Symmetrical Hybrid High-voltage DC Transformer for Large-scale Transmission of Deep-sea Offshore Wind Power

DENG Weihua; CHEN Kailong; JIANG Donghao; TIAN Changgeng; ZHANG Zhibo; HAN Naizheng

doi:10.7500/AEPS20250519006

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Symmetrical Hybrid High-voltage DC Transformer for Large-scale Transmission of Deep-sea Offshore Wind Power

Application Research | 更新时间：2026-10-16

- Symmetrical Hybrid High-voltage DC Transformer for Large-scale Transmission of Deep-sea Offshore Wind Power
- Automation of Electric Power Systems Vol. 50, Issue 20, Pages: 166-178(2026)
- 作者机构：
  
  先进输电技术全国重点实验室（中国电力科学研究院有限公司），北京市 102209
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  State Grid Corporation of China(5500-202358693A-3-3-JC)
- DOI：10.7500/AEPS20250519006
  CLC：
- Received：19 May 2025，
  
  Revised：2025-11-06，
  
  Online First：26 December 2025，
  
  Published：25 October 2026
- 稿件说明：
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邓卫华,陈凯龙,蒋东昊等.适用于深远海风电大规模送出的对称混合型高压直流变压器[J].电力系统自动化,2026,50(20):166-178.

DENG Weihua,CHEN Kailong,JIANG Donghao,et al.Symmetrical Hybrid High-voltage DC Transformer for Large-scale Transmission of Deep-sea Offshore Wind Power[J].Automation of Electric Power Systems,2026,50(20):166-178.
邓卫华,陈凯龙,蒋东昊等.适用于深远海风电大规模送出的对称混合型高压直流变压器[J].电力系统自动化,2026,50(20):166-178. DOI： 10.7500/AEPS20250519006.

DENG Weihua,CHEN Kailong,JIANG Donghao,et al.Symmetrical Hybrid High-voltage DC Transformer for Large-scale Transmission of Deep-sea Offshore Wind Power[J].Automation of Electric Power Systems,2026,50(20):166-178. DOI： 10.7500/AEPS20250519006.

摘要

全直流技术作为前瞻性研究热点，有望成为支撑未来深远海风电大规模汇集与送出的有效途径。新型大容量、轻型化的直流变压器拓扑对于推动新能源全直流汇集送出的发展具有重要意义。文中提出了一种对称混合型高压直流变压器拓扑，基于柔性换流机理，结合晶闸管、二极管阀组导通损耗低的优势与子模块桥臂电压、电流波形高度可控的特点，阀组可在理想的低电压下开通、在反压下可靠关断，子模块桥臂对阀组换流路径与波形进行主动控制，解除了直流电流和变压器电流之间的耦合关系，有效降低了换流阶段桥臂电流幅值，子模块电容容量大幅减小。详细介绍了所提拓扑的电路结构、工作原理以及控制策略，并通过了40 kV/400 kV、100 MW仿真模型和小功率实验样机的验证。最后，通过与现有对称混合型高压直流变压器进行对比分析，说明了所提直流变压器拓扑的技术经济性。

Abstract

As a promising research frontier

the all-DC technology is expected to play a crucial role in the large-scale collection and transmission of deep-sea offshore wind power in the future. The development of new large-capacity

lightweight DC transformer topologies is vital for advancing the development of all-DC collection and transmission of renewable energy. This paper proposes a symmetrical hybrid high-voltage DC transformer topology. Based on a flexible commutation mechanism

and combining the low conduction losses of thyristors and diode valve groups with the highly controllable characteristics of the sub-module-bridge-arm voltage and current waveforms

the valve groups can be turned on at an ideal low voltage and turned off reliably at a reverse voltage. The sub-module bridge arms actively control the commutation paths and waveforms of the valve groups

dissolving the decoupling between the DC current and the transformer current. The circuit structure

working principle

and control strategy of the proposed topology are described in detail and verified through a 40 kV/400 kV and 100 MW simulation model and a small-power experimental prototype. Finally

the technical economy of the proposed DC transformer topology is demonstrated through a comparative analysis with the existing symmetrical hybrid high-voltage DC transformer.

关键词

Keywords

references

国家能源局 . “十四五”现代能源体系规划［EB/OL］. （ 2022-01-29 ）［ 2025-03-19 ］. http：//zfxxgk.nea.gov.cn/2022-01/29/c_1310524241.htm http://zfxxgk.nea.gov.cn/2022-01/29/c_1310524241.htm .

National Energy Administration . “ 14th Five-Year Plan” modern energy system planning ［EB/OL］. （ 2022-01-29 ）［ 2025-03-19 ］. http：//zfxxgk.nea.gov.cn/2022-01/29/c_1310524241.htm http://zfxxgk.nea.gov.cn/2022-01/29/c_1310524241.htm .

