面向中压直流配电网的光伏发电接入技术综述与分析

史海旭，孙 凯，肖 曦，吴红飞

(1.电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学)，北京 海淀 100084；2.江苏省新能源发电与电能变换重点实验室(南京航空航天大学)，江苏 南京 211106)

面向中压直流配电网的光伏发电接入技术综述与分析

史海旭1，孙 凯1，肖 曦1，吴红飞2

(1.电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学)，北京 海淀 100084；2.江苏省新能源发电与电能变换重点实验室(南京航空航天大学)，江苏 南京 211106)

未来智能电网中，以光伏为代表的大容量新能源接入中压直流配电网，是重要的能源汇集技术发展路径。近年来光伏发电接入交流电网和低压直流电网的研究已有丰富成果，相关技术日臻成熟，然而针对光伏发电接入中压直流电网的研究仍然较少。深入调研了中压直流配电网的发展趋势与需求，并系统全面地分析了已有的光伏发电接入低压直流电网技术，包括第一级变换和第二级变换的电路拓扑和控制策略。在对各类技术方案进行比较分析的基础上，指明了可行的大容量光伏发电接入中压直流配电网解决方案：第一级采用差分功率处理电路，第二级采用隔离型DC/DC变换器输入串联输出并联(input-parallel-output-series, IPOS)架构。论文工作可为未来接入中压直流配电网的光伏直流汇集系统开发提供参考。

光伏接入系统；组件级MPPT；中压直流电网；两级直流升压

0 引言

近年来，以柔性直流技术为核心的轻型直流输电(voltage sourced converter based high voltage direct current transmission, VSC-HVDC)系统已被应用于大区异步互联、大规模新能源并网等重要输变电工程之中。直流技术在未来配电系统中也具有广阔的发展前景。随着我国城市负荷密度的不断增加，配电网的规模不断扩大，受制于短路容量、电磁环网等问题，城市配电网通常按照高压分区、中压开环的方式运行，导致系统设备利用率降低，可靠性下降。同时，用户对供电可靠性、电能质量的要求却在不断提高。近年来的研究成果表明，基于柔性直流技术的交直流混合配电网更适合现代城市配电网的发展[1-3]：(1)可以更好地接纳分布式直流电源(光伏、电池储能等)和直流负荷，发光二极管(light-emitting diode, LED)照明、电动汽车等)；(2)提升配电网的电压稳定性，可靠性，改善电能质量；(3)采用输电效率更高的地埋式直流电缆，可缓解城市输配电走廊紧缺的状况。

电网自身组网形式变化的同时，快速增长的新能源接入也是一个重要趋势。以光伏发电为代表的分布式新能源发电自身具有间歇性和随机性等特点。因此，传统大规模分布式新能源并网存在以下三方面问题：(1)效率与经济性问题。传统的新能源并网接口多采用集中式变换器，各单元功率不能保证最大化。(2)电网稳定性问题。新能源发电的间歇性，使其不易接受调度，不利于电网稳定。(3)电能质量问题。传统的电流源并网方式仅是向电网注入能量，不参与电能质量调节。

为同时应对交直流混合配电网发展和大规模分布式新能源发电并网这两项重大挑战，本文作者经过调研和思考认为：面向中压直流配电网的分布式光伏-储能系统将是一条重要而有效的技术发展途径。将以光伏-储能系统为代表的新能源发电系统直接接入中压直流配电网(10 kV以上)，相比于传统低压并网形式具有以下四方面的优势：(1)容量优势。高电压，大容量，有利于集中接受电网调度。(2)效率优势。仅通过DC/DC变换即可接入电力系统，避免了直流至交流的多级变换。(3)灵活性优势。将光伏-储能系统直接接入中压直流母线，有力支撑电网的潮流控制。(4)稳定性优势。光伏与储能之间的协调与配合，可以大大抑制光伏的间歇性、随机性影响。

目前国内外关于中压直流配电网中的新能源接入技术研究较少，本文作者对与之密切相关的低压(1 kV以下)直流配电网、直流微电网中新能源发电接入技术进行了调研和归纳，主要为以下四方面：

