兆瓦级光伏中压直流并网变换器研制及实证应用

黄欣科，王 环，周 宇，魏苗苗，王一波，许洪华

（1. 中国科学院电工研究所，北京市 100190；2. 中国科学院大学，北京市 100049）

0 引言

光伏、风电等新能源开发利用是解决能源危机与环境问题的重要途径［1］。近十年来，世界范围内光伏新增装机容量年年攀升，光伏电站容量越来越大，电站规模向大型化、集中化、光伏基地方向发展［2］。传统光伏电站通常以低压交流汇集、工频交流变压器集中升压后以中高压交流并入交流电网，所需电能转换设备和转换环节多、系统整体效率提升困难［3-4］；同时，光伏电站集中交流并网出现谐波谐振、同步振荡等电能质量问题，成为限制光伏并网的技术瓶颈［5-6］。随着柔性直流输电技术和中压柔性直流配电网技术的快速发展［7-8］，光伏中高压直流升压汇集并网方案被提出，可有效避免传统光伏电站交流汇集并网送出的相关问题［9］，同时光伏中高压直流汇集并网可节省电能转换设备及成本，提高系统整体效率，具有明显经济技术优势［10］。

中高压大功率直流变换器作为直流电网的核心装备，近年来成为研究热点［11-12］。文献［13］针对大规模可再生能源汇集应用，指出直流变换器需具备高电压、高增益、大容量和功率单向流动功能特性。然而由于功率半导体器件的耐压通流能力限制，传统基于两电平拓扑结构的低压直流变换器无法直接满足中高压大功率、大变比光伏直流汇集并网场合［14］。模块化多电平变换器（modular multi-level converter，MMC）是一种有效的高压大功率解决方案，但MMC 型直流变换器两侧电压相对恒定，适用于不同电压等级直流电网互联等场合［15-16］，不能满足光伏宽输入电压范围的最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT）应 用 需求［16］。模块级联型直流变换器是实现高压大功率的另一种有效技术方案［17］，特别是输入并联输出串联（input-parallel output-series，IPOS）模块级联型结构，适合应用于低压到高压的大功率变换场合［18］，不仅可以利用现有的低压功率器件和电路拓扑结构，而且利于系统可靠性的提高和扩容升级，能够满足光伏中高压直流汇集并网应用技术需求［19］。

功率模块作为IPOS 级联型直流变换器的核心，其工作特性在一定程度上直接决定了直流变换器的性能［20］；同时，功率模块间硬件参数不一致会引起直流变换器内部模块间输入电流及输出电压不均衡问题，严重影响直流变换器的可靠运行［21］。因此，需要根据中压汇集用直流变换器的技术需求，选择合适的功率模块拓扑，并进行模块间输入均流或输出均压控制，保证功率模块及直流变换器的高效稳定运行。文献［22］提出了一种模块级联型直流变换器，功率模块由两级功率变换实现，所需元器件数量多，前后级协调控制复杂。文献［23］提出一种基于双有源全桥（dual active bridge，DAB）拓扑的IPOS 直流变换器，但该变换器两侧都采用有源功率器件，控制相对复杂。文献［24-26］研究了IPOS 级联型直流变换器模块均压均流控制策略，但都基于集中控制器发送电压、电流均衡指令实现，当运行模块数量变化时，需要根据实际运行模块数量及时调整均衡指令，变换器若不能及时获得模块故障信息，将会产生错误均衡指令，造成变换器无法正常运行。

本文针对兆瓦级光伏中压直流汇集并网变换器技术需求，提出采用基于Boost 全桥隔离功率模块IPOS 的模块化级联结构，实现变换器中压大功率、大升压比功率变换；为了解决IPOS 级联型直流变换器功率模块间参数不一致造成的电压、电流不均衡问题，提出一种分布式模块均衡控制策略，可有效减少集中控制指令，实现模块化设计并提高直流变换器的可靠性。研制完成5 kV/80 kW 功率模块，并基于14 台功率模块研制完成±30 kV/1 MW 光伏中压直流变换器工程样机，最终实现了±30 kV/1 MW 光伏中压直流变换器在光伏电站内的实证应用。

1 光伏中压直流汇集并网系统结构

光伏中压直流汇集并网系统通过光伏发电单元中压直流变换器实现光伏低压到中压直流的电能升压汇集。光伏中压直流汇集并网系统典型拓扑结构如图1 所示。

图1 光伏中压直流汇集并网系统Fig.1 Medium-voltage DC photovoltaic collection and grid-connection system

