摘要：
发展以直流汇集、直流输配电等为基础的直流电网技术，是未来支撑大规模新能源汇集送出和适应多元负荷接入的关键技术。高压大容量直流变压器作为直流电网中最核的装备之一，起到直流电压变换和直流潮流控制的重要作用。针对现有的高压大容量直流变压器研究现状和发展情况，该文首先介绍了3个主要的应用场景，并以此为基础分析了高压大容量直流变压器的技术需求；然后系统的归纳了现有高压大容量直流变压器拓扑的国内外研究现状，并总结了高压大容量构造规律和拓扑间的共性规律与连接关系。最后展望了未来亟待研究的问题和可能的发展方向。所述内容可为高压大容量直流变压器的进一步发展和工程应用提供一定的技术参考。
引言
近年来，随着传统化石一次能源的枯竭和愈发迫切的碳排放控制、生态环境改善需求，已有数十个国家提出了“碳中和”或“零碳”战略[1]。为推进我国能源结构的战略性转型与升级，使用绿色新能源替换传统能源，将成为实现“双碳”目标的基本手段和未来能源发展的重要趋势。据国家能源局预测，“十四五”期间我国电力装机增量超过一半来自风电和光伏，“十五五”前期，新能源装机将超过煤电，成为第一大电源[3]。然而，新能源开发利用仍存在电力系统对高比例新能源接网和消纳的适应性不足、大规模风光资源汇集送出困难等制约因素。一方面，以风电、光伏为代表的新能源电源出力存在波动性、间歇性、随机性等特点，导致“弃风”、“弃光”现象频发；另一方面，我国新能源储备与负荷中心存在空间上的严重错位。据统计，我国深远海风资源占比超过60%，理论开发量达600GW[5]。西北部沙戈荒地区可开发风能及太阳能分别占全国总量约27%和34%[6]。因此，现有的电力装备、电网结构和运行技术等在接纳超大规模可再生能源方面越来越力不从心，研究能够高效高质量消纳新能源的电力技术，建设大规模新能源电力汇集与高压大容量电力传输网络，是我国电网发展的必然趋势。
相比于交流电网与交流输电，直流电网与直流输电技术不存在无功补偿问题，具有汇集范围广，输送距离长，输送效率高等优势。基于常规直流及柔性直流的多端直流输电和直流电网技术将成为解决新能源并网和消纳问题的有效技术手段之一[7-8]。截至2023年，我国已先后投运张北、昆柳龙、如东、白鹤滩等直流工程，用于新能源并网、远距离输电、电网柔性互联等多种场景[9]。此外，CIGRE组织B4工作组明确指出了在欧洲建设多端高压直流电网的必要性，并已在比利时开工建设世界上第一个直流枢纽工程[10]。然而，目前直流电网的建设仍存在诸多技术瓶颈，其中需重点关注直流断路器和直流变压器等核心装备的研制[11]。当前，高压直流断路器的研制已取得一定程度的突破性进展和工程应用[12]，但高压大容量直流变压器(DCtransformer，DCT，又称高压大容量DC/DC变换器)作为不同电压等级直流电压变换、直流功率控制的重要设备，其研究目前仍在拓扑构建、仿真计算、样机验证的阶段，尚无工程应用实例。因此，有必要对于高压大容量DCT的应用场景、技术需求和研究现状进行相应的梳理分析。
本文首先探讨了高压大容量DCT的3类典型应用场景，并系统总结了高压大容量DCT的技术需求。然后，介绍了现有的高压大容量DCT的拓扑结构及基本原理特性，在此基础上总结了目前尚待解决的关键问题，并对未来可能的发展路线进行了展望，为后续的直流变压器研究及电网工程应用提供参考。
1、应用场景及需求探讨
1.1、高压大容量DCT的典型应用场景
高压大容量DCT的应用可从“源、网、荷”3个方面进行归纳总结。在源侧，可服务于大规模新能源广域全直流汇集送出；在网侧，可用于不同直流输电或直流电网系统间的互联；在荷侧，可用于高压直流取能和直流输配电互联。
1.1.1、大规模新能源汇集
大规模新能源汇集送出系统构建是高压大容量DCT的源侧典型应用场景。当前新能源汇集送出系统多采用交流汇集-直流送出的形式，如图1(a)所示。而相比于交流汇集，直流汇集能够扩大汇集范围、降低汇集损耗，不存在无功功率、负序、锁相稳定等问题，更加适用于深远海风电、“沙戈荒”地区新能源等“大规模、大范围、远距离”汇集外送场景，如图1(b)所示。新能源场站通过DCT升压接入汇集母线，经直流线路汇集后再由DCT升压送出，无需大体积、高重量的工频交流变压器，在设备体积和质量、系统损耗及建设成本等方面具有明显优势。
1.1.2、直流系统互联
高压大容量DCT在网侧的典型应用场景为不同电压等级直流系统间的互联。随着直流电网的快速发展，未来将会出现电压等级互不相同的直流电网系统，不同电压等级直流母线之间的互联和电压匹配是高压大容量DCT最直接的应用需求，如图2所示。除此之外，得益于其高可控性，DCT还可作为潮流控制器，调控直流功率潮流，优化直流电网功率分布。