中国可再生能源学会风能专业委员会 . 海上风电回顾与展望2025 ［R］. 2025 .

Wind Energy Professional Committee of the Chinese Renewable Energy Society . Review and prospect of offshore wind power 2025 ［R］. 2025 .

赵靓 . 2023年中国海上风电新机型统计［J］. 风能， 2024 （ 1 ）： 34 - 38 .

Zhao Liang . Statistics of new generator types of offshore wind power in China in 2023 ［J］. Wind Energy ， 2024 （ 1 ）： 34 - 38 .

Pan E S ， Yue B ， Li X ， et al . Integration technology and practice for long-distance offshore wind power in China ［J］. Energy Conversion and Economics ， 2020 ， 1 （ 1 ）： 4 - 19 .

赵国亮，陈维江，邓占锋，等 . 柔性低频交流输电关键技术及应用［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 15 ）： 1 - 10 .

Zhao Guoliang ， Chen Weijiang ， Deng Zhanfeng ， et al . Key technologies and application of flexible low-frequency AC transmission ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 15 ）： 1 - 10 .

Elliott D ， Bell K R W ， Finney S J ， et al . A comparison of AC and HVDC options for the connection of offshore wind generation in Great Britain ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2016 ， 31 （ 2 ）： 798 - 809 .

马秀达，卢宇，詹长江，等 . 海上风电多端柔性直流输电系统及直流故障处理方案［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 17 ）： 81 - 89 .

Ma Xiuda ， Lu Yu ， Zhan Changjiang ， et al . Multi-terminal flexible DC transmission system for offshore wind power and its DC fault clearance scheme ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 17 ）： 81 - 89 .

任子雨，董炜，王冠中，等 . 故障恢复阶段低电压穿越主导的电压振荡影响参数分析［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 8 ）： 110 - 117 .

Ren Ziyu ， Dong Wei ， Wang Guanzhong ， et al . Analysis on influencing parameters of voltage oscillation dominated by low voltage ride-through during fault recovery ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 8 ）： 110 - 117 .

魏辰阳，汤广福，吴奕霖，等 . 高压大容量直流变压器拓扑研究综述及展望［J］. 中国电机工程学报， 2024 ， 44 （ 17 ）： 6940 - 6959 .

Wei Chenyang ， Tang Guangfu ， Wu Yilin ， et al . Overview and prospect of topology research on high voltage and large capacity DC transformer ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2024 ， 44 （ 17 ）： 6940 - 6959 .

李楚杉，方恒，龚青苑，等 . 模块化多电平中压直流变换器的高可靠自供电架构研究［J］. 中国电机工程学报， 2024 ， 44 （ 2 ）： 670 - 681 .

Li Chushan ， Fang Heng ， Gong Qingyuan ， et al . Research on the architecture of highly reliable self-powered system for modular multilevel medium voltage DC converters ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2024 ， 44 （ 2 ）： 670 - 681 .

Aboushady A A ， Ahmed K H ， Abdelsalam I . Modified dual active bridge DC/DC converter with improved efficiency and interoperability in hybrid LCC/VSC HVDC transmission grids ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2021 ， 9 （ 6 ）： 6963 - 6973 .

Ansari M S ， Shukla A ， Bahirat H J . A novel hybrid multilevel DC-DC converter employing trapezoidal modulation ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2023 ， 38 （ 10 ）： 12679 - 12691 .

Chen R T ， Li C S ， Fang H ， et al . Analysis and design for medium voltage dual active bridge converter based on series-connected SiC MOSFETs ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2023 ， 38 （ 12 ）： 15620 - 15633 .

Ma Y Q ， Zhao B ， Cui B ， et al . An IGCT-series-based DC transformer with quasi-zero switching loss modulation by minimum backflow power injection ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2023 ， 38 （ 12 ）： 15566 - 15578 .

Sharifabadi K ， Harnefors L ， Nee H P ， et al . Design， control and application of modular multilevel converters for HVDC transmission systems ［M］. Piscataway， USA ： Wiley-IEEE Press ， 2016 .

冯甘雨，李学宝，陶琛，等 . 高压大功率IGBT短路失效机理及保护技术研究综述［J］. 电工技术学报， 2025 ， 40 （ 16 ）： 5044 - 5067 .

Feng Ganyu ， Li Xuebao ， Tao Chen ， et al . A review of short-circuit failure mechanism and protection technology of high-voltage and high-power IGBT device ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2025 ， 40 （ 16 ）： 5044 - 5067 .

Mukherjee D ， Paximadas J ， Banerjee A . A composite converter architecture for wind energy systems connected to AC grid ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2025 ， 40 （ 9 ）： 13584 - 13602 .

