宮金武，查曉明,王 盼，劉 飛

（武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430072）

大容量多端口變換器拓?fù)溲芯烤C述

宮金武，查曉明,王 盼，劉 飛

（武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430072）

多端口變換器具有很多優(yōu)勢，研究并在電網(wǎng)中推廣應(yīng)用多端口變換器對電能的發(fā)、輸、配、用都具有重要意義。首先，概述和總結(jié)了國內(nèi)外在多端口變換器拓?fù)漕I(lǐng)域方面的最新研究進(jìn)展；然后，結(jié)合智能電網(wǎng)的需求，從容量、效率、成本、可靠性方面分析了各種多端口拓?fù)涞膬?yōu)缺點和適用范圍；最后，在此基礎(chǔ)上對大容量多端口變換器的拓?fù)錁?gòu)造方法進(jìn)行展望。構(gòu)造合適的能量傳輸路徑，在保證足夠的控制自由度條件下，通過器件或者模塊復(fù)用的方式，簡化主回路結(jié)構(gòu)，減少變換級數(shù)，達(dá)到減小體積和降低成本、降低損耗的目的。

智能電網(wǎng)；多端口變換器；拓?fù)洌淮蠊β?/p>

Abstract：The research and application of multi ports converter in power system is very important for power generation,transmission,distribution and consumption.First,recent advances in topology of multiport converters were reviewed and summarized in this paper.Then,considering the demand of smart grid,the advantages and disadvantages of various multi port topologies were analyzed in terms of capacity,efficiency,cost and reliability.On this basis,the topology construction method of high power multi port converter is prospected.The suitable energy transmission path is constructed under the condition of sufficient control degrees of freedom,and the main circuit is simplified and the number of energy transformations is reduced with the multiplex semiconductor devices of modules in the circuit,which can reduce the cost,the loss and the volume.

Keywords:intelligent grid;multi ports converter;topology;high power

近年來，可再生能源發(fā)電技術(shù)，尤其是分布式發(fā)電技術(shù)和儲能技術(shù)得到了快速的發(fā)展與應(yīng)用，成為當(dāng)前最受關(guān)注的研究熱點之一[1]。但可再生能源的隨機(jī)性和波動性以及大量不確定性負(fù)荷的接入，給電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、高效運行帶來一系列問題，嚴(yán)重影響了新能源的消納。為此，人們嘗試通過科學(xué)合理的手段對可再生能源發(fā)電的生產(chǎn)、傳輸、分配和消納全過程進(jìn)行有效控制與優(yōu)化，以達(dá)到最優(yōu)化利用可再生能源的目的[2]。

能源互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、微電網(wǎng)、柔性直流輸電、主動式配電網(wǎng)等概念被提出，并得到廣泛的研究[3]。分布式能源升壓匯集裝置、能源路由器、柔性多狀態(tài)開關(guān)、智能軟開關(guān)等基于現(xiàn)代電力電子技術(shù)的裝置是實現(xiàn)電能優(yōu)化利用的核心設(shè)備[4]。分析它們的拓?fù)?、功能可以發(fā)現(xiàn)：其核心都是多端口電力電子變換器。多端口變換器MPC（multi port converter）可代替原有多個分立變換器，具有高功率密度、高變換效率、體積重量小和成本低等優(yōu)勢[5]。

本文首先分析了多端口變換器在智能電網(wǎng)中各個方面的應(yīng)用前景；然后對各種多端口變換器拓?fù)浼捌鋬?yōu)缺點、適用范圍進(jìn)行了匯總分析；最后對適用于智能電網(wǎng)的大容量多端口變換器的拓?fù)鋬?yōu)化方向和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討。

1 多端口變換器在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)多端口變換器主要用在中小功率等級的各種DC-DC或DC-AC電源領(lǐng)域。目前隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，多端口變換器在中、高壓大功率電源、微電網(wǎng)、新能源發(fā)電、電能高效傳輸及分配等方面都將具有廣闊的應(yīng)用前景[6]。

1.1 新能源發(fā)電直流升壓匯集系統(tǒng)

新能源的發(fā)電方式主要是“集中式發(fā)電、中高壓接入、高壓遠(yuǎn)距離外送消納”和“分布式發(fā)電、低壓接入、就地消納”。目前集中式光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電采用的交流升壓匯集并網(wǎng)的方案存在較嚴(yán)重的穩(wěn)定性問題[7]，因此直流并網(wǎng)與直流升壓匯聚得到了關(guān)注。直流升壓匯聚方案中，光伏和風(fēng)機(jī)輸出中壓直流，在匯集變電站處通過多端口DC-DC變換器直接轉(zhuǎn)化為高壓直流，利于遠(yuǎn)距離傳輸。對比交流升壓匯聚，直流升壓匯集具有穩(wěn)定性好、傳輸損耗小、體積小、模塊化強、可擴(kuò)展性強等優(yōu)點，也將是未來大型新能源發(fā)電基地，尤其是海上風(fēng)電場發(fā)展的重要趨勢[8]。