1.1.3、柔性输配电建设
柔性输配电建设在未来可成为直流变压器的重要应用场景之一。随着智能工业制造、大型算力中心、智慧楼宇、电气化交通等新型用电形式的发展和不断增长的高比例电力电子负载的接入，由机械开关和交流变压器构成的传统交流配电系统自动化覆盖率低、灵活资源调控能力不足等问题愈发突出[14]。对比交流配电网，直流配电网能直接接入新能源电源、储能装置及直流负荷等设施，功率变换环节更少[15]；可通过电力电子装置对潮流进行灵活快速控制[16]；相同电压等级双极直流系统可输送的功率较对应三相交流配电系统能够提升20%[17]；输电损耗小，供电可靠性更高[18]，能够有效适应未来电网需求。
在直流配网快速发展背景下，大容量DCT可用于直流输电与城市直流配电网的互联，起到高压直流取能(HVDCpowertapping)的功能[19]，用于对直流输电走廊附近城镇的直接供电，如图3所示。同时亦可用于柔性变电站建设[20-21]，代替传统的开关、磁性变压器和电能质量治理设备，实现对电能的灵活控制与管理，如图4所示。得益于电力电子设备的高灵活性，配电网所需的谐波控制、孤岛控制、能量分配、需求侧管理等功能均可集成于DCT，以能量路由器的形式连接不同电压等级的交直流输配电母线[22]，支撑柔性电网及交直流输配电一体化建设。
1.2、高压大容量DCT的技术需求
源侧的汇集场景及网侧和荷侧的互联场景为高压大容量DCT的应用提出了相应的技术需求。总体来说，可分为性能需求和功能需求两部分。性能需求指DCT最为基础的电压变比及功率传输能力，功能需求则指在特定的应用场景下，DCT所需要具备的双向传输、方式切换、电气隔离、故障防护等功能，如图5所示。下文将分别进行详细探讨。
1.2.1、DCT性能需求探讨
1、大容量功率控制。
能够灵活快速控制大容量功率是DCT最重要的能力之一。在直流输配电网和新能源汇集场景中，所用的通常是额定容量为数十兆瓦到数百兆瓦的中高功率DCT[23]，不同于交流变压器，DCT需要具备动态功率调节、直流潮流灵活控制、快速启动和潮流反转等能力，以更好的发挥电力电子设备的高可控性优势。
2、高电压变换与调控。
在直流电网互联场景中，DCT主要为数百千伏额定电压，额定变比不超过5的高压大容量中小变比变换器。且需要具有一定的电压调节能力，以灵活调节直流潮流。
在新能源汇集场景和输配互联场景中，DCT通常需要较高的耐压等级和较大的电压增益[24]。以远海风电场直流汇集为例，在两级升压结构中，连接场站出口与汇集母线的DCT电压增益需达到5~10左右[25]。该高变比需求也为DCT低压侧器件的电流应力与高压侧器件的电压应力设计带来了挑战。
1.2.2、DCT功能需求探讨
1、双向能量传输。
用于直流系统互联和柔性输配电场景的DCT，需要具备功率双向流动的能力，以满足电网运行时潮流反转的需要。根据DCT端口所连接的直流电网的不同，其所需要具备的能力也不同：对于连接LCC-HVDC系统的端口，需要具有电压极性反转能力，对于连接VSC-HVDC系统的端口，需要具有电流极性反转能力，以实现功率双向流动[26]。
对于新能源汇集场景应用，功率大多仅由新能源场站流向直流电网，该场景下的DCT可只进行单向能量传输，有利于简化变换器拓扑，降低电力电子器件硬件成本[24]。而在一些特殊场景中，新能源场站可能需要电网供电以进行启动，若考虑此种工况，DCT仍需要具备双向能量传输能力。
2、运行方式切换。
当DCT用于直流系统互联和柔性输配电场景时，需要具有运行方式切换能力，包括单极/双极切换、孤岛/联网切换和正常运行/功率支援切换[27]。对于连接单、双极系统的DCT，当系统发生单极故障并闭锁停运时，变换器需配合进行控制策略的切换，将功率转移至非故障极，并抑制故障闭锁瞬间产生的暂态不平衡能量[28]。对于送端为弱交流系统的情况，为避免直流故障对交流系统的冲击，系统将断开交流电网，此时DCT需快速响应系统指令切换控制策略，稳定送端换流站交流侧频率[29]，保证孤岛运行后的稳定性，如图6所示。
3、电气隔离。
DCT的电气隔离需求应当按照其连接系统的类型进行探讨。对于两侧均为对称单极系统的场景，若高压侧发生接地故障，将导致非故障线路对地电压升高至额定值的两倍，如图7(a)所示，此时为保证低压侧安全，DCT应当提供电气隔离功能；对于两侧均为对称双极系统的场景，由于存在中性点直接接地，故障后非故障极电压不发生变化，如图7(b)所示，此时DCT可使用非隔离型以降低系统成本；对于单双极系统互联的场景，为保证故障极退出运行后非故障极仍能够继续传输功率，DCT应当具备电气隔离功能，以保证高压侧非故障极电压不对低压侧造成影响，如图7(c)所示[30]。
