黃欣科，王 環(huán)，周 宇，魏苗苗，王一波，許洪華

（1. 中國科學(xué)院電工研究所，北京市 100190；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京市 100049）

0 引言

光伏、風(fēng)電等新能源開發(fā)利用是解決能源危機(jī)與環(huán)境問題的重要途徑［1］。近十年來，世界范圍內(nèi)光伏新增裝機(jī)容量年年攀升，光伏電站容量越來越大，電站規(guī)模向大型化、集中化、光伏基地方向發(fā)展［2］。傳統(tǒng)光伏電站通常以低壓交流匯集、工頻交流變壓器集中升壓后以中高壓交流并入交流電網(wǎng)，所需電能轉(zhuǎn)換設(shè)備和轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多、系統(tǒng)整體效率提升困難［3-4］；同時(shí)，光伏電站集中交流并網(wǎng)出現(xiàn)諧波諧振、同步振蕩等電能質(zhì)量問題，成為限制光伏并網(wǎng)的技術(shù)瓶頸［5-6］。隨著柔性直流輸電技術(shù)和中壓柔性直流配電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展［7-8］，光伏中高壓直流升壓匯集并網(wǎng)方案被提出，可有效避免傳統(tǒng)光伏電站交流匯集并網(wǎng)送出的相關(guān)問題［9］，同時(shí)光伏中高壓直流匯集并網(wǎng)可節(jié)省電能轉(zhuǎn)換設(shè)備及成本，提高系統(tǒng)整體效率，具有明顯經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢［10］。

中高壓大功率直流變換器作為直流電網(wǎng)的核心裝備，近年來成為研究熱點(diǎn)［11-12］。文獻(xiàn)［13］針對(duì)大規(guī)?？稍偕茉磪R集應(yīng)用，指出直流變換器需具備高電壓、高增益、大容量和功率單向流動(dòng)功能特性。然而由于功率半導(dǎo)體器件的耐壓通流能力限制，傳統(tǒng)基于兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的低壓直流變換器無法直接滿足中高壓大功率、大變比光伏直流匯集并網(wǎng)場合［14］。模塊化多電平變換器（modular multi-level converter，MMC）是一種有效的高壓大功率解決方案，但MMC 型直流變換器兩側(cè)電壓相對(duì)恒定，適用于不同電壓等級(jí)直流電網(wǎng)互聯(lián)等場合［15-16］，不能滿足光伏寬輸入電壓范圍的最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）應(yīng) 用 需求［16］。模塊級(jí)聯(lián)型直流變換器是實(shí)現(xiàn)高壓大功率的另一種有效技術(shù)方案［17］，特別是輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)（input-parallel output-series，IPOS）模塊級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)，適合應(yīng)用于低壓到高壓的大功率變換場合［18］，不僅可以利用現(xiàn)有的低壓功率器件和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且利于系統(tǒng)可靠性的提高和擴(kuò)容升級(jí)，能夠滿足光伏中高壓直流匯集并網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)需求［19］。

功率模塊作為IPOS 級(jí)聯(lián)型直流變換器的核心，其工作特性在一定程度上直接決定了直流變換器的性能［20］；同時(shí)，功率模塊間硬件參數(shù)不一致會(huì)引起直流變換器內(nèi)部模塊間輸入電流及輸出電壓不均衡問題，嚴(yán)重影響直流變換器的可靠運(yùn)行［21］。因此，需要根據(jù)中壓匯集用直流變換器的技術(shù)需求，選擇合適的功率模塊拓?fù)?，并進(jìn)行模塊間輸入均流或輸出均壓控制，保證功率模塊及直流變換器的高效穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)［22］提出了一種模塊級(jí)聯(lián)型直流變換器，功率模塊由兩級(jí)功率變換實(shí)現(xiàn)，所需元器件數(shù)量多，前后級(jí)協(xié)調(diào)控制復(fù)雜。文獻(xiàn)［23］提出一種基于雙有源全橋（dual active bridge，DAB）拓?fù)涞腎POS 直流變換器，但該變換器兩側(cè)都采用有源功率器件，控制相對(duì)復(fù)雜。文獻(xiàn)［24-26］研究了IPOS 級(jí)聯(lián)型直流變換器模塊均壓均流控制策略，但都基于集中控制器發(fā)送電壓、電流均衡指令實(shí)現(xiàn)，當(dāng)運(yùn)行模塊數(shù)量變化時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行模塊數(shù)量及時(shí)調(diào)整均衡指令，變換器若不能及時(shí)獲得模塊故障信息，將會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤均衡指令，造成變換器無法正常運(yùn)行。