如圖1所示，高壓大容量多端口DC-DC變換器是直流升壓匯集的核心設(shè)備，它的功能主要是匯聚多個風(fēng)機(jī)或者光伏陣列的輸出，實現(xiàn)高升壓比的DC-DC變換，輸出高壓直流到負(fù)荷中心附近的換流站。除具有多輸入多輸出的能力外，它還應(yīng)具有高效率、高可靠性的特點，在某個端口出現(xiàn)故障后不能影響其他端口的正常運行。目前大多采用各種模塊化變流器拓?fù)鋄9]。

圖1 采用多端口DC-DC變換器實現(xiàn)直流升壓匯集Fig.1 DC boost assembly realized by multi ports DCDC converter

1.2 分布式新能源發(fā)電及微電網(wǎng)系統(tǒng)

分布式新能源發(fā)電靠近負(fù)荷中心，具有良好的發(fā)展前景。為平抑分布式電源輸出功率的波動，通常需要配置一定容量的儲能裝置，目前主要是采用電池儲能。通過多端口變換器連接電網(wǎng)、分布式電源、儲能電池和負(fù)載，可以組成微電網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)能源的靈活高效使用；此外還可以充分利用峰谷電價差等，在故障情況下可起到應(yīng)急電源的作用，有效提高了電能質(zhì)量并增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[10]。文獻(xiàn)[11]通過構(gòu)造一種新型多端口變換器來優(yōu)化能量傳遞路徑，降低損耗；文獻(xiàn)[12]采用緊湊拓?fù)鋵崿F(xiàn)了多端口功能，實現(xiàn)了功率的靈活分配?；诙喽丝谧儞Q器實現(xiàn)的分布式發(fā)電儲能系統(tǒng)是實現(xiàn)分布式發(fā)電推廣，尤其是微電網(wǎng)、航天、海島等特殊應(yīng)用場合的一種優(yōu)選方案；變換器的拓?fù)涫菍崿F(xiàn)高效率和靈活性的關(guān)鍵點。

1.3 能源路由器和電力電子變壓器

在智能電網(wǎng)中，每個電力用戶不僅是電能的消費者，還能是電能的供應(yīng)者，因此需要能實現(xiàn)能量雙向管理功能的設(shè)備--能源路由器。目前已有文獻(xiàn)的各種能源路由器主要采用雙端口或多端口電力電子變換器[13]，它同時連接外部電網(wǎng)和不同的能源接口、負(fù)載等，能方便地實現(xiàn)能源點對點傳輸，實現(xiàn)“即插即用”功能，滿足能量管理、電能質(zhì)量控制、潮流調(diào)度等電網(wǎng)需求。

目前能源路由器主要采用基于高頻變壓器和半導(dǎo)體器件的多端口電力電子變壓器拓?fù)?PET（power electronic transformer）（又稱固態(tài)變壓器）。歐盟UNIFLEX-PM項目和美國FREEDM項目將PET比作未來能源網(wǎng)中的大腦和路由器，稱其是構(gòu)建未來能源互聯(lián)網(wǎng)的基本模塊[14]。文獻(xiàn)[15]提出一種適用于柔性直流配電網(wǎng)的高頻鏈直流固態(tài)變壓器；文獻(xiàn)[16]提出一種能實現(xiàn)自儲能的能源路由器功能的多端口變換器，利用多端口變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的某些橋臂充當(dāng)儲能系統(tǒng)的充放電接口，無需額外增加功率變換電路，即可靈活實現(xiàn)自儲能；文獻(xiàn)[17]研究了基于能源路由器的智能型分布式能源網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)、接入能源、運行控制等措施，分析了多端口變換器的作用。

隨著光伏等直流電源和直流負(fù)載的增多，能源路由器應(yīng)能滿足交流和直流不同輸入輸出的需求，在電路拓?fù)渖蠎?yīng)具有更多的兼容性和擴(kuò)展能力，這是今后多端口能源路由器的一個研究重點。

1.4 柔性多狀態(tài)開關(guān)

柔性多狀態(tài)開關(guān)是一種連接多個交流電網(wǎng)的電力電子裝置，它采用電力電子變換器取代機(jī)械開關(guān)來控制電網(wǎng)的連接或斷開狀態(tài)。除了能提供開關(guān)控制之外，還能實現(xiàn)如電壓電流補償、潮流控制等附加功能。目前能實現(xiàn)此功能的為可提供多個交流端口的大容量多端口變換器[18]。在柔性多狀態(tài)開關(guān)應(yīng)用于電力系統(tǒng)后，將會給電力系統(tǒng)帶來很多新特色，并給電力系統(tǒng)中存在的諸多難題的解決提供新思路。文獻(xiàn)[19]提出了采用多端口變換器為核心的智能軟開關(guān)SOP（soft open point）實現(xiàn)配電網(wǎng)柔性互聯(lián)技術(shù)，并對柔性互聯(lián)技術(shù)理念、特征與優(yōu)勢進(jìn)行了詳細(xì)闡述，對未來SOP在智能配電網(wǎng)中的典型應(yīng)用場景進(jìn)行了分析。