而对于源侧和荷侧的电网末端应用场景，是否需要隔离应当依据所连接设备的重要程度来决定。若DCT用于连接大容量风机、大容量储能或重要直流负荷等，则必须具备电气隔离功能以防止过电压传递，保障发用电设备安全。
值得注意的是，当应用场景存在高变比需求，DCT通常会选用含交流变压器的拓扑以进行升压。此时，电气隔离将会成为一个自然具备的功能。
4、故障防护与清除。
DCT可能面对的故障类型可分为外部故障(系统故障)和内部故障(装置故障)。当故障发生时，变换器应具有一定的故障防护和清除能力，在保障自身设备安全的同时，抑制故障的扩散与转播，不影响非故障部分的正常运行。对于外部系统故障，要求DCT提供相应的故障电流阻断能力，例如快速闭锁，或使子模块输出反向直流电压，与系统中的直流断路器配合切除故障。对于装置内部故障，要求故障不蔓延至其余系统，并配合直流断路器与避雷器将设备切除，保障系统与设备的安全。
1.2.3、多场景需求对比
DCT不同场景的需求对比总结如表1所示。可以看出，不同的应用场景对DCT提出了不同的技术需求，重点在于电压变比、传输容量及故障隔离功能，而这又与DCT的拓扑及工作原理息息相关。接下来本文将对现有的DCT拓扑进行分类介绍，并围绕其各自的性能和功能展开讨论。
2、DCT拓扑结构分类及特性
高压大容量DCT拓扑大多在基本的DC/DC变换拓扑基础上进行相应的构造得到，其基本原理和分类如图8所示。根据是否具备电气隔离功能(是否包含隔离变压器)，可将拓扑分为隔离型和非隔离型两大类；根据构造高压大容量过程中所使用的技术，可分为器件串并联、模块串并联、模块化多电平等；根据拓扑结构特点，可分为面对面型、自耦型、混合级联型等。下文将依据第3种分类方式进行详细介绍。
2.1、面对面型DCT
面对面型直流变换器通过将直流先逆变为交流，再整流为直流，达到直流电压变换的目的。
2.1.1、晶闸管谐振型
文献[31]提出了一种基于串联晶闸管阀组的谐振型升压变换器，如图9所示。并提出了适用于潮流反转的晶闸管阀组反并联的谐振拓扑。该类拓扑通过调频来实现电压和功率控制，并利用谐振电压实现阀组的反压关断。文献[32]提出将受端替换为二极管整流桥以降低成本，文献[33-34]针对该类变换器在直流电网中的应用及故障清除能力进行了相应研究，表明其具有相应的直流故障穿越能力。
相比于全控型器件，晶闸管具有更强的耐压、通流、过流能力，通态损耗更小，成本更低。且晶闸管的串联均压技术成熟，易将其串联以构造高压大容量拓扑。但此类拓扑存在直流电流脉动大、谐波质量差等问题，且对晶闸管触发的精确性与谐振电容的参数稳定性极为敏感。另外，由于高压侧与低压侧共用了谐振电容，低压侧的晶闸管阀组与谐振电容均需耐受约1.4倍的高压侧直流电压[35]，为器件选型带来了困难。
2.1.2、双有源桥型
双有源桥(dualactivebridge，DAB)式隔离型双向DC/DC变换器(isolatedbidirectionaldc-dcconverter，IBDC)的基本拓扑结构如图10所示。文献[36]使用集成门极换流晶闸管(intergratedgatecommutatedthyristors，IGCT)搭建了三相5kV/5MW的DAB变换器，并提出了一种防隔离变压器磁芯饱和的控制方法。文献[37]使用IGCT搭建了1.5kV/2MW样机，提出并联缓冲电容，使用软开关控制降低系统损耗。
DAB变换器依靠全控型器件进行器件主动换流，通过调节原副边两个交流电压的大小和相位即可调节功率流动的大小和方向。其控制简单，易于实现开关管的ZVS开通和二极管的ZCS关断[38]。但在较高的电压下，高du/dt、di/dt以及杂散参数引发的过电压问题将严重危害设备的绝缘安全[35]，且全控型器件串联的静动态均压设计极为困难，故单个DAB变换器难以满足高压大容量的需求。
2.1.3、模块化隔离型
由于全控器件的串联特性不佳，故可将若干变换器单元进行串并联组合，即可构成模块化隔离型直流变压器(modularisolatedDCT，MI-DCT)。最为常见的组合方式有输入并联输出串联(inputparalleloutputseries，IPOS)结构[39]和输入串联输出串联(inputseriesoutputseries，ISOS)结构[40]，如图11所示。文献[41]提出将ISOS结构用于直流电网互联，并在控制器中集成了直流潮流调节功能。