本文針對(duì)兆瓦級(jí)光伏中壓直流匯集并網(wǎng)變換器技術(shù)需求，提出采用基于Boost 全橋隔離功率模塊IPOS 的模塊化級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變換器中壓大功率、大升壓比功率變換；為了解決IPOS 級(jí)聯(lián)型直流變換器功率模塊間參數(shù)不一致造成的電壓、電流不均衡問題，提出一種分布式模塊均衡控制策略，可有效減少集中控制指令，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)并提高直流變換器的可靠性。研制完成5 kV/80 kW 功率模塊，并基于14 臺(tái)功率模塊研制完成±30 kV/1 MW 光伏中壓直流變換器工程樣機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)了±30 kV/1 MW 光伏中壓直流變換器在光伏電站內(nèi)的實(shí)證應(yīng)用。

1 光伏中壓直流匯集并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏中壓直流匯集并網(wǎng)系統(tǒng)通過光伏發(fā)電單元中壓直流變換器實(shí)現(xiàn)光伏低壓到中壓直流的電能升壓匯集。光伏中壓直流匯集并網(wǎng)系統(tǒng)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 光伏中壓直流匯集并網(wǎng)系統(tǒng)Fig.1 Medium-voltage DC photovoltaic collection and grid-connection system

光伏陣列與光伏中壓直流變換器組成光伏中壓直流升壓匯集單元，然后M路光伏中壓直流升壓匯集單元輸出并聯(lián)接入中壓直流母線，實(shí)現(xiàn)光伏電能中壓直流匯集，最后通過中壓直流母線將光伏電能并入直流電網(wǎng)。光伏中壓直流匯集母線電壓由直流電網(wǎng)控制，系統(tǒng)中各路光伏中壓直流升壓匯集單元只需控制輸出電流就可以控制光伏并網(wǎng)功率。

2 光伏中壓直流并網(wǎng)變換器拓?fù)?/h2>

針對(duì)兆瓦級(jí)光伏中壓直流匯集并網(wǎng)變換器技術(shù)需求［3］，本文提出采用基于Boost 全橋隔離功率模塊IPOS 的模塊化級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)大功率、高電壓、大升壓比的光伏功率變換。光伏中壓直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 IPOS 模塊級(jí)聯(lián)型光伏中壓直流變換器Fig.2 Medium-voltage photovoltaic DC converter with cascaded IPOS modules

功率模塊基于Boost 全橋隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中Cin為輸入側(cè)電容，LBoost為升壓電感，開關(guān)管S1至S4組成全橋電路，Tr為高頻隔離變壓器，Lr為變壓器等效漏感，n為變壓器變比，整流二極管D1至D4組成全橋整流電路，Co為輸出側(cè)電容。由于變壓器漏感的影響，在橋臂開關(guān)管關(guān)斷瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的關(guān)斷電壓尖峰，增大了開關(guān)管電壓應(yīng)力。通過在Boost全橋隔離功率模塊輸入側(cè)增加開關(guān)管S0和電容Cc共同組成的有源鉗位電路，可以有效抑制橋臂開關(guān)管關(guān)斷電壓尖峰，減小開關(guān)管電壓應(yīng)力。

Boost 全橋隔離功率模塊控制時(shí)序見附錄A 圖A1。其中T表示開關(guān)周期，開關(guān)管S1與S4的觸發(fā)脈沖信號(hào)Vg1、Vg4一致，開關(guān)管S2與S3的觸發(fā)脈沖信號(hào)Vg2、Vg3一致，Vg1（Vg4）與Vg2（Vg3）的相位相差180°，開關(guān)管占空比D滿足0.5＜D＜1。當(dāng)開關(guān)管S1、S4或S2、S3關(guān)斷時(shí)，通過鉗位開關(guān)管觸發(fā)脈沖信號(hào)Vg0驅(qū)動(dòng)S0開通，分流電感電流，抑制橋臂開關(guān)管關(guān)斷電壓尖峰。同時(shí)，通過控制鉗位開關(guān)管的延遲開通與提前關(guān)斷，可以實(shí)現(xiàn)橋臂開關(guān)管的軟開關(guān)，減小開關(guān)損耗，提高轉(zhuǎn)換效率。