(1) 新能源发电功率的最大限度利用。研究人员针对光伏发电功率特性，一方面提出了多种最大功率点跟踪(maximum power point tracking, MPPT)算法[4-6]；另一方提出了多种的系统结构，以保证发电单元的最大功率[7-10]。

(2) 新能源发电与储能的协调配合。为抑制新能源发电的功率波动，及其对直流电网稳定的不利影响，国内外学者研究并提出了新能源与储能之间的协调控制方法[11-13]。

(3) 高性能DC/DC接口变换器。光伏发电存在能量转换效率低、单体电池输出电压较低且输出电压范围变化较大等劣势。为此，研究人员着重研究了DC/DC变换器的高效率化、宽增益化、多功能化等关键问题，在器件、拓扑、控制等多方面实现了一系列理论创新和技术突破[15-16]。

(4) 直流母线侧并网控制技术。其核心为分布式电源(光伏、储能等)之间的功率分配方法和直流电网的能量管理策略[17]。

这些低压直流电网(1 kV以下)中的新能源接入技术的研究成果，依然远不能满足中压直流配电网(10 kV以上)中新能源发电接入的需求，在理论和技术层面仍然存在以下四方面的不足：

(1) 缺少将大容量新能源发电接入中压直流母线(10 kV以上)的电力电子解决方案，包括系统架构和电路拓扑。

(2) 大容量光伏发电系统采用传统的MPPT和电流源运行模式不适应中压直流配电网需求。

(3) 光伏-储能的配合运行与直流配电网稳定性之间的相互关系与机理不清晰。

(4) 光伏发电的最大功率点跟踪(MPPT)、DC/DC接口变换器的效率优化和直流并网三方面研究是相互独立的，缺乏以整体系统为目标的功率流分析与优化。

综上所述，为了获得面向中压直流配电网的大容量新能源发电接入系统优良的解决方案，对系统的功率流进行深入研究并加以优化是十分必要的。

1 光伏中压直流接入系统特性

光伏中压直流接入系统(如图1所示)的特性由光伏电池板和中压直流网这两方面特性与需求所决定。

单体光伏电池功率小，输出电压较低(小于100 V)且输出电压范围变化较大，各单体的功率特性和运行时的温度光照可能不同。中压直流电网电压相对而言非常高(20 kV)，且希望输入电源稳定并接受调度。因而该大容量接入系统需要汇集众多特性与条件各异的单体电池的能量，并以极高升压比转换，而后输送至中压直流电网。

为了实现该功能并满足高效率、高可靠性、高稳定性以及良好的经济性等一系列目标，需面对的其核心问题是：

(1) 分布式低压小电流的大容量汇集；

(2) 最大限度利用所有光伏组件的功率能力；

(3) 低压大电流至高压小电流，单向超高升压比大容量变换；

(4) 光伏发电的间歇性与电网稳定性的协调等并网技术。

针对(1)和(2)，需要多个小功率的变换器单元对各光伏组件分别进行管理，同时输出侧采用串联或并联的方式将能量汇集。针对(3)，需要将集中的低压电能通过特别的大容量超高升压比的系统进行变换。针对(4)，需要配置储能单元实现功率的稳定与平衡，并且设计采用适当的电压和储能管理策略。若将储能系统配置在中压直流母线侧，暂不考虑，则可以得到如图 2所示的光伏发电的接入系统，该宏观系统构架包含两级变换。

其中第二级变换在硬件选型上存在较大挑战。目前，单个高频变压器的电压等级和容量较低；全控开关器件电压等级较低(约6 kV)。这些技术限制使得该超高变比大容量的需求难以直接满足，因而需要从系统拓扑结构入手，减小所需单个变压器与器件的功率电压等级，例如变换器串并联，多电平变换器等方式。

基于上述调研分析，对未来大容量光伏发电中压直流接入系统，本文按照两级变换的组合，得出了几种可能的系统架构方案。第一级：(1)光伏组件串联，差分功率处理(differential power processor, DPP)电路；(2)光伏组件隔离，组件变换器输出串联；(3)光伏组件隔离，组件变换器输出并联。第二级：(1)多电平变换器；(2)多变换器模块输入并联输出串联。