同时，为改善MIDC变换器的工作性能，国内外学者对模块单元的拓扑进行了进一步的研究和改进。文献[42]分析比较了6种不同的DC/DC拓扑，认为DAB型和LC谐振型(如图12(a))具有更小的器件应力和更高的工作效率。文献[39]对比了较宽范围内的工作效率和器件应力，选用LLC型作为模块单元组成MIDC变换器，如图12(b)所示。文献[43]提出了一种基于开关电容接入式模块的IPOS型MIDC变换器，如图12(c)所示。通过引入一次侧全桥的直通状态进行电压匹配，并能够在直流侧短路时快速抑制故障。文献[44]提出在模块单元中增加一级半桥电路进行电压匹配，如图12(d)所示，该拓扑可快速旁路故障子模块，或可工作于直流断路器模式快速隔离外部故障。
模块化串并联方案避免了功率器件的直接串联，有效提升电压和功率等级。同时，子单元拓扑可根据应用场景、功能需求、性能指标差异化选择，降低了系统的损耗和成本，灵活性较强，在系统扩容、散热设计等方面具有较大优势[45]。目前，该拓扑在配网领域已有一定的工程示范应用，如珠海唐家湾示范工程[46](IPOS，±10kV/±375V，2MW)、东莞松山湖示范工程[47](ISOS，±10kV/±10kV，10MW)等，但仍属于中低压中小容量范围。
在高压大容量场景下，该拓扑可能需要数十甚至数百个子单元进行串并联，其中串联侧模块的隔离变压器存在直流电压偏置，绝缘等级甚至会高达数百千伏[39]，且受到漏感、分布电容等因素影响，所用中频变压器的磁芯和散热必须重点考虑，增加了变压器的设计难度和应用成本[48]。在直流侧短路故障时，该拓扑的滤波电容将会迅速放电，导致故障电流的增加，加大了保护措施的配置难度。
2.1.4、F2F-MMC型
模块化多电平变换器技术(modularmultilevelconverter，MMC)的发展与应用[49]为构造高压大容量DCT提供了更多可能与思路。将MMC变流器的交流侧互联，可构造面对面型MMC(fronttofrontMMC，F2F-MMC)直流变压器。
根据对变比及隔离需求的不同，F2F-MMC变换器可分为隔离型与非隔离型2种，如图13所示。文献[50]提出了一种非隔离型单相F2F-MMCDCT，简述了其直流功率控制方法，并指出其能够省去变压器的体积和重量，且工作效率更高。文献[51]提出了一种隔离型单相F2F-MMCDCT，并介绍了一种基于频率调制的电压控制方法。在桥臂子模块的选择上，可选用半桥子模块(half-bridgesub-module，HBSM)或全桥子模块(full-bridgesub-module，FBSM)。同时，文献[52]提出桥臂子模块也可选用半桥子模块和T型桥子模块混合型，该种组合方式不仅能够满足故障隔离需求，还具有良好的经济性。
同时，F2F-MMC型变换器中间隔离变压器中的交流波形除了使用正弦波外，还可使用梯形波或者方波，能够降低变换器的运行损耗，提升功率等级[51,53]。同时，若在中间交流环节使用中频交流(100~400Hz)，能够在保证损耗和成本不变的同时大幅减小隔离变压器体积[54]。但中频隔离变压器仍然存在铁芯损耗大、漏感设计困难、寄生参数等问题，为其在高压大容量领域的应用带来了困难。
2.1.5、桥臂混合型
在F2F-MMC的基础上，使用串联开关器件和子模块共同构造桥臂，并改进MMC桥臂换流方式，即可得到桥臂混合型DCT。可依据其换流原理的不同分为两类，下面进行介绍：
1、AA-MMC型DCT
在MMC变换器的基础上将开关器件和子模块串联构造桥臂，可得到桥臂交替导通型MMC(alternativearmMMC，AA-MMC)拓扑[55]，文献[56]将AA-MMC拓扑称为混合型MMC(hybridMMC，HMC)拓扑。将AA-MMC变换器的交流侧互联，即可构造AA-MMC型DCT，如图14(a)所示。文献[54]提出了一种单相隔离型AA-MMCDCT，通过500Hz中频变压器进行隔离升压，相比于工频损耗略微提升但成本大幅降低。
同理，为了进一步提升传输容量，可构造三相AA-MMC型DCT。文献[57]提出一种非隔离型三相AA-MMCDCT，给出了基本的电压功率控制方法，并对其运行损耗和故障特性进行了分析。
文献[58]将AA-MMC与传统MMC相结合，提出一种混合型三相隔离MMCDCT拓扑，如图14(b)所示。并提出在中间交流环节使用350Hz中频来减小系统体积。文献[54]则指出该种混合型MMC拓扑可用于连接LCC-HVDC和VSC-HVDC系统。
对于AA-MMC拓扑，子模块通常需选用一定数量的全桥模块以保证故障隔离能力。对于连接LCC-HVDC和VSC-HVDC系统的应用，需要在LCC侧采用全桥，在VSC侧采用半桥[40]，以满足在潮流反转时的电压电流极性改变需求。