目前國內(nèi)外對柔性多狀態(tài)開關(guān)的研究主要集中在其規(guī)劃及運行控制方面[20]，其主電路是在同一地集中放置多臺背靠背變流器，并將它們的直流側(cè)并聯(lián)構(gòu)成的多端口變換器，但是這種方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、損耗大，不利于大規(guī)模推廣應(yīng)用。因此構(gòu)建更合適的多端口拓?fù)涫侨嵝远酄顟B(tài)開關(guān)實用化的關(guān)鍵。

2 各種拓?fù)涞亩喽丝谧儞Q器

2.1 共直流母線的多端口變換器

直流互聯(lián)不受相位與頻率的影響，不存在功角穩(wěn)定的問題。因此，將多個DC-DC或者AC-DC變換器通過共用的直流母線連接，即構(gòu)成了多端口變換器，通過直流母線實現(xiàn)能量的解耦與匯聚，如圖2所示。這種多端口變換器工作時通常有一個或幾個端口工作在維持其共用直流母線電壓穩(wěn)定的模式下，其余各端口根據(jù)控制需求進(jìn)行功率傳輸。根據(jù)各個端口直流側(cè)連接方式，又可以分為串聯(lián)型[21]和并聯(lián)型[22]。共用直流母線的并聯(lián)型多端口變換器是最常規(guī)的大容量多端口變換器，如圖2（a）所示。共直流母線的串聯(lián)型多端口變換可以實現(xiàn)高電壓輸出，如圖2（b）所示。為了適應(yīng)不同的電壓等級，各交流端口可以配合變壓器。

圖2 共直流母線的多端口變換器Fig.2 Multi ports converter for common DC bus

圖2中各個端口所接的DC-DC和AC-DC變換器可以是各種拓?fù)涞膯屋斎雴屋敵龅淖儞Q器。AC-DC變流器可以是兩電平、三電平或者多電平等拓?fù)?。為了實現(xiàn)更大容量，可以采用多個AC-DC變流器模塊并聯(lián)。

圖3 各種拓?fù)涞墓β誓KFig.3 Power modules with various topologies

為實現(xiàn)高壓大容量，可將如圖3所示的各種功率模塊級聯(lián)，得到各種模塊化多電平AC-DC變換器，再將其直流母線并聯(lián)就得到多端口變換器。級聯(lián)型變換器具有損耗較小、成本低等優(yōu)勢；通過合理的模塊冗余還能顯著提高裝置的可靠性。通過配置不同數(shù)量的子模塊，級聯(lián)多端口變換器可以方便地接入不同電壓等級的系統(tǒng)。從故障隔離能力考慮，通常要求各個變換器或子模塊具備故障隔離能力，不使某一個端口的故障影響到其他端口。

共直流母線的多端口變換器結(jié)構(gòu)相對簡單，技術(shù)較成熟，但是能量變換次數(shù)多，損耗大。

2.2 共交流母線的多端口變換器

借鑒傳統(tǒng)變電站中母線的概念，將多個變換器的交流側(cè)直接連接，或者通過變壓器連接在一起，就構(gòu)成了共交流母線的多端口變換器[23]，如圖4所示。將圖中的多個變壓器換成一個多繞組變壓器，就構(gòu)成了交流磁耦合形式的多端口變換器[24]。

圖4 共交流母線的多端口變換器Fig.4 Multi ports converter for common AC bus

圖4中各個子變換器都有交流端口，可以裝設(shè)隔離變壓器，因此這種拓?fù)渚哂泻芨叩碾娢桓綦x能力。通過采用中頻或者高頻變壓器，還可以減小變壓器等無源元件的體積。在故障隔離方面，除子變換器自身的故障隔離能力以外，還可以裝設(shè)交流斷路器，但是其能量傳遞路徑過長，效率受到影響。

2.3 基于九開關(guān)拓?fù)涞亩喽丝谧儞Q器

九開關(guān)變換器是近年來提出的一種用較少開關(guān)器件替代背靠背雙PWM變換器的電路拓?fù)鋄25]。相較于后者，九開關(guān)變換器開關(guān)器件的使用量減少了25%，具有開關(guān)器件使用量少、體積較小、損耗較低等優(yōu)點。傳統(tǒng)的九開關(guān)變換器具有2個交流端口和1個直流端口，可以用在不同的多端口場合。但是，九開關(guān)變換器需要增加直流電壓[26]。文獻(xiàn)[27]分析了九開關(guān)變換器在統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器UPQC方面的應(yīng)用，并對其調(diào)制策略及限制因素進(jìn)行了深入分析；文獻(xiàn)[28]在并網(wǎng)運行的九開關(guān)變換器的各個橋臂上巧妙地接入了光伏、儲能電池、超級電容，并對各部分能量流動進(jìn)行了獨立控制，實現(xiàn)了五端口變換器的功能，如圖5所示。