光伏阵列与光伏中压直流变换器组成光伏中压直流升压汇集单元，然后M路光伏中压直流升压汇集单元输出并联接入中压直流母线，实现光伏电能中压直流汇集，最后通过中压直流母线将光伏电能并入直流电网。光伏中压直流汇集母线电压由直流电网控制，系统中各路光伏中压直流升压汇集单元只需控制输出电流就可以控制光伏并网功率。

2 光伏中压直流并网变换器拓扑

针对兆瓦级光伏中压直流汇集并网变换器技术需求［3］，本文提出采用基于Boost 全桥隔离功率模块IPOS 的模块化级联结构，实现大功率、高电压、大升压比的光伏功率变换。光伏中压直流变换器拓扑结构如图2 所示。

图2 IPOS 模块级联型光伏中压直流变换器Fig.2 Medium-voltage photovoltaic DC converter with cascaded IPOS modules

功率模块基于Boost 全桥隔离拓扑结构，其中Cin为输入侧电容，LBoost为升压电感，开关管S1至S4组成全桥电路，Tr为高频隔离变压器，Lr为变压器等效漏感，n为变压器变比，整流二极管D1至D4组成全桥整流电路，Co为输出侧电容。由于变压器漏感的影响，在桥臂开关管关断瞬间会产生较大的关断电压尖峰，增大了开关管电压应力。通过在Boost全桥隔离功率模块输入侧增加开关管S0和电容Cc共同组成的有源钳位电路，可以有效抑制桥臂开关管关断电压尖峰，减小开关管电压应力。

Boost 全桥隔离功率模块控制时序见附录A 图A1。其中T表示开关周期，开关管S1与S4的触发脉冲信号Vg1、Vg4一致，开关管S2与S3的触发脉冲信号Vg2、Vg3一致，Vg1（Vg4）与Vg2（Vg3）的相位相差180°，开关管占空比D满足0.5＜D＜1。当开关管S1、S4或S2、S3关断时，通过钳位开关管触发脉冲信号Vg0驱动S0开通，分流电感电流，抑制桥臂开关管关断电压尖峰。同时，通过控制钳位开关管的延迟开通与提前关断，可以实现桥臂开关管的软开关，减小开关损耗，提高转换效率。

式中:Vout为光伏中压直流变换器输出电压；N为中压直流变换器内部运行模块数量。

由以上分析可以看出，通过功率模块IPOS 级联方式，可以实现直流变换器高压大功率、大升压比光伏功率变换，同时通过占空比的灵活调节，可以实现直流变换器变变比功能，满足光伏阵列宽电压范围内的MPPT 需求。

3 光伏中压直流变换器控制策略

本章分析IPOS 模块级联型光伏中压直流变换器控制策略。在光伏直流中压汇集场合，光伏直流变换器主要实现光伏阵列的MPPT 功能，其基本控制策略为根据光伏输入电压Vin及输入电流Iin，通过MPPT 算法（如扰动观察法、电导增量法等）计算得到输入电压参考指令Vin，ref，MPPT，并与输入电压比较产生输入电压误差信号Vin，e，然后通过输入电压闭环控制产生输出电流参考指令Io，ref，并与输出电流Io比较后产生输出电流误差信号Io，e，最后通过输出电流闭环控制策略，即可控制直流变换器的并网功率。另外，光伏直流变换器需具备接受光伏电站功率调度功能，在接收到光伏站控系统功率调度指令时，光伏直流变换器根据功率调度指令Po，ref及当前实时输出功率Po情况，实现对其输出功率的控制。若变换器当前输出功率小于限功率调度指令值，变换器将按照当前的实际输出功率运行在MPPT 模式；若变换器当前输出功率大于功率调度指令值，输出功率偏差Po，e通过功率控制器后产生输入电压参考 指 令Vin，ref，lpc，变 换 器 将 按 照 限 功 率 指 令 偏 离MPPT 运行，执行限功率控制模式。光伏直流变换器的基本控制策略见附录A 图A2。