在AA-MMC的基础上，文献[59]将串联器件构成的H桥并联至MMC桥臂的两端，如图15所示。该拓扑使用MMC桥臂生成半波正弦电压，再通过H桥将半波正弦电压合成为完整正弦进入中频变压器。该拓扑相比于传统的AA-MMC能够节省大量的子模块，但由于所用子模块均为半桥子模块，使其并不具备直流故障阻断能力。
由以上回顾可以看出，AA-MMC型DCT的构造遵循“MMC桥臂生成半波电压——串联器件投切合成完整电压”的原理，该类拓扑减少了子模块的使用数量，但也带来了串联器件均压、投切时刻控制困难等问题。
2、柔性换流型DCT
除了使用串联器件投切合成MMC波形的思路，另一种思路是使用MMC控制串联器件桥臂的换流过程。文献[60]提出了用于全直流海上风电汇集送出场景的晶闸管、二极管和有源桥臂混合的面对面型拓扑结构，如图16所示。该拓扑通过控制有源桥臂的输出电压，实现对晶闸管和二极管换流过程的控制，结合了MMC桥臂波形高度可控的特点与晶闸管、二极管阀组低导通损耗、高功率密度、串联技术成熟的优势，但仅能实现功率的单向传输，且换流过程中MMC桥臂波形复杂，控制较为困难。
2.1.6、变压器新式连接型
与桥臂混合型MMCDCT改进桥臂和换流方式的思路不同，变压器新式连接型则通过改进中间变压器绕组的连接方式以获得更好的性能。总体而言可分为3类。
1、绕组串联型。
文献[61]提出了一种变压器绕组串联式DCT，如图17所示。该种拓扑使用了分立的隔离变压器，将变压器高压侧串联以进一步提升电压等级。该种拓扑能够大幅减小低压侧器件应力，且中间变压器不存在直流偏置，绝缘设计较为容易。但由于其串联结构，任一变压器的损坏都将导致整个设备停运。
2、分相级联型。
文献[62]提出一种分相级联型F2F-MMC变换器，高压侧的3个变压器绕组分立接入3个子模块H桥后再串联，如图18所示。该拓扑具备良好的电能输出质量，能够进一步提升电压变比。但由于其隔离变压器中存在较大直流分量，增加了绝缘设计难度，且子模块数量较多，成本较高。
3、绕组-桥臂串并联型。
除上述两类拓扑外，还有一种思路是将绕组直接与桥臂串并联使用。文献[63]提出了一种绕组-桥臂串联型DCT拓扑，如图19(a)所示，该拓扑将变压器绕组直接串联至桥臂中，仅使用两个桥臂即可正常运行，但需要额外使用串联LC构造交流回路。文献[64]则提出将变压器绕组并联至桥臂两端，如图19(b)所示。该拓扑将桥臂生成的电压直接导入变压器，同样能够减少子模块的使用数量，但也需要额外使用串联LC来阻断直流通路。
通过以上研究回顾，可进一步总结得出，除晶闸管谐振型外，常见的面对面型DCT采用电磁变换原理，即交流变压器进行变压，并使用器件串联技术和MMC技术提升电压等级和容量。由于使用了交流变压器，使得该类拓扑具备高电压变比与电气隔离的技术特点。但其电压转换也需经历“DC/AC-AC/AC-AC/DC”三级变换，导致其效率降低，且所需器件较多，增大了面对面型DCT的硬件成本。
2.2、自耦型DCT
自耦型DCT使用MMC技术构建功率回路，其低压侧直流端口与高压侧直流共用了一部分桥臂，类似于交流自耦变压器，故将此种结构称为自耦式模块化多电平结构(auto-transformerMMC，AT-MMC)。根据拓扑中是否包含有交流变压器，可分为直接自耦型拓扑和变压器自耦型拓扑。
2.2.1、直接自耦型
构造了一种AT-MMCDCT拓扑，如图20所示，并提出了一种基于平均电流控制的电容电压平衡方法。该拓扑工作原理类似于DC/DC斩波电路，结构简单且具备双向功率传输能力，通过增加上桥臂子模块即可实现较高的电压变比。但高变比场景中下桥臂电流应力较大，且需要大容量的无源滤波装置。文献[66]进一步阐述了该种拓扑的演变规律，指出该种拓扑可由Boost电路和Buck电路演变而来，如图21所示。同时，提出了一种桥臂电感与子模块电容谐振的工作模式。
为进一步提升AT-MMCDCT的容量，文献[67]提出一种三相并联型AT-MMCDCT，如图22所示。变换器内交流分量用于在各相之间进行功率再分配，三相输出侧通过耦合电感交错并联滤波，子模块采用全半桥混合配置。文献[68]将该种拓扑级联后用于对称双极系统与对称单极系统间的互联，并提出了基于等效桥臂电流的控制方法。虽然耦合电感一定程度上减小了电感值，但大容量下该电感的体积重量仍然庞大。