圖5 基于九開關(guān)拓?fù)鋵崿F(xiàn)的多端口變換器Fig.5 Multi ports converter based on nine-switch topology

雖然九開關(guān)變換器在一定程度上解決了多端變換器的問題，但是它仍是兩電平變換器，同樣具有輸出電壓質(zhì)量差、開關(guān)頻率高、損耗大等缺點。

2.4 直流-直流自耦變壓器拓?fù)涞亩喽丝谧儞Q器

文獻(xiàn)[29]借鑒了交流系統(tǒng)中自耦變壓器的原理，采用模塊復(fù)用的思想，實現(xiàn)了一種能同時連接多個直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)的高壓大容量多端口變換器，如圖6所示。

圖6 直流-直流自耦變壓器拓?fù)涞亩喽丝谧儞Q器Fig.6 Multi ports converter for DC-DC autotransformer topology

該拓?fù)溆啥鄠€DC-AC變換器子模塊串聯(lián)而成，為實現(xiàn)多端口，同時采用了共用的直流母線與交流母線。每個DC-AC變換器子模塊可以采用多電平結(jié)構(gòu)或者兩電平結(jié)構(gòu)，其直流側(cè)分別與對應(yīng)的直流電網(wǎng)相連（這些直流電網(wǎng)應(yīng)該是共地的不同電壓等級的電網(wǎng)），交流側(cè)通過變壓器或者電抗器與公共交流母線相連。正常工作時，一部分能量通過直流母線在各個直流端口之間直接傳遞；剩下的能量通過DC-AC變換器后經(jīng)交流母線在各個端口之間傳遞，這部分能量經(jīng)過了DC-AC-DC兩級變換。這種連接方式的特點是可以使用直流母線分擔(dān)一部分能量，從而減少DC-AC變流器中傳遞的能量，降低了損耗，也降低了DC-AC變流器的容量。例如在連接±320 kV和±400 kV直流電網(wǎng)時，該拓?fù)渌褂玫膿Q流器容量僅為常規(guī)技術(shù)的20%，具有突出的成本優(yōu)勢[30]。

2.5 三端口橋式變換器

多個全橋變換器可以采用共交流、直流母線或者磁耦合方式形成多端口變換器。除此之外，文獻(xiàn)[31]研究了一種基于全橋變換器的部分隔離型三端口變換器，采用4個開關(guān)管和4個整流管實現(xiàn)能量的三端口可控傳輸。

半橋變換器HBC（half-bridge converter）應(yīng)用廣泛，對其進(jìn)行改造，形成新的功率控制變量，可以滿足三端口系統(tǒng)功率控制需求[32]。在如圖7所示的三端口半橋變換器基本電路中，有輸入源Uin、蓄電池Ub和負(fù)載Uo，需要同時實現(xiàn)其中2個端口電壓（或電流）的控制，第3個端口用來平衡系統(tǒng)功率關(guān)系，這要求變換器中至少存在2個獨立控制量。為此，文獻(xiàn)[33]在HBC的原邊引入由開關(guān)管和二極管構(gòu)成的可控續(xù)流支路；文獻(xiàn)[34]通過利用HBC副邊同步整流電路，在控制上實現(xiàn)了原邊主開關(guān)管的解耦，增加了控制變量；文獻(xiàn)[35]通過將2個半橋變換器的原邊并聯(lián)，變壓器副邊繞組串聯(lián)，引入移相控制形成新的功率控制變量，以實現(xiàn)負(fù)載側(cè)的功率控制，滿足了三端口功率系統(tǒng)的控制需求。

圖7 三端口半橋變換器Fig.7 Three-port half bridge converter

三端口橋式變換器采用器件少、結(jié)構(gòu)簡單，尤其適合在中小功率的分布式電源接入、直流微電網(wǎng)、航天器供電等場合應(yīng)用。

2.6 模塊化多端高壓變換器

文獻(xiàn)[36]在九關(guān)變換器拓?fù)浠A(chǔ)上，結(jié)合級聯(lián)型變換器的結(jié)構(gòu)，對九開關(guān)變換器進(jìn)行改進(jìn)，提出了一系列多端高壓變換器拓?fù)?。?gòu)造這些多端口變換器的基本思想是將多個圖3所示的子模塊串聯(lián)替代九開關(guān)變換器中的開關(guān)管，得到一種適用高壓輸入，同時又實現(xiàn)了2個交流輸出和1個直流端口的三端高壓變換器，如圖8所示。

圖8 模塊化多端高壓變換器基本拓?fù)銯ig.8 Basic topology of modular multi terminal high voltage converter

對圖8所示的基本拓?fù)溥M(jìn)行改造，可以得到多輸入單輸出高壓AC-DC變換器、多輸入多輸出高壓DC-DC變換器、單輸入多輸出高壓DC-AC變換器和多輸入多輸出高壓AC-AC變換器[36]。該類多端高壓變換器將需要多個變換器完成的功能用一個變換器實現(xiàn)，減少了開關(guān)器件，對于大容量高壓變換器的成本控制具有明顯的優(yōu)勢；此外它可以輸出多電平，諧波含量少。但現(xiàn)有文獻(xiàn)暫未對其工作過程、調(diào)制方法和適用工況進(jìn)行深入研究。