2 第一级变换结构

第一级变换器系统应充分利用光伏电池发电能力，以提升整个接入系统的效率与经济性。为了应对大容量高升压的需求，将光伏组件串/并联是一种简单有效的方式，但各个光伏单体电池的特性与光照/温度条件常不一致，而输出电流/电压必须一致，因而难以全部实现MPPT。一个简单的改进措施是对每个组件反并联二极管，这样可以旁路输出电流较低的组件，提高输出电流进而获取更大功率，但显然提升有限。所以对各组件分别进行管理是实现该目标的必要条件。具体的实现方式为如下三类第一级变换架构。

2.1 差分功率处理电路

光伏组件串联时输出电流一致，因而需要附加辅助变换器，“损有余而补不足”，使得各个组件工作在自己的最大功率点，如图3。这种附加的变换器称为差分功率处理器，研究人员对此类变换器进行了大量研究，按照辅助变换器的功率流方式分为：级联型差分功率处理电路，并联型差分功率处理电路。

2.1.1 级联型差分功率处理电路

如图4所示(PV表示一个光伏组件，后文同)，级联型差分功率处理电路单元分布于相邻的光伏组件间，对相邻两组件的功率进行交换调节，解开了组件输出电流一致的约束，使得所有组件可以工作在各自的最大功率点。

这种单元结构非常简单，双向Buck/Boost，反激，Cuk等变换器均能实现[18]。这些单元使得相邻组件相互补充调节功率，且具有对称与功率流双向的结构，利于实现软开关。且实际中，每个光伏组件的最大功率点相差多一般不会很大，因而参与交换调节的功率不大，使得第一级变换输出效率很高。

该变换器最早来自于电池组的均压电路，澳大利亚昆士兰大学的学者提出了该结构在光伏中的应用[18]。美国伊利诺伊大学香槟分校的学者将其总结为DPP方法[7]。以色列本-古里安大学的研究人员做了改进，提出了谐振开关电容变换器[19]，及其回转型结构[9]，这种LC谐振的软开关变换器进一步减小了应力，提升了效率。

2.1.2 并联型差分功率处理电路

如图5所示，与级联型的相邻调节不同，并联型差分功率电路采用的方式为“先集中”后分配，即输出电流大于第一级输出电流的光伏组件，其多出部分的电流能量被处理电路汇入公共端，而输出电流小于第一级输出的组件，则通过馈能电流补偿器(returned energy current converter, RECC)从公共端获取所需能量，用以维持自身电压，从而保证所有组件工作在各自的最大功率点。这种补偿较为直接，避免了级联型DPP中组件功率两级分布时需要多级变换的问题，但结构较复杂。

这种变换器最早由美国科罗拉多大学的学者提出[10]，并且其文章对公共端接输出母线与否分别进行了讨论。

另外，这种变换器单元公共端并联，组件端串联的结构，在统一调制下具有自动均压特性。且各光伏组件最大功率点电压差异不大，因而统一调制便能获得很好补偿效果[20-21]，若需要精确补偿，则变换器单元都需要独立采样与控制[22]，系统复杂度和成本都大大增加。

2.2 输出串联

针对光伏组件串联问题的另一种思路是，每个组件的输出经过变换器之后再串联[18]，如图 6。这种方式直接解开了串联组件的电流一致约束。但串联变换器输出电流一致成为了新的约束，这就导致其输出电压正比于功率，功率差异大的变换器之间输出电压差异大且常发生改变，对变换器的设计与控制提出相当的挑战。

2.2.1 简单非隔离型

主要目的是为串联光伏组件解耦，因而简单的非隔离变换器就能实现。常用的变换器有升压型，降压型，升降压型变换器，分别以Boost、 Buck、Buck/Boost为代表。不同类型的变换器在串联时的约束不同[23]。Boost遮光组件多可导致大幅电压上升，故存在变换器串联数上限； Buck遮光组件多可导致大幅电压下降，故存在变换器串联数下限；如图7，Buck/boost电路输出电压相比输入可以升降，因而电流等级可任意设置，串联数上下限不受上述因素决定。故最利于控制的是类似Buck/boost的同时具备升降压能力的变换器。