Singh S ， Bhattacharya T ， Chatterjee D . Communication-less proportional voltage balancing to set up a voltage-sourced platform-less DC collection system for offshore wind farms ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2025 ， 40 （ 10 ）： 15478 - 15490 .

Huang X J ， Sun Y ， Ning G F ， et al . Single-stage switched-capacitor integrated DC transformer for DC distribution networks ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2025 ， 40 （ 11 ）： 17234 - 17245 .

Sun Q H ， Li Y L ， Liu G W ， et al . Multiple-modular high-frequency DC transformer with parallel clamping switched capacitor for flexible MVDC and HVDC system applications ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2020 ， 8 （ 4 ）： 4130 - 4143 .

Engel S P ， Stieneker M ， Soltau N ， et al . Comparison of the modular multilevel DC converter and the dual-active bridge converter for power conversion in HVDC and MVDC grids ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2015 ， 30 （ 1 ）： 124 - 137 .

王威望，刘莹，何杰峰，等 . 高压大容量电力电子变压器中高频变压器研究现状和发展趋势［J］. 高电压技术， 2020 ， 46 （ 10 ）： 3362 - 3373 .

Wang Weiwang ， Liu Ying ， He Jiefeng ， et al . Research status and development of high frequency transformer used in high voltage and large capacity power electronic transformer ［J］. High Voltage Engineering ， 2020 ， 46 （ 10 ）： 3362 - 3373 .

Bahmani M A ， Thiringer T ， Kharezy M . Design methodology and optimization of a medium-frequency transformer for high-power DC-DC applications ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2016 ， 52 （ 5 ）： 4225 - 4233 .

刘熠，王跃，武鸿，等 . 含单相面对面型MMC-DC/DC变换器的高压直流输电系统阻抗建模及稳定性分析［J］. 高电压技术， 2025 ， 51 （ 1 ）： 269 - 280 .

Liu Yi ， Wang Yue ， Wu Hong ， et al . Impedance modeling and stability analysis of HVDC system containing single-phase front-to-front MMC-DC/DC converter ［J］. High Voltage Engineering ， 2025 ， 51 （ 1 ）： 269 - 280 .

Tong L P ， Chen Y ， Cheng C Z ， et al . Asymmetrical quasi-two-level modulation of a compact modular multilevel DC-DC converter （MMDC） with reduced SM number ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2025 ， 40 （ 7 ）： 9388 - 9406 .

孙冠群，尹项根，赖锦木，等 . 模块化多电平直流变压器容错控制策略［J］. 电工技术学报， 2022 ， 37 （增刊1 ）： 246 - 256 .

Sun Guanqun ， Yin Xianggen ， Lai Jinmu ， et al . Fault-tolerant control strategy of modular multilevel DC transformer ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2022 ， 37 （ S1 ）： 246 - 256 .

饶宏，周月宾，李巍巍，等 . 柔性直流输电技术的工程应用和发展展望［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 1 ）： 1 - 11 .

Rao Hong ， Zhou Yuebin ， Li Weiwei ， et al . Engineering application and development prospect of VSC-HVDC transmission technology ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 1 ）： 1 - 11 .

肖晃庆，甘慧辰，黄莹，等 . 远海风电轻型化直流送出技术综述［J］. 高电压技术， 2025 ， 51 （ 6 ）： 2702 - 2719 .

Xiao Huangqing ， Gan Huichen ， Huang Ying ， et al . Review of lightweight DC transmission technology for offshore wind power ［J］. High Voltage Engineering ， 2025 ， 51 （ 6 ）： 2702 - 2719 .

李彬彬，王宁，赵晓东，等 . 适用于全直流海上风电场的柔性换流高压大容量直流变压器［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 22 ）： 129 - 141 .

Li Binbin ， Wang Ning ， Zhao Xiaodong ， et al . High-voltage large-capacity DC transformer based on flexible commutation for full-DC offshore wind farm ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 22 ）： 129 - 141 .

李彬彬，张玉洁，张书鑫，等 . 具备故障阻断能力的柔性直流输电DC/DC变换器［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 5 ）： 53 - 59 .

Li Binbin ， Zhang Yujie ， Zhang Shuxin ， et al . DC/DC converter with fault blocking capability for HVDC transmission system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 5 ）： 53 - 59 .

李彬彬，张书鑫，赵晓东，等 . 基于容性能量转移原理的高压大容量DC/DC变换器［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 3 ）： 1103 - 1113 .

Li Binbin ， Zhang Shuxin ， Zhao Xiaodong ， et al . Capacitive energy transfer principle based high-voltage high-power DC/DC converters ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 3 ）： 1103 - 1113 .

Zhao X D ， Li B B ， Xu D G . An MV hybrid isolated DC transformer for wide output voltage range applications ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2024 ， 71 （ 2 ）： 1583 - 1593 .

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