2.7 六邊形多端口變換器

為減少多端口拓?fù)渲虚_關(guān)器件的數(shù)量，近年來，在級聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)MMC（modular multilevel converter）基礎(chǔ)出現(xiàn)了一種六邊形變換器[37]。其基本構(gòu)成是采用多個H橋子模塊級聯(lián)后串聯(lián)電感構(gòu)成一組橋臂，6組橋臂依次串聯(lián)形成六邊形環(huán)形結(jié)構(gòu)，六邊形相鄰頂點分別連接兩交流系統(tǒng)。文獻(xiàn)[38]將其應(yīng)用于高壓直流輸電系統(tǒng)，實現(xiàn)了兩交流系統(tǒng)間的連接和能量流動；文獻(xiàn)[39]將其應(yīng)用于分布式電源系統(tǒng)接入的潮流控制和電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，如圖9所示。此類應(yīng)用中，兩端交流系統(tǒng)，一端輸入、一端輸出，通過六邊形變換器可靈活傳遞有功和無功功率。類似地，可應(yīng)用于兩電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)兩電機(jī)的驅(qū)動控制，也可以運行在一臺電機(jī)再生發(fā)電，另一電機(jī)電動運行模式。

這種拓?fù)洳捎昧斯β誓K復(fù)用的設(shè)計，大幅減少了多端口變換器中電力電子器件的數(shù)量；通過合理控制，端口間的能量流動路徑較短，損耗較小。但當(dāng)2個交流端口頻率或者相位不相同時，每個橋臂承受電壓較高，抵消了器件減少帶來的部分優(yōu)勢。

圖9 六邊形多端口變換器Fig.9 Hexagonal multi ports converter

2.8 UPFC型多端口變換器

基于UPFC（unified power flow controller）思想的多端口變換器可以實現(xiàn)交流系統(tǒng)的潮流控制、電壓調(diào)節(jié)等。文獻(xiàn)[40]提出一種無需變壓器的UPFC拓?fù)?，它的串并?lián)變換器均采用級聯(lián)H橋的架構(gòu)實現(xiàn)，各串聯(lián)變換器通過調(diào)節(jié)串聯(lián)電壓實現(xiàn)相應(yīng)饋線的潮流控制，各并聯(lián)變換器通過調(diào)節(jié)并聯(lián)電流實現(xiàn)系統(tǒng)的無功平衡，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。在此基礎(chǔ)上，可以擴(kuò)展實現(xiàn)更多端口輸出，實現(xiàn)多個交流電網(wǎng)的互聯(lián)，如圖10所示。

圖10 基于UPFC的多端口變換器Fig.10 Multi ports converter based on UPFC

3 大容量多端口變換器拓?fù)涞年P(guān)鍵技術(shù)點分析

目前限制大容量多端口變換器推廣應(yīng)用的主要因素是其耐壓不夠高、容量不夠大、成本不夠低、效率不夠高、可靠性不夠好。幾種多端口變換器在上述關(guān)鍵指標(biāo)上的對比如下：

（1）適用電壓范圍和功率等級。級聯(lián)型拓?fù)渚哂幸讓崿F(xiàn)高壓大容量的特點，通過合適的設(shè)計和控制，單級效率比較高，目前已有單橋臂數(shù)百個模塊級聯(lián)的模塊化多電平變換器現(xiàn)場應(yīng)用。這是高壓大容量多端口變換器的主要實現(xiàn)方案，但其采用器件過多、體積龐大、成本高、控制復(fù)雜，限制了應(yīng)用范圍。

（2）損耗和效率。多端口變換器的損耗包括變流器部分的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗、配套的變壓器和電抗器等產(chǎn)生的損耗。能量從一個端口傳輸?shù)狡渌丝谶^程中，所經(jīng)過的變換器和變壓器越少，損耗越低。因此，共用母線形式的多端口變換器大都損耗大。減少變換級數(shù)、縮短端口間全部或者部分能量傳遞的路徑，是減小損耗的有效手段。這要求在多端口拓?fù)渲胁捎煤侠淼脑O(shè)計，提供能量流動的“快速通道”。三端口橋式變換器、直流－直流自耦變壓器拓?fù)?、九開關(guān)變換器及其擴(kuò)展拓?fù)?、六邊形多端口拓?fù)涞仍谶@方面就有明顯的優(yōu)勢。

（3）裝置成本。在同樣的輸入和輸出特性下，采用較少的電力電子開關(guān)器件能顯著降低裝置的硬件成本，如多端口變換器中，采用開關(guān)器件復(fù)用和子變換器共享的方法來實現(xiàn)。直流－直流自耦變壓器拓?fù)?、九開關(guān)變換器及其擴(kuò)展拓?fù)?、六邊形多端口拓?fù)涞葍?yōu)勢明顯。