式中:Vout為光伏中壓直流變換器輸出電壓；N為中壓直流變換器內(nèi)部運(yùn)行模塊數(shù)量。

由以上分析可以看出，通過功率模塊IPOS 級(jí)聯(lián)方式，可以實(shí)現(xiàn)直流變換器高壓大功率、大升壓比光伏功率變換，同時(shí)通過占空比的靈活調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)直流變換器變變比功能，滿足光伏陣列寬電壓范圍內(nèi)的MPPT 需求。

3 光伏中壓直流變換器控制策略

本章分析IPOS 模塊級(jí)聯(lián)型光伏中壓直流變換器控制策略。在光伏直流中壓匯集場合，光伏直流變換器主要實(shí)現(xiàn)光伏陣列的MPPT 功能，其基本控制策略為根據(jù)光伏輸入電壓Vin及輸入電流Iin，通過MPPT 算法（如擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法等）計(jì)算得到輸入電壓參考指令Vin，ref，MPPT，并與輸入電壓比較產(chǎn)生輸入電壓誤差信號(hào)Vin，e，然后通過輸入電壓閉環(huán)控制產(chǎn)生輸出電流參考指令I(lǐng)o，ref，并與輸出電流Io比較后產(chǎn)生輸出電流誤差信號(hào)Io，e，最后通過輸出電流閉環(huán)控制策略，即可控制直流變換器的并網(wǎng)功率。另外，光伏直流變換器需具備接受光伏電站功率調(diào)度功能，在接收到光伏站控系統(tǒng)功率調(diào)度指令時(shí)，光伏直流變換器根據(jù)功率調(diào)度指令Po，ref及當(dāng)前實(shí)時(shí)輸出功率Po情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)其輸出功率的控制。若變換器當(dāng)前輸出功率小于限功率調(diào)度指令值，變換器將按照當(dāng)前的實(shí)際輸出功率運(yùn)行在MPPT 模式；若變換器當(dāng)前輸出功率大于功率調(diào)度指令值，輸出功率偏差Po，e通過功率控制器后產(chǎn)生輸入電壓參考 指 令Vin，ref，lpc，變 換 器 將 按 照 限 功 率 指 令 偏 離MPPT 運(yùn)行，執(zhí)行限功率控制模式。光伏直流變換器的基本控制策略見附錄A 圖A2。

為了解決模塊間參數(shù)不一致引起的模塊輸入電流及輸出電壓不均衡問題，本文提出一種分布式模塊均衡控制策略，可有效減少集中控制指令，便于實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，提高功率模塊及直流變換器的運(yùn)行可靠性。在IPOS 結(jié)構(gòu)中，當(dāng)某個(gè)模塊輸入電流偏高時(shí)，應(yīng)減小其輸出功率，進(jìn)而達(dá)到減小輸入電流的目的。直流變換器雙閉環(huán)控制中增大輸入電壓將會(huì)減小輸出電流，進(jìn)而減小輸入電流。因此，當(dāng)模塊輸入電流偏大時(shí)，通過增大輸入電壓指令，可以減小模塊輸入電流。將輸入電流作為電流均衡指令引入輸入電壓控制指令中可以實(shí)現(xiàn)模塊間輸入電流均流控制，如圖3（a）所示。模塊輸入電壓控制指令與輸入電流呈線性關(guān)系，輸入電壓指令直接反映輸入電流的均衡情況。由于各模塊輸入電壓相同，因此，穩(wěn)定后輸入電流也基本相等。將輸出電壓作為均衡指標(biāo)引入輸入電壓指令，可以推導(dǎo)出模塊輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系，如圖3（b）所示。同理，可以推導(dǎo)出模塊輸出電流和輸入電流、輸出電壓之間的關(guān)系，如圖3（c）和（d）所示。

圖3 分布式均衡控制策略下電壓與電流關(guān)系Fig.3 Relationship between voltage and current with distributed equalization control strategy

以圖3（a）為例，分析分布式模塊均衡控制策略的工作過程。圖3（a）中O點(diǎn)為輸入電流平均電流Iin/N，當(dāng)模塊運(yùn)行在A點(diǎn)時(shí)，輸入電流為Iin，j，A。此時(shí)增大模塊輸入電壓指令，輸出電流減小，輸入電流隨之下降，模塊工作點(diǎn)向O點(diǎn)移動(dòng)。當(dāng)模塊運(yùn)行在B點(diǎn)時(shí)，輸入電流Iin，j，B低于平均電流，此時(shí)降低電壓指令，模塊輸出電流增大，輸入電流也隨之增大，模塊工作點(diǎn)向O點(diǎn)移動(dòng)。根據(jù)模塊輸入電壓和電流特性，以及模塊間IPOS 連接關(guān)系，模塊輸入電流對(duì)應(yīng)唯一輸入電壓。因此，通過調(diào)節(jié)輸入電壓即可實(shí)現(xiàn)分布式模塊輸入均流控制。

