开发了一台容量为5 MW的两电平样机.由于变

压器三相漏感不完全一致，当变压器原副边相角差

变化较大时，易导致三相电流不平衡现象，故需要引

入复杂的优化控制策略

［63-64］

.该拓扑使用了大量串

联开关器件，存在器件动态均压问题.

图11　模块化直流自耦变压器

Fig.11　Modular DC auto-transformer

为改善DAB变换器的不足，采用多电平变换器

替换有源桥，可将开关器件的电压应力降低至一定

水平，从而实现低压器件在高压场合中的应用.文

献［65］研究了一种N电平二极管钳位型DAB直流

变换器如图13（a）所示，采用多电平结构使直流变

换器能够承受更高的电压，也可根据应用场合选用

非对称结构如图13（b）所示，即在输出电压较低时

采用低电平拓扑，从而减少开关器件的数量，但在高

压大功率场合往往需要大量的钳位二极管，且直流

侧电容电压平衡控制问题突出，限制了该类拓扑在

更高电压场合的应用.

DAB型直流变换器的工作频率较高，其隔离变

压器和电感的体积较小，有利于提高拓扑的功率密

度，尤其适用于储能等电压和功率等级不高的应用

动均衡特点，降低了装置的成本及体积.

直流自耦变压器中仅部分有功功率需要经过直

流-交流-直流的两级电压变换，系统损耗相对较低，

且由于部分能量可通过直接电气连接进行传输，因

此直流自耦变压器的交流耦合容量也低于传统直

流-交流-直流变换技术.直流自耦变压器的电压变

比在小于5的范围内最为经济，容量可达兆瓦级

以上.

2.1.4　非隔离型直流变换器分析

非隔离型直流变换器省略了电气隔离环节，具

有体积优势，但存在不足：非隔离型直流变换器输出

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136

北京交通大学学报第 47 卷

则采用基于谐振型DAB直流变换器的串并联结构

如图14所示，实现了软开关

［21］

.模块组合型直流变

换器具有器件数量少、易于实现软开关、功率密度

高以及模块化程度高等优点，适用于直流电网应

用，但是这种结构存在子模块电压及电流不均问

题，需要加入额外的控制策略，增加了控制复杂度；

各子模块中的变压器绝缘等级不同，位于顶端及底

端的直流变压器需要承担系统级的电压，变压器设

计困难.

图14　ISOP模块组合型直流变换器

Fig.14　ISOP modular DC-DC converter

在传统的模块组合型直流变换器研究的基础

上，相关学者展开了诸多拓扑变形与控制研究，以实

现更优的拓扑结构及控制效果.针对海上风电场汇

集场景，文献［68］使用多电平直流变换器作为子模

块，研制了一台1MW的ISOS模块组合型直流变换

器样机，其高压侧采用中点钳位型半桥结构，低压侧

采用全桥结构；且高压侧采用6个子模块串联以分

担开关电压应力，低压侧则采用子模块串并联以兼

图13　多电平DAB直流变换器

Fig.13　Multilevel DAB DC-DC converter

顾电流应力

［69］

.

文献［70］将DAB直流变换器及串联谐振变换器

两种结构作为子模块共同组成ISOS模块组合型直流

变换器拓扑，用于电压差距较小的直流电网之间的互

联.串联谐振变换器作为主要模块用于主功率传输，

而DAB直流变换器则作为灵活功率单元调节输出直

流电压，从而固定直流变换器的工作频率，在实现输

出电压调节的同时提升直流变换器的运行效率.

模块组合型直流变换器拓扑采用模块化设计，

可实现子模块之间的灵活组合，避免了开关器件直

流串并联带来的均压和均流问题；该拓扑容易实现

软开关工作，降低了开关损耗，尤其适用于新能源汇

集场合.