模塊化設(shè)計利于批量生產(chǎn)和現(xiàn)場維護(hù)，也是降低裝置成本的一個重要途徑。這方面模塊化變流器具有優(yōu)勢。

（4）可靠性。從統(tǒng)計規(guī)律看，變流器中出現(xiàn)電力電子器件失效是不可避免的，因此必須考慮多端口變換器中某些器件失效對整個變換器的影響。模塊化級聯(lián)變流器中某些功率模塊出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)可以旁路這些故障模塊，投入冗余模塊，維持系統(tǒng)的正常運行。相較其他拓?fù)?，采用級?lián)拓?fù)錁?gòu)成的多端口變換器的可靠性較好。

除此之外，大容量電力電子變換器應(yīng)用到電網(wǎng)中，很多在小容量系統(tǒng)中不突出的問題也凸顯出來，例如諧波畸變問題和du/dt、di/dt導(dǎo)致的電磁干擾問題。級聯(lián)型拓?fù)湓谶@方面也具有優(yōu)勢。

4 結(jié)論

多端口變換器將給智能電網(wǎng)發(fā)、輸、配、用各個環(huán)節(jié)帶來重大變革?，F(xiàn)有的多端口變流器存在能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多、損耗大、控制相互耦合等缺點，未能充分考慮開關(guān)器件的復(fù)用、冗余開關(guān)狀態(tài)的消減。構(gòu)造和改進(jìn)基于級聯(lián)型變換器實現(xiàn)的高壓大容量多端口變換器拓?fù)渚哂兄匾饬x，其關(guān)鍵點在：

（1）優(yōu)化變換器的拓?fù)洌喕骰芈方Y(jié)構(gòu)、降低裝置成本；

（2）構(gòu)建足夠的控制自由度，實現(xiàn)多個端口的電壓、功率可控；

（3）縮短端口間全部或者部分能量傳遞的路徑，減少變換級數(shù)，提高效率；

（4）采用器件或者模塊復(fù)用的方式，減小變換器體積和成本，提高功率密度。

目前缺少構(gòu)成大容量多端口變換器的系統(tǒng)性的設(shè)計方法，很多方法仍處于理論概念層面，技術(shù)細(xì)節(jié)尚不完善，工程應(yīng)用較少，相關(guān)技術(shù)仍需要長期的投入和探索。因此研究大容量多端口變換器的拓?fù)鋬?yōu)化具有良好的科學(xué)意義和工程價值，是一個極具前景的課題。

[1]曾正,趙榮祥,湯勝清,等.可再生能源分散接入用先進(jìn)并網(wǎng)逆變器研究綜述[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2013,33（24）:1-12. Zeng Zheng,Zhao Rongxiang,Tang Shengqing,et al.An overview on advanced grid-connected inverters used for decentralized renewable energy resources[J].Proceedings of the CSEE,2013,33（24）:1-12（in Chinese）．

[2]Carli R,Dotoli M,Garramone R,et al.An average consensus approach for the optimal allocation of a shared renewable energy source[C].2016 IEEE International Conference on Systems,Man,and Cybernetics,2016：270-275.

[3]Chen Zexing,Zhang Yongjun,Cai Zexiang,et al.Characteristics and technical challenges in energy Internet cyberphysical system[C].2016 IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference Europe（ISGT-Europe）,2016:1-5.

[4]Cordova-Garcia J,Wang Xin.Efficient and cooperative failure control in smart grid[C].2016 50th Asilomar Conference on Signals,Systems and Computers,2016:1375-1379.

[5]Lai C M,Yen K J,Lee D,et al.An integrated two-input three-output DC/DC boost converter with fuel-cell/battery energy resources for HEV and DC-distribution system[C]. 2016 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo,Asia-Pacific（ITEC Asia-Pacific）,2016:370-374.

[6]Rodrigues W A,Morais L M F,Oliveira T R,et al.Analysis of solid state transformer based microgrid system[C]. 2016 12th IEEE International Conference on Industry Applications.2016:1-6.

[7]劉吉臻.大規(guī)模新能源電力安全高效利用基礎(chǔ)問題[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2013,33（16）:1-8. Liu Jizhen.Basic issues of the utilization of large-scale renewable power with high security and efficiency[J].Proceedings of the CSEE,2013,33（16）:1-8（in Chinese）.

[8]楊仁炘,孫長江,蔡旭,等.應(yīng)用于海上直流風(fēng)場的模塊化多電平多端口直流變電站拓?fù)涮骄縖J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2016,36（S1）:61-68. Yang Renxin,Sun Changjiang,Cai Xu,et al.Exploration on topologies of modular multilevel multi-port DC-DC substations applied in offshore DC wind farm[J].Proceedings of the CSEE,2016,36（S1）:61-68（in Chinese）.

[9]王新穎,湯廣福,賀之淵,等.遠(yuǎn)海風(fēng)電場直流匯集用DC/DC變換器拓?fù)溲芯縖J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2017,37（3）:837-847. Wang Xinying,Tang Guangfu,He Zhiyuan,et al.Topology research of DC/DC converters for offshore wind farm DC collection systems[J].Proceedings of the CSEE,2017,37（3）: 837-847（in Chinese）.