圖3（a）和（b）中模塊輸入電壓與輸入電流或輸出電壓呈線性關(guān)系，斜率為正值，相當(dāng)于為模塊輸入電壓源增大輸入阻抗，實(shí)現(xiàn)均壓和均流，模塊輸入電壓指令和輸入電流、輸出電壓之間的關(guān)系可以表示為:

式中:Vin，ref，0，j為第j個(gè)模塊的輸入電壓原始指令；Iin，j為第j個(gè)模塊的輸入電流；Vo，j為第j個(gè)模塊的輸出電壓；Ksh為均衡控制系數(shù)，在采用不同的控制策略時(shí)，Ksh具有不同的數(shù)值和量綱；Vin，ref，1，j為第j個(gè)模塊的實(shí)際輸入電壓指令。

圖3（c）和（d）中模塊輸出電流與輸入電流、輸出電壓呈線性關(guān)系，斜率為負(fù)數(shù)。這相當(dāng)于為輸出電流源增加輸出阻抗，實(shí)現(xiàn)均壓和均流。模塊輸出電流指令和輸入電流、輸出電壓之間的關(guān)系可以表示為:

式 中:Io，ref，0，j為 第j個(gè) 模 塊 的 輸 入 電 流 原 始 指 令；Io，ref，1，j為 第j個(gè) 模 塊 的 實(shí) 際 輸 入 電 流 指 令。

圖3 中4 種控制策略是相互等效的，根據(jù)圖3（a）和式（3）可以得到輸入電壓閉環(huán)引入分布式均流控制后的模塊控制策略，如圖4 所示。圖中:Gid(s)為輸出電流與占空比之間的傳遞函數(shù)；Gvi(s)為輸出電壓與輸出電流之間的傳遞函數(shù)。通過MPPT 算法 計(jì) 算 得 到 的 原 始 電 壓 參 考 指 令Vin，ref，0，j與 分 布 式模塊均衡控制器Gsh產(chǎn)生的均衡指令Vin，ref，sh，j疊加后產(chǎn) 生 實(shí) 際 輸 入 電 壓 參 考 指 令Vin，ref，1，j，與 實(shí) 際 輸 入 電壓Vin，j比較后產(chǎn)生電壓誤差信號(hào)，通過輸入電壓閉環(huán)比例-積分調(diào)節(jié)器Gvin后產(chǎn)生輸出電流參考指令I(lǐng)o，ref，j，并與實(shí)際輸出電流Io，j比較后通過輸出電流比例-積分調(diào)節(jié)器Gio產(chǎn)生占空比信號(hào)D。通過輸入電壓環(huán)引入分布式均流控制后，即可實(shí)現(xiàn)模塊之間的均衡控制。

圖4 輸入電壓閉環(huán)引入分布式均流控制后的模塊控制策略Fig.4 Module control strategy after introducing distributed current-sharing control into input-voltage closed-loop

若功率模塊具有完全一致的輸出電壓、電流特性，則可實(shí)現(xiàn)模塊間完全均流。模塊間硬件參數(shù)存在差異，造成模塊特性不一致，即輸入電壓和輸入電流特性曲線起始點(diǎn)不同，模塊間輸入電流不完全均衡?；谳斎腚妷褐噶钪幸胼斎腚娏鞯姆植际侥K均流控制特性如圖5 所示。

圖5 分布式模塊均流控制特性Fig.5 Characteristics of distributed module currentsharing control

圖5（a）中2 條曲線起始點(diǎn)電壓不同，當(dāng)輸入電壓 為Vin，O時(shí)，模 塊 分 別 工 作 在A點(diǎn) 和B點(diǎn)，輸 入 電流分別為Iin，j，A和Iin，j，B。增大特性曲線的斜率即均衡控制系數(shù)Ksh，模塊工作點(diǎn)分別為A1和B1，如圖5（b）所 示。此 時(shí) 輸 入 電 流 分 別 為Iin，j，A1和Iin，j，B1，可 以 看到，通過增大均衡控制系數(shù)，輸入電流不均衡度降低。因此，在實(shí)際中可以通過選擇合適的均衡控制系數(shù)滿足電壓、電流均衡目標(biāo)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證光伏中壓直流變換器拓?fù)浼捌淇刂撇呗缘挠行?，研制? kV/80 kW 功率模塊，搭建了2 個(gè)模塊組成的IPOS 直流變換器測試平臺(tái)，完成了功率模塊及直流變換器的實(shí)驗(yàn)測試，并基于14 臺(tái)功率模塊研制了±30 kV/1 MW 光伏中壓直流變換器，實(shí)現(xiàn)了光伏中壓直流變換器實(shí)證運(yùn)行。