耦合电感boost变换器由于漏感，需要较钳位电路来抑制其影响[24]，成本复杂度均较高，虽然升压比高，但在此并不重要。其他高升压的非隔离变换器结构复杂，更适合特殊需求场合。

2.2.2 隔离型

隔离型变换器可有效降低光伏的电位，使其与变换器驱动的工作更方便安全，并提供可观的升压比。但变压器的引入增加了成本，体积重量，与损耗。由于单个光伏组件功率较低，因而常用简单的隔离型变换器，如图 8所示的反激变换器[25]。

2.2.3 原副边叠加型

如图9隔离型电路可以应用变压器原副边母线叠加的结构。由于母线的叠加，以及一部分传输的功率不需参与变换，该结构可获得更高的升压比与效率；但失去了电气隔离，且结构较复杂，多耦合。文献[23]对此类结构进行了归纳总结。

2.3 输出并联

面对光伏组件串联的问题，最直接的办法便是放弃串联，而采用组件变换器并联[26]。如图10，各光伏组件分别接入一直流变换器单元，各单元的输出并联。这使得约束仅为相同输出电压。这保证了每个组件都能独立轻松地实现MPPT。但对第二级而言，这种低输入电压，大输入电流的能量汇集方式增大了升压变换的难度。

输出串联结构中的变换器均可用于输出并联型结构中，但优势类型不同。并联型没有串联限制，只需要具备升压能力即可。

2.3.1 简单非隔离型

常用的有升压型、降压型、升降压型变换器，分别以Boost、 Buck、 Buck/Boost为代表。但由于只需要升压即可，因而boost变换器更具优势。此外简单的结构很适合与后级变换进行器件复用[27]，减少等效变换级数，节约成本且提高效率。

2.3.2 隔离型

同理，隔离型变换器中，只具备升压能力的更适合于并联结构。

2.3.3 原副边叠加型

原副边叠加型变换器只具有升压能力，且升压比较高，效率较高，符合并联型的需求，尽管结构较复杂。当需要尽可能减小第二级变换的升压比要求时，可采用该类变换器。

2.4 小结

对于第一级变换的三类结构对比归纳于表1。

表1 第一级变换方案对比Table 1 Solution comparison for the first-stage conversion

3 第二级变换结构

第二级变换实现大电流低电压，到低电流高电压的变换。受制于元件功率电压等级较低，采用低元件应力的拓扑结构是必然选择。主要途径为模块化DC-DC变换器的串并联，以及多电平DC-DC变换器。

3.1 多电平直流变换器

多电平变换器具有突出的优势：低应力，低开关频率，低谐波等。因而该类变换器被广泛应用于高压大功率的DC-AC，和AC-AC变换场合。近年来在大功率DC-DC变换中也收到青睐。但本文主要针对光伏中压直流接入的需求来对其进行分析。

3.1.1 非隔离型

非隔离多电平变换器包括级联式、开关电容式、飞跨电容式。文献[28]中的单元级联式多电平变换器，通过直接的多级变换的叠加实现高升压。文献[29-32]提出了各类开关电容变换器，通过对开关电容递进充电的方式实现升压。文献[33]的基于飞跨电容多电平的变换器，如图11，同样利用对飞跨电容递进充电的方式实现升压。

这些变换器不需要变压器，且所需电感较小。但突出的问题是直接或间接的多级变换，这造成了较大的功率损耗。

3.1.2 隔离型

隔离型变换器直接来源于多电平DC-AC变换器，由逆变单元、变压器相连、整流单元，以全桥隔离直流变换器的方式组成。因而常用的多电平DC-AC拓扑结构大都能用于此类变换器，例如二极管钳位式多电平直流变换器[34]，飞跨电容多电平直流变换器，如图 12的模块化多电平直流变换器[35]。

从拓扑而言，该类变换器能实现高压大功率直流变换。但在第二级升压中，高变比大功率的特点使得单个变压器难以满足需求。且高压侧为整流侧，可以用二极管实现整流，但多电平必须使用主动器件，且不易于实现软开关，这使得系统复杂度与绝缘等成本上升，效率降低。