[10]孫博.多類型儲能系統(tǒng)在分布式發(fā)電中的應(yīng)用技術(shù)研究[D].南京:東南大學(xué),2016. Sun Bo.The application of multi-type energy storage system in distributed generation[D].Nanjing:Southeast University, 2016（in Chinese）

[11]田明杰,吳俊勇,郝亮亮,等.基于多端口DC/DC變換器的混合儲能系統(tǒng)自適應(yīng)能量控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù),2015, 37（12）:3379-3386. Tian Mingjie,Wu Junyong,Hao Liangliang,et al.Adaptive energy control strategy for hybrid energy storage system based on multiport DC/DC converters[J].Power System Technology,2015,37（12）:3379-3386（in Chinese）.

[12]Danyali S,Hosseini S H,Gharehpetian G B.New extendable single-stage multi-input DC-DC/AC boost converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2014,29（2）: 775-788.

[13]Huang A Q,Crow M L,Heydt G T,et al．The future renewableelectricenergydeliveryandmanagement（FREEDM）system：The energy internet[J].Proceedings of the IEEE,2011, 99（1）:133-148．

[14]Guillod T,Huber J E,Ortiz G,et al.Characterization of the voltage and electric field stresses in multi-cell solid-state transformers[C].2014 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition（ECCE）.Pittsburgh,PA,USA,2014:4726-4734．

[15]趙彪,宋強,劉文華,等.用于柔性直流配電的高頻鏈直流固態(tài)變壓器[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2014,34（25）:4295-4303. Zhao Biao1,Song Qiang1,Liu Wenhua1,et al.High-frequency-link DC solid state transformers for flexible DC distribution[J].Proceedings of the CSEE,2014,34（25）:4295-4303（in Chinese）.

[16]盛萬興,蘭征,段青,等.自儲能型能量路由器研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2017,41（2）:387-393. Sheng Wanxing,Lan Zheng,Duan Qing,et al.Study on self energy storage based energy router[J].Power System Technology,2017,41（2）:387-393（in Chinese）.

[17]郭慧,汪飛,張笠君,等.基于能量路由器的智能型分布式能源網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2016,36（12）:3314-3324. Guo Hui,Wang Fei,ZhanG Lijun,et al.Technologies of energy router-based smart distributed energy network[J]. Proceedings of the CSEE,2016,36（12）:3314-3324（in Chinese）.

[18]Bloemink MJ,Green TC.Increasing distributed generation penetration using soft normally-open points[C]//2010 IEEE Power and Energy Society General Meeting.Minneapolis, MN,USA,2010:1-8．

[19]王成山,宋關(guān)羽,李鵬,等.基于智能軟開關(guān)的智能配電網(wǎng)柔性互聯(lián)技術(shù)及展望[J].電力系統(tǒng)自動化,2016,40（22）: 168-175. Wang Chengshan,Song Guanyu,Li Peng,et al.Research and prospect for soft open point based flexible intercon nection technology for smart distribution network[J].Automation of Electric Power Systems,2016,40（22）:168-175（in Chinese）.

[20]王成山,宋關(guān)羽,李鵬,等.考慮分布式電源運行特性的有源配電網(wǎng)智能軟開關(guān)SOP規(guī)劃方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2017,37（7）:1889-1896. Wang Chengshan,Song Guanyu,Li Peng,et al.Optimal configuration of soft open point for active distribution network considering the characteristics of distributed generation[J].Proceedings of the CSEE,2017,37（7）:1889-1896（in Chinese）.

[21]Gunasekaran D,Umanand L.Integrated magnetics based multi-port bidirectional DC-DC onverter topology for dis continuous-mode operation[J].IET Power Electronics,2012, 5（7）:935-944.

[22]Zhan C,Smith C,Crane A,et al.DC transmission and distribution system for a large offshore wind farm[C]//9th IET International Conference on AC and DC Power Transmission.London,UK,2010:1-5．

[23]Sasongko F,Hagiwara M,Akagi H.A front-to-front（FTF）system consisting of multiple modular multilevel cascade converters for offshore wind farms[C]//2014 International Power Electronics Conference（IPEC-Hiroshima 2014-ECCEASIA）.Hiroshima,Japan,2014:1761-1768．

[24]Hazra S,Bhattacharya S,Chakraborty C．A novel control principle for a high frequency transformer based multiport converter for integration of renewable energy sources[C]// IECON 2013-39th AnnualConference of the IEEE Industrial Electronics Society,Vienna,Austria,2013:7984-7989.

[25]Kominami T,Fujimoto Y.A novel nine-switch inverter for independent control of two-three-phase loads[C]//42nd IAS Annual Meeting.New Orleans,LA,USA,2007:2346-2350.