4.1 分布式模塊均衡控制實(shí)驗(yàn)測試

研制的5 kV/80 kW 功率模塊主要由低壓模塊、高頻隔離變壓器、高壓模塊3 個(gè)部分組成，相應(yīng)照片見附錄A 圖A3。低壓模塊內(nèi)部功率器件采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），主要實(shí)現(xiàn)Boost 升壓及高頻逆變功能；高頻隔離變壓器作為功率模塊的核心部件，不僅可以實(shí)現(xiàn)大變比升壓功能，而且可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離與耐壓支撐作用；高壓模塊采用碳化硅快恢復(fù)二極管組成高頻整流硅堆，實(shí)現(xiàn)高頻整流，3 個(gè)部分整體實(shí)現(xiàn)光伏低壓直流到中壓直流的電能變換?；贐oost 全橋隔離變換拓?fù)湓O(shè)計(jì)的5 kV/80 kW 功率模塊關(guān)鍵參數(shù)見附錄A 表A1。

功率模塊穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓、電流波形見附錄A圖A4，由該圖可見，功率模塊運(yùn)行穩(wěn)定，通過對(duì)有源鉗位開關(guān)管的控制，變壓器一次側(cè)電壓尖峰得到有效抑制。

為了驗(yàn)證本文提出的分布式模塊均衡控制策略，搭建了2 臺(tái)功率模塊組成的IPOS 直流變換器測試平臺(tái)，其中模塊1 的變壓器漏感設(shè)計(jì)為10 μH，模塊2 的漏感設(shè)計(jì)為50 μH。

圖6 是2 臺(tái)功率模塊IPOS 組成的直流變換器采用分布式模塊均衡控制策略前后的電壓實(shí)驗(yàn)波形。在不采用均衡控制策略時(shí)，模塊1 與模塊2 的輸出電壓相差200 V，在加入分布式均衡控制后，模塊1 與模塊2 實(shí)現(xiàn)了輸出電壓均衡，兩模塊的輸出電壓差為10 V。

圖6 采用分布式模塊均衡控制策略前后的電壓實(shí)驗(yàn)波形Fig.6 Experimental waveforms of voltage before and after using distributed module equalization control strategy

圖7 是均衡控制系數(shù)Ksh取不同值時(shí)的模塊均壓效果實(shí)驗(yàn)波形。當(dāng)均衡控制系數(shù)取值為0.05 時(shí)，兩模塊的輸出電壓相差10 V；當(dāng)均衡控制系數(shù)減小為0.000 1 時(shí)，兩模塊的輸出電壓差增大到100 V；當(dāng)均衡控制系數(shù)恢復(fù)為0.05時(shí)，兩模塊均壓效果恢復(fù)。

圖7 不同均衡控制系數(shù)取值下的電壓實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Experimental waveforms of voltage with different values of equalization control coefficient

2 臺(tái)模塊組成的IPOS 直流變換器采用分布式模塊均衡控制策略的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行波形見附錄A 圖A5，可見模塊1 與模塊2 實(shí)現(xiàn)了輸出電壓均衡。

4.2 ±30 kV/1 MW 直流變換器實(shí)證測試

基于14 臺(tái)5 kV/80 kW 功率模塊IPOS 模塊化級(jí)聯(lián)方式，研制完成±30 kV/1 MW 光伏中壓直流變換器工程樣機(jī)，其中12 臺(tái)功率模塊作為正常運(yùn)行模塊，剩余2 臺(tái)為冗余備用模塊，可有效提高變換器的可靠性。在云南省大理州干塘子光伏電站建立了±30 kV/1 MW 光伏中壓直流并網(wǎng)實(shí)證系統(tǒng)，完成了光伏中壓直流變換器現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，工程樣機(jī)照片見附錄A 圖A6。