文献[69-70]提出了单极推挽式AT-MMCDCT拓扑和两极推挽式AT-MMCDCT拓扑，如图23(a)、(b)所示。类似地，其构造了交流回路以进行功率平衡，双边桥臂工作于波形互补状态。同时，文献[70]将这两种拓扑与ISOS型DAB变换器在多种场景下进行了对比，认为AT-MMCDCT更加适用于高压大功率小变比场合。文献[71]详细分析了该拓扑的控制方法和子模块最优配置策略，并搭建了1.2kW的实验样机。
在前述拓扑结构的基础上，文献[72]提出了一种三相两极推挽式AT-MMC直流变压器拓扑，如图24所示。该拓扑可实现双向能量传输，适用于双极高压直流电网系统。同时，由于该拓扑的各桥臂由半桥子模块和全桥子模块共同构成，具备隔离并清除直流故障的能力。文献[73]将AT-MMC拓展至多端口，提出了一种适用于直流电网互联的多端口AT-MMCDCT，具有子模块数量少、投资成本小、体积小等优点，如图25所示。
则使用模块化串并联的思想，使用图22所示拓扑为子模块单元，构建了基于自耦原理的多端口模块化串并联DCT，如图26所示。子模块可直接连接，也可交错连接以获得更高的电压变比。如需扩容或增加端口，仅需增加串并联模块数量，且模块故障仅会降低功率传输能力而不会导致端口退出运行。但此种设计也带来了高昂的硬件成本和控制压力。
2.2.2、变压器自耦型
相比于直接自耦型变换器通过多相并联构造交流回路以平衡功率，文献[75]提出一种带变压器的AT-MMC直流变压器的拓扑，高压直流侧可看作由两个MMC变换器串联构成，连接点抽出作为低压直流侧的输出端，两个MMC的中点通过中频交流变压器连接，构建了上下桥臂间的交流能量传递通路，如图27所示。
在此基础上进一步研究了该种带变压器的AT-MMCDCT与电网的连接方式，通过使用三绕组变压器，可方便的将该种拓扑构成双极或多端口形式，与交流电网进行连接，如图28所示。同时，文献[76]归纳了基于直接自耦型、变压器自耦型和F2F-MMC的DC/DC/AC多端口拓扑族，并给出了基本的功率控制架构和工作模式切换方法。
则在图27的基础上提出了一种共交流端的AT-MMCDCT，如图29所示。其将每个MMC中点通过中频变压器互联在一起，构造了一个公共交流端口以供能量流动。同时，文献[78]提出使用中间MMC控制共交流侧电压，两侧MMC控制直流功率，并分析了该拓扑在LCC-HVDC和VSC-HVDC互联场景下的故障穿越策略。
在此基础上，文献[80]提出了一种多端口共交流端AT-MMCDCT拓扑。将多个MMC换流器串联，并将连接处抽出构成多个直流端口。该拓扑能实现多个电压等级的直流系统互联。但每个MMC换流器和变压器必须根据端口进行不同的设计，如需增加DC端口，将需要重新设计MMC和变压器。
总的来说，AT-MMC型DCT使用分压原理进行变压，因而仅适用于中小变比场合。无论拓扑中是否含有交流变压器，AT-MMC型DCT的子模块数量都根据高压侧电压配置，非高压侧可共用桥臂子模块，相比于F2F-MMC型DCT，同电压下子模块数量仅与F2F-MMC型的一侧相当，能够大大减少开关器件的使用。但所需的大容量无源元件体积重量庞大，设计困难，增加了应用难度。
2.3、混合级联型DCT
混合级联型直流变压器(hybridcascadedDCtransformer，HC-DCT)，也称容性能量转移型直流变压器(capacitiveenergytransferDCtransformer，CET-DCT)，使用MMC技术构建能量存储回路，使用串联开关构建能量转移回路，通过对直流电能的输入-存储-输出的形式进行变压。
提出一种混合级联型DCT拓扑，如图30所示。该拓扑通过控制开关管不断在高低压侧切换，将子模块电容中的能量在不同电压等级之间进行转移。文献[82]在此基础上，使用反并联晶闸管作为串联开关，在具备双向传输能力的同时，通过闭锁子模块和晶闸管出发脉冲，可快速切除故障。
根据能量存储回路连接方式的不同，文献[81]将图30所示拓扑称为P2L(paralleltwo-lever)结构，并进一步提出了S2L-HV(seriestwo-leverwithswitchesonHVside)、S2L-LV(seriestwo-leverwithswitchesonLVside)结构和S3L(seriesthree-lever)结构，分别如图31(a)、(b)、(c)所示。
进一步指出了该类拓扑的演化规律，认为其来源于将传统DCT中的储能电感替换为MMC子模块，P2L型对应Buck-Boost电路，S2L-HV对应Buck电路，S2L-LV对应Boost电路。