[26]郭伽,段建東,孫力,等.基于九開關(guān)變換器的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器原理與控制[J].電工技術(shù)學(xué)報,2015,30（S2）: 128-134. Guo Jia,Duan Jiandong,Sun Li,et al.Operational principle and control of the nine-switch converter for unified power quality conditioner[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2015,30（S2）:128-134（in Chinese）.

[27]李楠,高峰,田昊,等.九開關(guān)變換器脈寬調(diào)制策略[J].電力系統(tǒng)自動化,2014,38（3）:83-88. Lin Nan,Gao Feng,Tian Hao,et al.Pulse width modulation strategy of nine-switch converter[J].Automation of Electric Power Systems[J].2014,38（3）:83-88（in Chinese）.

[28]Loh P C,Zhang Lei,Gao Feng.Compact integrated energy systems for distributed generation[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,60（4）:1492-1502.

[29]Lin Weixing,Wen Jinyu,Cheng Shijie．Multiport DC-DC autotransformer for interconnecting multiple high voltage DC systems at low cost[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30（12）:6648-6660.

[30]林衛(wèi)星,文勁宇,程時杰.多端口直流-直流自耦變壓器[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2015,35（3）:727-734. Lin Weixing,Wen Jinyu,Cheng Shijie.Multiport DC-DC autotransformer[J].Proceedings of the CSEE,2015,35（3）: 727-734（in Chinese）.

[31]Mira M C,Zhang Z,Knott A,et al.Analysis,design,modeling,and control of an interleaved-boost full-bridge threeport converter for hybrid renewable energy systems[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2017,32（2）: 1138-1155.

[32]Qian Zhijun,Osama A,Hussam A,et al.Modeling and control of three-port DC/DC converter interface for satellite applications[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2010,25（3）:637-649.

[33]吳紅飛,張君君,陳潤若,等.同步整流式三端口半橋變換器[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2011,31（33）:37-43. Wu Hongfei,Zhang Junjun,Chen Runruo,et al.Three-port half-bridge converter with synchronous rectification[J].Proceedings of the CSEE,2011,31（33）:37-43（in Chinese）.

[34]吳紅飛,胡文斐,邢巖.并串聯(lián)交錯式三端口半橋變換器[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2014,34（12）:1829-1835. Wu Hongfei,Hu Wenfei,Xing Yan.Parallel/series-interleaved three-port half-bridge converters[J].Proceedings of the CSEE,2014,34（12）:1829-1835（in Chinese）.

[35]Hussam A,Feng Tian,Batarseh I.Tri-modal half-bridge converter topology for three-port interface[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2007,22（1）:341-345.

[36]張波,丘東元,付堅.新型多端高壓變換器拓?fù)錁?gòu)造和分析[J].電源學(xué)報,2015,13（6）:69-76,83. Zhang Bo,Qiu Dongyuan,Fu Jian.Topology and analysis of novel multi-terminal high-voltage converters[J].Journal of Power Supply,2015,13（6）:69-76,83（in Chinese）.

[37]Hamasaki S I,Okamura K,Tsuji M.Control of modular multilevel converter based on bridge cells for 3-phase AC/ AC converter[C]//2013 International Conference on Electrical Machines and Systems.Busan,South Korea,2013: 1532-1537.

[38]Hamasaki S I,Okamura K,Tsubakidani T,et al.Control of hexagonal modular multilevel converter for 3-phase BTB system[C]//2014 International Power Electronics Conference. Hiroshima,Japan,2014:3674-3679.

[39]Fan Boran,Wang Kui,Li Yongdong,et al.A branch energy control method based on optimized neutral-point voltage injection for a hexagonal modular multilevel direct converter（Hexverter）[C]//2015 18th International Conference on Electrical Machines and Systems.Pattaya,Thailomd, 2015:1889-1893.

[40]Peng Fangzheng,Liu Yang,Yang Shuitao,et al.Transformer-less unified power-flow controller using the cascade multilevel inverter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2016,31（8）:5461-5472.

Review of Topology Research on High-power Multi Ports Converter

GONG Jinwu,ZHA Xiaoming,WANG Pan，LIU Fei
（School of Electrical Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,China）

宮金武

10.13234/j.issn.2095-2805．2017．5.1

TM46

A

2017-06-30；

2017-09-05

國家自然科學(xué)基金資助項目（51577137）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51577137）

宮金武（1981-），男，博士，副教授，研究方向：電力電子變流器軟硬件設(shè)計、電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，E-mail：gongjinwu@whu.edu.cn。

查曉明（1967-），男，通信作者，博士，教授，研究方向：大功率電力電子裝置及其在電能質(zhì)量控制、高壓電機(jī)驅(qū)動、柔性輸電、新能源及微電網(wǎng)技術(shù)中的應(yīng)用，E-mail：xmzha@whu.edu.cn。

王盼（1987-），女，博士研究生，研究方向：大功率電力電子變換器等，E-mail：w angpan6712063@163.com。

劉飛（1977-），男，博士，副教授，研究方向：電力電子及其控制技術(shù)、大功率電力電子變換器等，E-mail：lf_dyj@whu.ed u.cn。