3.2 输入并联输出串联

串并联的模块化隔离型直流变换器单元，也可用于该大功率高升压的变换。固有的连接有多种[36]，其中适合本应用的是“输入并联与输出串联”即IPOS，如图13。

这样即可实现低压侧大电流、高压侧小电流，也使得小功率电压等级的变压器和开关器件即可满足各单元需要。尤其避免了多级变换造成的效率损失，且变换器单元适于采用软开关变换器，其控制也较多电平简易。甚至可以利用这种连接方式自动均压的特点[37]，采用统一脉宽或移相调制，使得控制采样系统大为简化。

3.3 小结

第二级变换的两类结构对比归纳于表2。

表2 第二级变换方案对比Table 2 Comparison between schemes of second stage

4 结论

根据本文的分析可以了解到：在未来智能电网的发展中，以光伏为代表的大容量新能源接入中压直流配电网，是重要的能源接入技术发展路径。

同时，经过对已有的新能源接入直流电网的电路拓扑的深入比较与分析，得到如下结论：

(1) 面向中压直流配电网的光伏接入系统第一级可采用差分功率处理电路，实现组串/组件级MPPT，并串联实现较高的输入电压。

(2) 面向中压直流配电网的光伏接入系统第二级可以采用IPOS结构以实现高效的高升压比变换。

[1] HUANG A Q, CROW M L, HEYDT G T, et al. The future renewable electric energy delivery and management (FREEDM) system: The energy internet[J]. Proceedings of the IEEE, 2010, 99(1)(1): 133-148.

[2] 江道灼, 郑欢. 直流配电网研究现状与展望[J]. 电力系统自动化. 2012, 36(8): 98-104. JIANG Daozhuo, ZHENG Huan. Research status and developing prospect of DC distribution network[J]. Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(8): 98-104.

[3] YANG Yuefeng, YANG Jie, HE Zhiyuan, et al. Research on control and protection system for Shanghai Nanhui MMC VSC-HVDC demonstration project[C]//IET International Conference on AC and DC Power Transmission. United Kingdom: IET, 2012: 1-6.

[4] SUBUDHI B, PRADHAN R. A comparative study on maximum power point tracking techniques for photovoltaic power systems[J]. IEEE Transaction on Sustainable Energy, 2013, 4(1): 89-98.

[5] 钱霞, 袁建华, 高厚磊, 等. 直流微电网光伏发电最大功率点追踪方法[J]. 电力自动化设备. 2012, 32(6): 90-93, 98. QIAN Xia, YUAN Jianhua, GAO Houlei, et al. MPPT of photovoltaic generation for DC microgrid[J]. Electric Power Automation Equipment, 2012, 32(6): 90-93, 98.

[6] GIUSTINIANI A, PETRONE G, SPAGNUOLO G, et al. Low-frequency current oscillations and maximum power point tracking in grid-connected fuel-cell-based systems[J]. IEEE Transaction on Industrial Electronics, 2010, 57(6): 2042-2053.

[7] SHENOY P S, KIM K A, JOHNSON B B, et al. Differential power processing for increased energy production and reliability of photovoltaic systems[J]. IEEE Transaction on Power Electronics, 2013, 28(6): 2968-2979.

[8] WANG Chengshan, LI Xialin, GUO Li, et al. A nonlinear-disturbance-observer-based DC-bus voltage control for a hybrid AC/DC microgrid[J]. IEEE Transaction on Power Electronics, 2014, 29(11): 6162-6177.

[9] BLUMENFELD A, CERVERA A, PERETZ M M. Enhanced differential power processor for PV systems: Resonant switched-capacitor gyrator converter with local MPPT[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2014, 2(4): 883-892.

[10] OLALLA C, CLEMENT D, RODRIGUEZ M, et al. Architectures and control of submodule integrated DC-DC converters for photovoltaic applications[J]. IEEE Transaction on Power Electronics. 2013, 28(6): 2980-2997.

[11] 张犁, 孙凯, 吴田进, 等. 基于光伏发电的直流微电网能量变换与管理[J]. 电工技术学报. 2012, 28(2): 248-254. ZHANG Li, SUN Kai, WU Tianjin, et al. Energy conversion and management for DC microgrid based on photovoltaic generation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 28(2): 248-254.