与自耦型DCT相比，混合级联型DCT所需的电力电子器件更少，且能工作在软开关状态，损耗更低，同时省去了交流变压器和滤波电感。无论哪种混合级联型DCT拓扑，其直流电压等级和输入输出电压变比由能量转移回路中串联开关器件的数量和能量存储回路中子模块的数量直接决定，因此易于构造高压大容量拓扑。但在高变比下，串联器件均压问题和切换过程中的同步控制问题仍然严峻，故认为该种拓扑仍仅适用于中小变比场合。
3、高压大容量DCT拓扑特性归纳
无论容量大小、电压高低和拓扑种类，DCT在工作过程中都具有共性原理，并能够进行相互转化和演变。同时，如何依据其特点和性能为场景选择合适的拓扑，值得进一步讨论。
3.1、DCT共性原理
文献[84]指出，DCT每一个组成单元均可视作可控无损阻抗(controllablelosslessimpedance，CLI)。任一DCT至少包含两个CLI，一个负责维持双边电压差，一个负责传递直流功率，两者之间进行交流功率交换。为了确保变换器能够稳定工作，在一个时间周期内CLI的交直流功率之和应当为零。在此基础上，文献[84]总结了几类高压大容量DCT的能量传递路径，如图32所示。从图中可以看出，DCT中交流通路的重要作用为将由直流功率流经CLI所带来的不平衡功率进行转移，从而对CLI进行能量平衡。对于面对面型和混合级联型，部分直流能量通过交流能量的转移进行传递。对于自耦型变换器，由于低压侧滤波器的存在，交流能量只能在高压侧流动。
由以上分析可以看出，经典的低压小容量DCT通过斩波和伏秒平衡原理进行直流电能的变换，而高压大容量DCT由于难以承担高电压大电流的剧烈变化，原理更偏向于使用MMC在变换器内部构造了交直流能量通路，并使用直流通路传递功率，使用交流通路平衡功率。
进一步，参考经典非隔离DCT向隔离型的转换过程(Buck向正激，Buck-Boost向反激)，通过对变换器内部交直流能量通路之间的进行连接与转换，例如桥臂拆分、变换器内交流节点增加变换器、增加电压支撑桥臂等，即可实现各类拓扑结构之间的相互转换，如图33所示。
3.2、高压大容量构造技术
从拓扑结构上看，高压大容量DCT拓扑可看作在经典的DC/DC拓扑基础上进行了高压大容量构造，构造方法可归纳为器件串并联，模块串并联及MMC替换3种。各类拓扑结构、变换原理及所用高压大容量构造方法总结如下：
1、面对面型变换器使用最经典的直/交/直转换思路，直流电压的变换主要来源于交流环节的谐振或电磁转换。在向高压大容量演化过程中，一方面通过将器件串联(晶闸管、IGCT)或将开关桥臂替换为MMC桥臂，另一方面则通过将多个变换器模块的串并联，以实现电压等级和容量的提升。
2、自耦型变换器的工作原理类似于经典非隔离型DC/DC，使用分压的原理进行直流变压变换，结构上可看作将经典非隔离型DC/DC中的开关器件替换为MMC桥臂。同样，也可将自耦型变换器当做模块进行串并联进一步提升电压和容量。
3、混合级联型使用容性能量转移原理进行直流电压变换，其可看作将基本DC/DC电路中的储能电感替换为了MMC子模块，并将开关器件和二极管进行串联以提升电压等级。
3类典型DC/DC的特点归纳如表2所示。
对于现有的3类拓扑，其构造过程中所使用的MMC技术已经较为成熟，易于进行工程应用。但对于面对面型拓扑和自耦型拓扑，其所用的大容量滤波电感或中频大容量变压器设计制造困难，且面对面型拓扑所用器件数量偏多，成本较高；对于混合级联型拓扑，其所需的器件串联技术仍然存在均压、同步控制等问题。以上技术短板提升了高压大容量DCT的工程应用难度，也为应用时的拓扑选择和设计带来了挑战。
3.3、DCT拓扑选型原则
在选择所需的高压大容量DCT拓扑时，往往需要根据不同的应用场景和性能指标，进行多方面的考量和对比后选择不同的拓扑结构。通常，选择时可根据以下3个维度进行考量。
1、依据所需电压变比的大小和所应用的电压等级进行选择，对于高压中大变比，考虑带隔离变压器的面对面型拓扑；对于中压大变比，考虑使用IPOS结构拓扑；对于高压中等变比，考虑使用自耦型或混合级联型拓扑。
2、依据传递功率的大小选择拓扑的种类和相数。对于中小容量，可采用单相拓扑；对于大容量，考虑采用三相或多相拓扑，并可使用端口串并联或桥臂串并联等方法进一步提升容量等级；
3、根据潮流反转、故障隔离、端口电压控制需求等要求选择合适的桥臂拓扑及子模块拓扑。在满足变换器整体功能性的前提下尽可能选用安全性更高、经济性更好的桥臂及子模块拓扑。
总体来说，选型时需在保证技术经济性的前提下首先关注变比与容量两大核心性能。结合表1场景需求及上述选型原则，可归纳各类拓扑的适用范围和拓扑选型流程如图34、35所示。
