应用于分布式发电汇集的多端口直流变压器拓扑研究

赵转，李强，王迪

（郑州电力高等专科学校，河南郑州，450000）

0 引言

我国的可再生能源与传统能源一样，存在分布不均，与当地经济发展不匹配的特点。东部经济发展程度高，但风电资源相对较少，光伏能源也以分布式光伏为主。中西部地区经济发展程度较弱，但集中式的风电、光伏资源丰富。因此，电力能源的供给模态和传输方式都需要合理的规划和动态调整。而为了促进以风电和太阳能为代表的新能源有效利用，更为了响应“双碳”目标，多个国家和结构均制定了新能源利用时间表和碳汇交易机制。国内也在新能源并网方面制定了相应的激励政策。

截至到2019年年底，我国新能源累计装机容量突破4亿千瓦，达41477万千瓦，占全球的34%。风电和光伏发电新增装机和累计装机容量均为世界第一，10年间我国新能源装机增长14倍，位居世界第一。我国“十四五”规划也向碳达峰、碳中和倾斜，持续压减火电，增加新能源的渗透率。

但对于新能源来说，其发电产生的电能为直流电或者通过整流变成直流电传输更为经济可靠。如果将分布式电源直接接入直流配电网络或交直流混合电网，相较于传统交流电网，可以减少大量DC/AC中间环节，仅通过一级能量变换装置即可实现新能源的并网发电和储能系统的削峰填谷作用。更重要的是，对于新能源的就地消纳和局域电网支撑，这种方式也更为经济实用。它不仅减少了系统设计成本，也降低了系统的损耗，增加了系统效率，提高了功率密度。但是，直流母线电压等级众多的特点，以及直流源的形式多样化，如分布式电源、储能系统和双向直流负载等，致使经过多级功率变换器才能实现多电压等级直流母线汇集和功率交换。而基于电力电子变换技术的直流电力电子变压器(DCT)是多端直流系统乃至直流电网的关键设备之一。综上所述，研究直流变压器对于在直流配电网中实现分布式能源、储能、直流负荷等的多元化接入，具有重要的理论与实用价值。

本文结合分布式新能源的运行特点，以及分布式发电汇集的场景需求，提出一种基于多端口直流变压器的拓扑汇集方案。拓扑以多个模块化多电平变流器（MMC）为基础，通过高频变压器进行互联，将低压直流经该拓扑变换为高压直流并网。最后在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型，验证了可行性。

1 分布式发电汇集的多端口直流变压器拓扑

如图1所示的多端口直流变压器拓扑由三个MMC连接而成。每一端口都是一个MMC，MMC为多个半桥子模块串联而成。每个MMC的直流侧均连接不同电压等级的直流源或直流母线，交流侧各自经过交流变压器隔离后连接，各MMC的交流侧电压相同。低压直流端由低压光伏或者直流风电作为直流源，因此直流源本身也可以采用多个低压源串联提升端口电压。

图1 多端口直流变压器拓扑

拓扑采用MMC，可以通过桥臂模块变化调整对输入电压的适应性。桥臂中的电感也可以抑制模块高速通断时产生的系统环流。该拓扑主要有以下特点：

（1）模块化设计，每个MMC子模块的结构相同，可根据直流侧电压等级的不同进行相应的增减，同时具有高度冗余特点，可提高装置的可靠性；

（2）调制控制方式多样，模块化多电平结构使直流变压器可以采用多种MMC的调制与控制方法，可根据场景需求灵活变化，可有效控制装置损耗。

2 拓扑控制方法设计

■2.1 子模块均压控制算法

模块化多电平变流器具有模块化设计，可扩展性好，便于设计冗余等特点。因此本文提出的基于模块化多电平变换器的多端口直流变压器拓扑，在光伏、风电等多个场景中应用时，不同场景中直流母线电压等级的需求不同。为了保证系统能够正常运行，模块级的电压均压是基础。同时在模块级实现均压，也便于系统根据母线电压等级增减子模块。本文的应用于分布式发电汇集的多端口直流变压器中子模块电容电压均压算法按照如下逻辑设计：

（1）根据每一时刻桥臂电压需求，选择子模块触发，此时计算该状态下需投入桥臂的子模块数目；

（2）对所有子模块电容的电压值实时采样，并将每一桥臂所有MMC子模块的电容电压值进行高低排序；

（3）先判断桥臂电流的流经方向，并由此确定桥臂上需投入的MMC子模块电容将要进行的充放电状态；

（4）当子模块电容处于充电态时，将桥臂中子模块电容电压最低的数个子模块设置为投入状态；当子模块电容处于放电态时，将桥臂中子模块电容电压最高的数个子模块设置为投入状态。