[12] EGHTEDARPOUR N, FARJAH E. Distributed charge/discharge control of energy storages in a renewable-energy-based DC micro-grid[J]. IET Renewable Power Generation. 2014, 8(1): 45-57.

[13] DIAZ N L, DRAGICEVIC T, VASQUEZ J C, et al. Intelligent distributed generation and storage units for DC microgrids—a new concept on cooperative control without communications beyond droop control[J]. IEEE Transaction on Smart Grid. 2014, 5(5): 2476-2485.

[14] 李琰, 王盼宝, 张继元, 等. 独立直流微网能量管理控制策略[J]. 电源学报, 2013, (5): 1-8. LI Yan, WANG Panbao, ZHANG Jiyuan, at al. Independent DC micro grid energy management control strategy[J]. Journal of Power Supply, 2013, (5): 1-8.

[15] LI Wuhua, HE Xiangning. Review of non-isolated high step-up DC/DC converters in photovoltaic grid-connected applications[J]. IEEE Transaction on Industrial Electronics. 2011, 58(4): 1239-1250.

[16] SHIH-KUEN C, TSORNG-JUU J, JIANN-FUH C, at al. Novel high step-up DC-DC converter for fuel cell energy conversion system[J]. IEEE Transaction on Industrial Electronics. 2010, 57(6): 2007-2017.

[17] 吴卫民, 何远彬, 耿攀, 等. 直流微网研究中的关键技术[J]. 电工技术学报, 2012, 27(1): 98-106, 113. WU Weimin, HE Yuanbin, GENG Pan, et al. Key technologies for DC micro-grids[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(1): 98-106, 113.

[18] WALKER G R. Photovoltaic DC-DC module integrated converter for novel cascaded and bypass grid connection topologies—Design and optimisation[C]//Power Electronics Specialists Conference. IEEE, 2006: 1-7

[19] BEN-YAAKOV S, BLUMENFELD A, CERVERA A, et al. Design and evaluation of a modular resonant switched capacitors equalizer for PV panels[C]//IEEE Energy Congress and Exposition. Raleigh : IEEE, 2012: 4129-4136.

[20] SHIMIZU T, HIRAKATA M, KAMEZAWA T, et al. Generation control circuit for photovoltaic modules[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2001, 16(3): 293-300.

[21] UNO M, KUKITA A. Single-switch voltage equalizer using multi-stacked SEPICs for partially-shaded series-connected PV modules[C]//Telecommunications Energy Conference ‘Smart Power and Efficiency’. Hamburg, Germany: VDE, 2013: 1-6.

[22] SHARMA P, AGARWAL V. Maximum power extraction from a partially shaded PV array using shunt-series compensation[J]. IEEE Journal of Photovoltaics, 2014, 4(4): 1128-1137.

[23] KASPER M, BORTIS D, FRIEDLI T, et al. Classification and comparative evaluation of PV panel integrated DC-DC converter concepts[C]//Power Electronics and Motion Control Conference. Novi : IEEE, 2012.

[24] DAS P, MOUSAVI S A, MOSCHOPOULOS G. Analysis and design of a nonisolated bidirectional ZVS-PWM DC-DC converter with coupled inductors[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(10): 2630-2641.

[25] ÖZTÜRK S, ÇADIRCI I. DSPIC microcontroller based imple-mentation of a flyback PV microinverter using direct digital synthesis[C]//2013 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. United States: IEEE, 2013: 3426-3433.

[26] POSHTKOUHI S, TRESCASES O. Multi-input single-inductor DC-DC converter for MPPT in parallel-connected photovoltaic applications[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition. Fort Worth: IEEE, 2011: 41-47.

[27] LI H, PENG F Z. Modeling of a new ZVS bi-directional DC-DC converter[J]. IEEE Transactions on Aerospace & Electronic Systems, 2004, 40(1): 272-283.

[28] FILSOOF K, LEHN P W. A bidirectional modular multilevel DC-DC converter of triangular structure[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(1): 54-64.[29] CAO D, PENG F Z. Zero-current-switching multilevel modular switched-capacitor DC-DC converter[C]//Energy Conversion Congress and Exposition, 2009. San Jose, CA: IEEE, 2009: 3516-3522.