2.2.3　隔离型MMC直流变换器

为改善传统多电平DAB直流变换器的不足，采

用MMC替换有源桥可构造隔离型MMC直流变换

器拓扑，如图15所示，同时可避免开关器件直接串

联带来的均压问题

［71］

.对于直流电网中较大容量和

直流电压增益要求的场合，可选取三相隔离型

场合，然而在高压大功率场合，DAB型直流变换器

的开关电压及电流应力较大，若采用高压器件，其开

关频率难以提升；若采用多个开关器件串并联，则需

要额外考虑开关器件之间的动态均压及均流控制，

控制复杂度随之提升.

2.2.2　模块组合型直流变换器

为进一步适应高压大功率直流电网应用场景，模

块组合型直流变换器应运而生.根据连接方式，模块

组合型直流变换器可分为4种基本类型

［66］

，即输入并

联输出串联型（Input-Parallel-Output-Series， IPOS）、

输入串联输出并联型（Input-Series-Output-Series，

ISOP）、输入串联输出串联型（Input-Series-Output-

Series， ISOS）和输入并联输出并联型（Input-Parallel-

Output-Parallel， IPOP）.文献［67］利用ISOP结构实现

直流配网与储能站之间的连接，其额定电压为20 kV/

0.4 kV，额定功率4 MW，样机运行效率高于95%；杭

州江东新城投运的智能柔性直流配电网示范工程中

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第 4 期杨晓峰等：应用于直流电网的直流变换器拓扑综述

137

过调整子模块的数量进行粗调，从而将LLC单元的

电压控制在一定的范围内，然后通过闭环控制调整

变换器的开关频率，从而使MMRC的输出电压稳定

在一定范围内.与传统谐振直流变换器相比，

MMRC可以实现更宽的软开关范围.

也可将DAB直流变换器或多电平直流变换器

中的开关器件替换为图16中SM1，SM2，…，SMN

的子模块，以提高直流变换器的耐压等级，同时提高

变换器的运行灵活度.将图16中副边侧的二极管替

换为全控型开关器件，则可实现能量的反向传输.

2.2.4　混合型谐振直流变换器

图15　隔离型MMC直流变换器

Fig.15　Isolated MMC-based DC-DC converter

针对多电平拓扑的不足，将谐振开关电容变换

器与谐振型DAB直流变换器级联起来，形成了一类

混合型直流变换器，借助谐振开关电容（Resonant

Switched Capacitor， RSC）支路可实现支撑电容之

间电压的自动均衡，从而降低控制复杂度.

文献［75］将n个RSC与谐振型DAB直流变换

器级联的电路结构，前级RSC可实现直流电容电压

的自动均衡，后级直接与谐振型DAB直流变换器级

联，如图17所示，通过引入谐振单元以实现软开关，

降低开关损耗.原边侧开关的电压应力均降低至输

入电压的1/（n+1），从而降低开关器件的耐压要

求.由于RSC中存在多个输出端口，可增加多组谐

振型DAB直流变换器作为冗余单元，从而在部分单

元故障时保障供电，但是应用于输入电压较高的应

用场合时，需要大量谐振单元，谐振电容与谐振电感

的参数一致性难以保证.

在文献［75］方案的基础上，文献［76］提出一种

隔离型谐振开关电容变换器，其拓扑结构如图18所

MMC直流变换器拓扑；对于系统容量较小的场合，

选取单相隔离型MMC直流变换器拓扑即可满足要

求.现有文献围绕隔离型MMC直流变换器的控制

技术开展的研究包括正弦波运行模式

［72］

、梯形波运

行模式

［73］

等，以减小交流变压器所承受的dv/dt，优

化拓扑的功率等级或降低子模块电容的容值.该拓

扑采用中频变压器，有助于减小系统体积和重量，但

兆瓦级别的中频变压器制造困难，难以实现工业应

用，且所需子模块数量庞大，成本较高，需要关注高

频工作下各子模块的均压问题，为控制带来了额外

的挑战.