光伏中壓直流變換器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電壓、電流波形見附錄A 圖A7。直流變換器穩(wěn)定運(yùn)行在MPPT 運(yùn)行模式，變換器輸出側(cè)電壓為±30 kV，輸出電流為14 A，輸出功率為840 kW。光伏中壓直流變換器接受功率調(diào)度的實(shí)驗(yàn)波形見附錄A 圖A8。初始情況下變換器運(yùn)行在MPPT 模式，輸出功率在840 kW 左右，當(dāng)直流變換器接收到限功率指令值400 kW 時(shí)，變換器偏離最大功率點(diǎn)，執(zhí)行限功率控制模式，輸出功率為400 kW。當(dāng)限功率指令解除后，變換器從限功率控制模式切換至MPPT 運(yùn)行模式，輸出功率由400 kW 逐漸增大到840 kW。

圖8（a）是光伏中壓直流變換器典型晴天日的輸入電壓與直流升壓比曲線?？梢钥闯觯夥斎胱畲蠊β庶c(diǎn)電壓在500～700 V 之間波動(dòng)，變換器并網(wǎng)電壓為±30 kV，直流變換器的升壓比隨著光伏輸入電壓變化在80～120 之間波動(dòng)，變換器具有大升壓比和變變比特性。

圖8 光伏中壓直流變換器典型晴天日的運(yùn)行曲線Fig.8 Operation curves of medium-voltage photovoltaic DC converter in typical sunny day

圖8（b）是光伏中壓直流變換器典型晴天日的輸出功率及轉(zhuǎn)換效率曲線。晴天日光伏功率變化平滑，最大輸出功率達(dá)到900 kW，接近直流變換器額定輸出功率，直流變換器轉(zhuǎn)換效率曲線平坦，最大轉(zhuǎn)換效率達(dá)到95%以上，直流變換器在全功率范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。

圖9 是光伏中壓直流變換器典型浮云日的完整運(yùn)行曲線。由圖9（a）可以看出，直流變換器直流升壓比跟隨光伏輸入電壓的變化出現(xiàn)較大波動(dòng)。由圖9（b）可以看出，浮云日光伏功率波動(dòng)可達(dá)80%，但直流變換器的轉(zhuǎn)換效率在95%左右，直流變換器可實(shí)現(xiàn)快速光伏功率波動(dòng)工況下的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

圖9 光伏中壓直流變換器典型浮云日的運(yùn)行曲線Fig.9 Operation curves of medium-voltage photovoltaic DC converter in typical cloudy day

5 結(jié)語

本文針對(duì)光伏中壓直流匯集并網(wǎng)應(yīng)用直流變換器技術(shù)需求，提出采用基于Boost 全橋隔離功率模塊IPOS 的模塊級(jí)聯(lián)型直流變換器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)光伏直流變換器高壓、大功率、大升壓比功率變換；針對(duì)模塊級(jí)聯(lián)型直流變換器多模塊均壓、均流問題，提出一種分布式模塊均衡控制策略，可有效減少集中控制指令，提高變換器均衡控制的可靠性，實(shí)現(xiàn)功率模塊及直流變換器的穩(wěn)定運(yùn)行。研制了5 kV/80 kW功率模塊，并實(shí)現(xiàn)了直流變換器拓?fù)浼翱刂撇呗缘膶?shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過14 臺(tái)功率模塊IPOS，研制完成±30 kV/1 MW 光伏中壓直流并網(wǎng)變換器工程樣機(jī)，并在中國云南省大理州干塘子光伏電站實(shí)證運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，驗(yàn)證了模塊級(jí)聯(lián)型中壓直流變換器拓?fù)浼翱刂撇呗缘挠行?，為?guī)模化光伏電站中壓直流匯集并網(wǎng)應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

本文研制的基于Boost 全橋隔離功率模塊IPOS 的模塊級(jí)聯(lián)型直流變換器適用于光伏中壓直流匯集并網(wǎng)場合。針對(duì)未來大規(guī)模光伏電站高壓直流匯集并網(wǎng)應(yīng)用需求，需要研究能夠滿足實(shí)際工程推廣應(yīng)用的更高電壓等級(jí)、更大系統(tǒng)容量的直流變換器拓?fù)浼捌淇刂萍夹g(shù)；同時(shí)，高頻變壓器設(shè)計(jì)技術(shù)、光伏高壓直流升壓匯集并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成技術(shù)等也是需要進(jìn)一步研究的重點(diǎn)方向。

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