[30] XIONG S, TAN S C, WONG S C. Analysis of a high-voltage-gain hybrid switched-capacitor buck converter[J]. IEEE Transactions on Circuits & Systems I Regular Papers, 2012, 59(5): 1132-1141.

[31] LIANG T J, CHEN S M, YANG L S, et al. Ultra-large gain step-up switched-capacitor DC-DC converter with coupled inductor for alternative sources of energy[J]. IEEE Transactions on Circuits & Systems I Regular Papers, 2012, 59(4): 864-874.

[32] QIAN W, CAO D, CINTRON-RIVERA J G, et al. A switched-capacitor DC-DC converter with high voltage gain and reduced component rating and count[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2012, 48(4): 1397-1406.

[33] 张元媛. 多电平直流变换器及其控制策略的研究[D]. 南京： 南京航空航天大学, 2004. ZHANG yuanyuan. Multilevel converter and its control strategy[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2014.

[34] LIU L, YAO W, LU Z. Multi-mode control strategy in three-level DC-DC converter for higher efficiency operation under light-load and standby conditions[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition. Charlotte, NC: IEEE, 2015: 921-926.

[35] CHEN Y, CUI Y, TAO Y, et al. High-fundamental-frequency modulation for the DC-DC modular multilevel converter (MMC) with low switching frequency and predicted-based voltage balance strategy[C]//Transportation Electrification Asia-Pacific. Beijing: IEEE, 2014: 1-6.

[36] BHINGE A, MOHAN N, GIRI R, et al. Series-parallel

connection of DC-DC converter modules with active sharing of input voltage and load current[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition. Dallas: IEEE, 2002, 2: 648-653.

[37] STEINER M, REINOLD H. Medium frequency topology in railway applications[C]//European Conference on Power Electronics and Applications. Aalborg: IEEE, 2007: 1-10.

(编辑 蒋毅恒)

An Overview and Analysis of Photovoltaic Power Integration Technology for Medium Voltage DC Distribution Network

SHI Haixu1, SUN Kai1, XIAO Xi1, WU Hongfei2

(1. State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments(Tsinghua University), Haidian District, Beijing 100084, China; 2. Jiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion (Nanjing University of Aeronautics and Astronautics), Nanjing 210016, Jiangsu Province, China)

The medium voltage DC distribution network is a significant technology for future smart grid with the integration of large-capacity renewable energy, typical as photovoltaic power generation. During recent years, most researches on photovoltaic generation focus on the integration into AC grid or low voltage DC grid, and the less on the integration into medium voltage DC grid. The development trends and specific demand of medium voltage DC distribution networks were in-depth investigated; the existing integration technologies of photovoltaic generation into low voltage DC grid were discussed, including the topologies and control strategies in the first and the second conversion stage. Based on these, the feasible solutions were proposed: the differential power processing circuits can be employed as the first conversion stage and the input-parallel output-series (IPOS) structure can be used for the second conversion stage to achieve high efficiency and high voltage transfer ratio simultaneously. The results can take great reference for the development of future photovoltaic DC integration.

photovoltaic interface technology; panel-level MPPT; medium voltage DC grid; two-stage DC step-up conversion

国家重点研发计划课题(2016YFB0900205)；国家自然科学基金项目(51577102)；清华大学自主科研计划(20161080044)

TM315

： A

： 2096-2185(2016)03-0001-09

2016-09-12

史海旭(1992—)，男，博士生，研究方向为新能源发电接口变换器系统，shihx14@mails.tsinghua.edu.cn；

孙 凯(1977—)，男，通信作者，副教授，博士生导师，研究方向为新能源发电和微电网系统中的电力电子技术，sun-kai@mail.tsinghua.edu.cn；

肖 曦(1973—)，男，教授，博士生导师，研究方向为电力电子与电力传动，xiao_xi@mail.tsinghua.edu.cn；

吴红飞(1985—)，男，副教授，研究方向为电力电子与新能源发电，wuhongfei@nuaa.edu.cn。

Project supported by National Key Research and Development Program (2016YFB0900205)；National Natural Science Foundation of China (51577102)；Tsinghua University Initiative Scientific Research Program(20161080044)