除此之外，单个功率半导体器件的功率极限、均压能力、电气应力、无源元件的大小重量及应用成本等也是高压大容量DCT拓扑选择中的一个重要因素。同时值得注意的是，各类拓扑的适用范围并不等于该拓扑的极限能力，例如非隔离型的自耦及混合级联拓扑在原理上同样能够实现高变比，但高变比下低压桥臂电流应力增大，使其不得不大量并联器件或桥臂，导致失去了经济性。最优的拓扑选择应当是考虑了元件参数、拓扑技术能力和应用经济性的综合决策。
4、研究展望
基于上述应用场景介绍及研究现状调研与总结，进一步分析了未来各个不同场景中高压大容量直流变压器可能的研究方向：
1、在源侧，当下深远海风场呈现广域集群化、大容量化发展趋势，单个风场可达百万千瓦以上，直流汇集送出方案相比传统交流汇集方式在线路损耗、汇集容量、集电成本等方面适应性更具优势。在深远海风场直流汇集方案中，为减少变换级数，提升汇集效率和汇集经济性，要求DCT具有百兆瓦、高变比的性能特点。同时，现有的拓扑多为纯单向或对称双向，难以契合远海风场正向大容量外送、启动时反向小容量取能的技术与经济性需求。如何构建高变比百兆瓦级DCT拓扑，如何构建兼具传输能力与经济性的功率非对称双向DCT拓扑，将会是未来源侧DCT的一个重要研究方向。
2、在网侧，DCT将用于连接不同电压等级直流电网。然而，直流电网作为典型百分百电力电子化系统，设备响应速度快，耐受极端应力能力差。且高压大容量DCT作为电力电子设备，过流和过压能力都较差。因此有必要进一步研究DCT故障保护和故障穿越技术，形成主动控制、保护设备配置、系统级协同等多层级故障防护体系，提高设备和直流电网的可靠性。
3、在荷侧，未来随着直流电网的继续发展，直流“源-网-荷”的格局进一步成型，将会有愈来愈多的大容量直流负荷(城市充电桩集群、储能电站、大容量数据中心等)供电需求。DCT作为直流输配电网的核心装备，将承担起能量路由器的作用，可形成多端口AC、DC互联，并集成电能质量管理、潮流调节、负荷控制等功能，为直流输配一体化建设、充电桩友好接入、多元负荷供电等提供有力的技术支撑。
除了针对不同应用场景的发展研究方向外，从“器件-装备-系统”层面，以下几类高压大容量DCT的共性技术也值得持续关注和进一步深入研究：
1、新一代大容量电力电子器件应用技术。
随着新一代大容量电力电子器件如IGCT、SiC的持续发展与IGBT容量及串并联技术的进步，DCT的性能将会进一步的提升。如何利用好先进器件的能力，并结合器件能力进行拓扑构造与设计，将会是未来需要持续关注的方向。
2、高压大容量DCT精确建模及仿真技术。
作为大容量电力电子设备，DCT的建模及仿真技术存在诸多挑战，需根据不同场景和情形采用不同的建模和仿真技术。稳态下，DCT常常包括数百个子模块和串联器件，需研究在满足工程精准度需求的前提下的简化等效模型技术，提升仿真速度。暂态下，DCT内部寄生参数分布复杂，且在暂态过程中电压电流变化剧烈，需根据控保需求研究DCT精确电磁暂态建模技术，准确描述故障后一段时间内的DCT行为特点。
3、DCT与直流系统交互特性研究。
作为新型电力电子设备，高压大容量DCT与外部直流电网将存在一系列新的交互特性。未来需进一步研究不同的直流电网架构及不同的DCT拓扑下设备与电网的交互机理，包括稳态下的能量交互特性与暂态下的故障传播特性，为设备与电网的协调控制及“源-网-荷”协同互动提供技术支撑。
5、结论
本文首先分析了高压大容量DCT的三类典型应用场景，并在应用场景的基础上总结了其重点技术需求。接着对于现有的高压大容量DCT的各类拓扑结构和原理特点进行了分类介绍，并归纳了高压大容量DCT的共性原理和演化规律，得到了以下结论：
1、高压大容量DCT的主要应用场景为源侧直流汇集、网侧电网互联及荷侧输配互联。不同场景为DCT提出的技术需求可分为包括变比、容量及成本的性能需求及包括双向传输、隔离、方式切换、故障防护等的功能需求两大类。
2、依据结构特点，现有的高压大容量DCT可分为面对面型、自耦型、混合级联型3类。分别采用了电磁变换、分压、容性能量转移的变压原理，各自采用了器件串联、模块化多电平、变换器单元串并联等高压大容量构造方法。
3、DCT均具有直流通路传递功率、交流通路平衡功率的工作原理。而根据其不同的工作特性和构造方式，不同的拓扑种类也有不同的适用范围。针对特定的应用场景，需从变比、容量、功能维度选择适用拓扑，并尽可能提高技术经济性。
4、立足于应用场景，未来高压大容量DCT将在大容量高变比拓扑、故障特性与故障保护、多端互联与电能路由等方面进一步研究。同时，新一代大容量器件的应用、建模及仿真技术的完善、设备与系统交互特性的研究将会为DCT的持续发展注入新的动力。
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