对于高压直流电网与低压直流电网之间的互

联，文献［74］提出一种模块化多电平谐振变换器

（Modular Multilevel Resonant Converter， MMRC）

如图16所示.将MMC直流变换器与LLC直流变换

器组合起来，既继承了MMC直流变换器耐高压及

容错度高等优势，也具备LLC直流变换器的软开关

特性.MMRC在输入直流电压宽范围变化时，先通

图16　隔离型MMRC直流变换器

Fig.16　Isolated MMRC-based DC-DC converter

图17　混合型谐振直流变换器

Fig.17　Hybrid resonant DC-DC converter

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138

北京交通大学学报第 47 卷

证新能源发电设备的可靠供电.针对多端柔性互联

场景，若使用传统两端口直流变换器，所需的开关器

件较多，硬件成本及占地面积也随之提高，而多端口

直流变换器在实现多端柔性互联的同时能够减小变

换器体积，近年来受到了广泛关注.

面向新能源发电系统的多端口直流变换器，多

用于实现多个新能源发电设备及储能单元间的柔性

互联，而面向不同电压等级直流电网柔性互联的多

端口直流变换器，则需具备能量双向流动能力，从而

实现各等级直流电网之间的综合能量管理.

根据多端口直流变换器的构造方式，大致可以

分为环形结构和复合结构两类，环形多端口直流变

换器通过将多个直流变换器单元组合在一起形成环

状，以实现各端口之间的互联互通；复合型多端口直

流变换器则通过复用变换器中的某些开关器件或子

图18　隔离型谐振开关电容变换器

模块，以实现减少开关器件数量的目的.本文选取

几种典型结构对多端口直流变换器开展分析.

2.3.1　环形多端口直流变换器

文献［77］针对多端口直流输电网络提出一种非

隔离型双向四端口直流变换器如图19所示，端口1

及端口2为输入端口，端口3及端口4为输出端口，

端口电压分别为U

DC1

，U

DC2

，U

DC3

及U

DC4

.任一输入

端口到输出端口之间均存在能量传输路径，每一条

传输路径都对应一个两端口双向Buck-Boost变换

器单元，且端口1及端口2之间相互独立，端口3与

端口4之间相互独立，仿真结果表明该变换器具备

直流潮流分配及电压变换功能，为多电压等级直流

电网的互联提供了一种行之有效的解决方案.

2.3.2　复合型多端口直流变换器

文献［78］研究一种四端口直流变换器如图20

Fig.18　Isolated resonant switched capacitor converter

示，通过复用部分开关器件，以达到减少开关器件，

减小变换器体积及重量的目的.该结构采用模块化

设计，且具有更好的控制灵活度.

混合型谐振直流变换器可实现直流电容之间的

自动均压，降低高压侧开关器件的电压应力，通过拓

展低压侧并联模块的数目即可降低开关器件的电流

应力.混合型谐振直流变换器的电压增益取决于前

级RSC的数量，以及变压器的变比，其输出电压增

益可达10以上.功率等级取决于输出侧并联的子模

块数量，具有提升至MW级的潜力.因此混合型谐

振直流变换器结构适用于高压大容量场合，在直流

电网和新能源汇集中均具有广泛的应用前景，但是

目前针对混合型谐振直流变换器的研究大部分仅停

留在拓扑基本原理的分析阶段，对其软开关条件、谐

振参数不均等问题仍待进一步研究.

2.2.5　隔离型直流变换器分析

隔离型直流变换器具有更高的电压增益，通过

加入隔离变压器，实现了输入侧与输出侧之间的电

气隔离，然而隔离型直流变换器存在以下缺陷：需要

通过直流-交流-直流3级变换，所需开关器件数量

较多，硬件成本高；大功率中频变压器磁芯材料及散

热设计均存在技术缺陷，目前使用的中频变压器容

量多集中在200 kW以下，限制了隔离型直流变换器

在直流电网中的应用.

2.3 多端口直流变换器

由于新能源发电系统存在间歇性及不稳定性等

缺点，通常需要加入储能设备调节系统能量，从而保

图19　非隔离型双向四端口直流变换器

Fig.19　Isolated resonant switched capacitor converter

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第 4 期杨晓峰等：应用于直流电网的直流变换器拓扑综述

139

图20　双向多端口直流变换器

Fig.20　Bidirectional multiport DC-DC converter

所示，可在变换器中接入储能单元，通过改变副边侧

整流桥的结构可以实现能量的双向传输.端口1及

端口2均可接入新能源发电装置，端口3则作为储

能单元接口，用于实现新能源调控，端口4作为输出

端口与直流电网连接.通过改造副边侧结构，实现

了能量的双向传输.