该算法适用于多场景应用的多端口直流变压器，当直流源改变而需要对桥臂子模块总数进行重新设计时，只需将新增的子模块电容电压采样信号与原模块的电容电压信号共同计算，并经同一控制器进行处理后即可完成，系统无需进行额外设计。并且该算法随MMC子模块的开关周期工作，能够有效抑制MMC的子模块电容电压波动。

■2.2 拓扑控制算法

本文所提的应用于分布式发电汇集的多端口直流变压器拓扑可连接多个不同电压等级的直流母线，但每个分布式电源的端口传输的功率大小受光照或者风力条件影响，互不相同。因此，多端口直流变压器需要针对每个端口传递的功率设置单独的控制器，用以匹配端口直流电压，保证功率传输。

根据分布式电源的交直流汇集方式的对比，直流汇集方式线路损耗小、效率高、可靠性好，根据功率传输基本原理，图2给出了多端口直流变压器发电汇集的示意图。

图2 多端口直流变压器发电汇集示意图

在图2中，光伏1-光伏n表示可以有多个光伏发电单元进行直流汇集，端口直流电压为U-U。风电1-风电m表示可以有多个风电发电单元进行直流汇集，端口电压为U-U。每个MMC将光伏或者风电单元传输的直流功率转变为高频交流功率，经高频变压器进行传输。对MMC的控制设计为交流侧端口电压相同，减少交流侧端口电压的环流。根据移相控制原理，每个汇集支路的等效电感值相同，则每个汇集支路只与交流电压的相位差有关，每个汇集支路只需进行单独的高频变压器高低压侧相位差控制即可，由此可实现多个不同光伏或者风电的分布式电源直流汇集。

经过控制设计的分析，应用于分布式发电汇集的多端口直流变压器拓扑具有如下优势：

（1）分布式电源汇集时，每个发电单元的电压和功率会伴随天气条件和电源自身状态产生功率。而采用上述控制策略，将每个汇集支路单独控制并统一汇集，可以根据各单元的各自发电状态，实时调节各自汇集支路向直流母线输送的功率，从而实现多个支路的直流功率汇集，进一步拓展时对原拓扑单元影响也较小；

（2）该控制方式传输的功率灵活可控，可使各个发电单元的端口电压在一定范围内可以自由调节，从而可以在分布式电源最大功率跟踪时保证后端稳定运行；

（3）该控制方法通过控制交流环节各个端口的相位差，可以实现功率的双向传输，因此对于储能电池等双向传输需求强烈的单元也可有效适应，进而实现直流母线端口的能量均衡和削峰填谷要求。

3 仿真结果分析

根据上文中的拓扑设计和控制策略分析，在MATLAB/simulink仿真环境中搭建仿真模型，用于验证所提内容的可行性。仿真模型为了模拟多端口特性和多分布式发电单元特性，设计为两个汇集支路输入，单个直流输出的多端口模型。其中一个支路的发电单元为光伏发电单元，设计电源电压为5kV；另一个支路的发电单元为风电发电单元，设计电源电压为6kV。直流并网电压设计为10kV，以电压源的形式并入电网中。

图3所示为在MATLAB/Simulink中搭建的仿真模型，左边两部分电源为两个分布式电源模块，最右边电阻和滤波电感电容组成负载，表示系统为电压源型输出，中间的是三个模块即为多端口直流变压器。

图3 多端口直流变压器仿真模型

图4为多端口直流变压器的输入电压波形和输出电压波形。从图中可以看出，搭建的三端口直流变压器的输入电压为稳定的电压源，输出电压在经过0.3s左右的振荡后趋于稳定，稳定在10kV左右的设定值，说明直流变压器的运行正常，输出稳定。图5则是直流变压器内部桥臂子模块的均压波形。一共有八个子模块，但八个子模块的电压波动几乎重合，说明在本文所提的控制策略下，子模块的电压波动量一致，电压的波动范围固定，电容均压策略有效。

图4 多端口直流变压器输入输出电压波形

图5 直流变压器内部桥臂子模块均压波形

4 结论

本文通过分析以光伏、风电为主的分布式能源的电压等级与汇集特性，提出基于MMC的多端口直流变压器拓扑，用于分布式能源的直流汇集，并在此基础上对多端口直流变压器的控制方法展开研究。

基于模块化多电平变流器的多端口直流变压器具有模块化、易扩展、控制简便、易维护等特点，方便分布式发电单元的二次扩展。

分析了模块化多电平变流器的桥臂能量变化规律，设计了适用于多端口直流变压器的子模块电容均压算法，保证多端口直流变压器具有良好的冗余特性，并便于维护。

根据直流变压器的功率传输原理，提出了适用于多端口直流变压器的多汇集支路功率传输控制策略，并在MATLAB/Simulink环境下搭建多端口直流变压器的仿真模型，对多个发电单元汇集的拓扑及运行控制策略进行了仿真验证。仿真结果表明，本文提出的多端口直流变压器拓扑及控制策略能很好地应用于分布式发电汇集。