文献［79］提出一种基于分叉桥臂的MMC直流

变换器如图21所示.通过桥臂分叉的方式在模块化

多电平侧获得两个交流接口，分别为X、x及Y、y，并

接入两个隔离整流单元，该变换器可应用于直流电

网中3个直流端互联的场合.与传统两端口直流变

换器相比，减少了子模块数量，且避免了多绕组变压

器的使用.

图22　多端口MMC直流变换器

Fig.22　Multiport MMC-based DC-DC converter

2.3.3　多端口直流变换器分析

多端口直流变换器多由传统隔离型直流变换器

及非隔离型直流变换器组合或改造得到，用于多电

压等级的直流电网及新能源发电系统中时，可以减

少所需开关器件的数量，实现各端口之间的灵活互

联，然而多端口直流变换器技术仍处于起步阶段，目

前投入应用的多为中小功率变换器，大功率多端口

直流变换器仍有待研究.

2.4 直流变换器性能比较

对直流变换器拓扑进行总结，并给出各类拓扑

的技术特征和适应场景

［81］

，见表1.由表1可知

1） 非隔离型直流变换器适用于中低电压增益的应

用场合，而在更高电压增益场合应优先选用隔离型

直流变换器.

2） 对于直流电网中不同电压等级线路的柔性互联

应用，要求直流变换器具备故障阻断以及故障冗余

能力，在此条件下隔离型MMC直流变换器更能满

足应用需求.

3） 对于海上风电或光伏电站等大规模新能源汇集

应用，具有高电压增益的模块组合型直流变换器或

MMC直流变换器较为适用.

4） 混合型谐振直流变换器作为一种新兴拓扑，在新

能源汇集或直流电网柔性互联应用中具有较好的发

展前景.

5） 多端口直流变换器在未来多端直流电网中具有

应用潜力，其大功率结构及潮流控制策略仍有待进

一步研究与完善.

多端口直流变换器一般由传统的两端口直流变

换器演化而来，其主要作用是实现多个不同电压等

级设备之间的一体化互联，故本文主要围绕两端口

直流变换器展开分析，多端口直流变换器的特征与

图21　基于分叉桥臂的MMC直流变换器

Fig.21　Bifurcated MMC-based multi-port DC-DC converter

文献［80］提出一种多端口MMC直流变换器如

图22所示，用于高压直流电网及两个不同电压等级

的低压直流电网之间的互联.副边侧的两个输出端

口共用原边侧的开关器件，减少了所需的开关器件

数量.为避免传统多绕组变压器的强耦合性造成的

复杂计算及稳定性问题，使用磁芯分离的矩阵变压

器，将单个变压器拆分为两个子变压器，实现了多绕

组变压器之间的解耦，降低了对变压器设计的要求.

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140

北京交通大学学报第 47 卷

表1　直流变换器拓扑对比

Tab.1　 Comparison of DC-DC converters

拓扑优点

重量轻，效率高

模块化，易扩展

模块化，损耗小

故障隔离能力

模块化，频率高，

滤波元件小

模块化，故障冗余能力

模块化，直流自动均压

缺点

器件应力高

全控型器件多，滤波元件大

传输容量小

存在功率环流，开关应力大

全控型器件多，控制复杂

全控型器件多，滤波元件

体积大

谐振单元多，谐振参数不均

影响

电压增益

★★★

*1

★★★★

★★★★

*2

*2

*2

功率等级

★★★★★

★★★

★★★

★★

★★★★

★★★★★

★★★★

适用场合

新能源汇集

新能源汇集，直流电网

互联

直流电网互联

新能源汇集

新能源汇集

新能源汇集，直流电网

互联

新能源汇集，直流电网

互联

非隔离型谐振变换器

非隔离型MMC变换器

直流自耦变压器

隔离型DAB直流变换器

模块组合型直流变换器

隔离型MMC直流变换器

混合型谐振直流变换器

注：*1表示电压增益取决于子模块数量；*2表示电压增益取决于子模块数量及变压器变比；★数量表征电压增益和功率等级的大小，越多代表

强度越大.

其类似.选取多电平DAB直流变换器、ISOP模块组

合型直流变换器、隔离型MMC直流变换器以及隔

离型谐振开关电容变换器4类典型拓扑，以额定电

压±10 kV/±375 V，传输容量1 MW的功率双向传

输系统作为算例，为便于对比分析，选择高压侧开关

器件电压应力1.1 kV，低压侧开关器件电压应力

750 V的情况展开.各类直流变换器所需开关器件

数量如图23所示.由图23可知

3 结论

本文在分析直流电网中大功率直流变换器技术

需求的基础上，对现有高压大功率直流变换器拓扑

进行了详细的对比研究.近年来涌现出一系列直流

变换器拓扑，多以传统直流变换器为基础衍化而来，

其基本思路包含3方面.

1） 通过增加某些元器件支路以实现软开关、拓

宽电压变比等功能.

2） 利用多个开关子模块替换原电路中的单个

开关器件，以提高直流变换器的耐压水平.

3） 通过变换器之间的拓扑嵌套，以实现复合功

能，同时减少所需的电气元器件数量.

除此之外，高效化、轻量化及高可靠性成为未来

直流变换器拓扑的重要发展趋势，但目前应用于直

流电网的直流变换器多处于原型机和示范工程阶

段，仍存在大量问题亟待解决，具体包含4方面.

1） 在高压大功率场合，硬开关不仅带来显著的

开关损耗，还会引起开关电压尖峰和振荡现象，影响

开关器件的寿命.软开关技术是降低开关损耗，实

现直流变换器高频化及小型化的重要途径之一.目

前软开关技术的实现多依赖于谐振电路，减小谐振

元件尤其是磁性元件的体积及损耗是未来直流变换

器拓扑的研究方向之一.

2） 鉴于传统硅基开关器件额定电压及电流水

平，在高压碳化硅器件尚未在直流电网中普及的前

提下，现有高电压等级器件的开关频率难以有效提

升，不可避免地增大了直流变换器磁性元件的体积.

因此，优化直流变换器拓扑以降低器件电气应力、提

高直流变换器工作频率是未来的研究方向之一.

图23　器件数量对比

Fig.23　Comparison of device quantity

1） 多电平DAB直流变换器的开关器件数量较少，

但由于多电平DAB直流变换器存在直流侧电容电

压均衡问题，超过五电平的钳位型DAB直流变换器

鲜少有人研究.

2） ISOP模块组合型直流变换器和隔离型MMC直

流变换器所需的全控型开关器件数量多，模块化结

构易于系统扩容，但结构和控制相对复杂.

3） 隔离型谐振开关电容变换器的全控型开关器件

数量跟多电平DAB直流变换器相当，直流电容具有

自动均压能力，但该拓扑存在高压侧开关器件电流

应力不均的问题，不利于散热设计.

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第 4 期杨晓峰等：应用于直流电网的直流变换器拓扑综述

3） 高压大功率隔离变压器普遍面临着突出的

散热和绝缘问题，加工制造工艺有待突破.在隔离

型直流变换器设计过程中应优化隔离变压器的电压

及功率等级，降低对隔离变压器的设计要求，推动直

流变换器在直流电网中的广泛应用.

4） 直流电网是一个典型的低惯量系统，故障电

流峰值高、上升速度快，具有故障隔离功能的直流变

换器拓扑是未来的重要研究方向之一.当直流电网发

生典型故障时，直流变换器应能实现故障电流的快速

抑制，避免故障扩散；当直流变换器内部发生故障时，

应具备容错和冗余故障工作能力，提升系统可靠性.

直流电网呈现多端口、大容量、多电压等级的发

展趋势，随着光伏、风电等新能源的大规模并网以及

电动车等新型直流负荷的接入，多端口、多功能、高

集成度的直流变换器拓扑有待进一步研究.

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