为了解决模块间参数不一致引起的模块输入电流及输出电压不均衡问题，本文提出一种分布式模块均衡控制策略，可有效减少集中控制指令，便于实现模块化设计，提高功率模块及直流变换器的运行可靠性。在IPOS 结构中，当某个模块输入电流偏高时，应减小其输出功率，进而达到减小输入电流的目的。直流变换器双闭环控制中增大输入电压将会减小输出电流，进而减小输入电流。因此，当模块输入电流偏大时，通过增大输入电压指令，可以减小模块输入电流。将输入电流作为电流均衡指令引入输入电压控制指令中可以实现模块间输入电流均流控制，如图3（a）所示。模块输入电压控制指令与输入电流呈线性关系，输入电压指令直接反映输入电流的均衡情况。由于各模块输入电压相同，因此，稳定后输入电流也基本相等。将输出电压作为均衡指标引入输入电压指令，可以推导出模块输入电压和输出电压之间的关系，如图3（b）所示。同理，可以推导出模块输出电流和输入电流、输出电压之间的关系，如图3（c）和（d）所示。

图3 分布式均衡控制策略下电压与电流关系Fig.3 Relationship between voltage and current with distributed equalization control strategy

以图3（a）为例，分析分布式模块均衡控制策略的工作过程。图3（a）中O点为输入电流平均电流Iin/N，当模块运行在A点时，输入电流为Iin，j，A。此时增大模块输入电压指令，输出电流减小，输入电流随之下降，模块工作点向O点移动。当模块运行在B点时，输入电流Iin，j，B低于平均电流，此时降低电压指令，模块输出电流增大，输入电流也随之增大，模块工作点向O点移动。根据模块输入电压和电流特性，以及模块间IPOS 连接关系，模块输入电流对应唯一输入电压。因此，通过调节输入电压即可实现分布式模块输入均流控制。

图3（a）和（b）中模块输入电压与输入电流或输出电压呈线性关系，斜率为正值，相当于为模块输入电压源增大输入阻抗，实现均压和均流，模块输入电压指令和输入电流、输出电压之间的关系可以表示为:

式中:Vin，ref，0，j为第j个模块的输入电压原始指令；Iin，j为第j个模块的输入电流；Vo，j为第j个模块的输出电压；Ksh为均衡控制系数，在采用不同的控制策略时，Ksh具有不同的数值和量纲；Vin，ref，1，j为第j个模块的实际输入电压指令。

图3（c）和（d）中模块输出电流与输入电流、输出电压呈线性关系，斜率为负数。这相当于为输出电流源增加输出阻抗，实现均压和均流。模块输出电流指令和输入电流、输出电压之间的关系可以表示为:

式 中:Io，ref，0，j为 第j个 模 块 的 输 入 电 流 原 始 指 令；Io，ref，1，j为 第j个 模 块 的 实 际 输 入 电 流 指 令。

图3 中4 种控制策略是相互等效的，根据图3（a）和式（3）可以得到输入电压闭环引入分布式均流控制后的模块控制策略，如图4 所示。图中:Gid(s)为输出电流与占空比之间的传递函数；Gvi(s)为输出电压与输出电流之间的传递函数。通过MPPT 算法 计 算 得 到 的 原 始 电 压 参 考 指 令Vin，ref，0，j与 分 布 式模块均衡控制器Gsh产生的均衡指令Vin，ref，sh，j叠加后产 生 实 际 输 入 电 压 参 考 指 令Vin，ref，1，j，与 实 际 输 入 电压Vin，j比较后产生电压误差信号，通过输入电压闭环比例-积分调节器Gvin后产生输出电流参考指令Io，ref，j，并与实际输出电流Io，j比较后通过输出电流比例-积分调节器Gio产生占空比信号D。通过输入电压环引入分布式均流控制后，即可实现模块之间的均衡控制。

图4 输入电压闭环引入分布式均流控制后的模块控制策略Fig.4 Module control strategy after introducing distributed current-sharing control into input-voltage closed-loop

若功率模块具有完全一致的输出电压、电流特性，则可实现模块间完全均流。模块间硬件参数存在差异，造成模块特性不一致，即输入电压和输入电流特性曲线起始点不同，模块间输入电流不完全均衡。基于输入电压指令中引入输入电流的分布式模块均流控制特性如图5 所示。

图5 分布式模块均流控制特性Fig.5 Characteristics of distributed module currentsharing control

图5（a）中2 条曲线起始点电压不同，当输入电压 为Vin，O时，模 块 分 别 工 作 在A点 和B点，输 入 电流分别为Iin，j，A和Iin，j，B。增大特性曲线的斜率即均衡控制系数Ksh，模块工作点分别为A1和B1，如图5（b）所 示。此 时 输 入 电 流 分 别 为Iin，j，A1和Iin，j，B1，可 以 看到，通过增大均衡控制系数，输入电流不均衡度降低。因此，在实际中可以通过选择合适的均衡控制系数满足电压、电流均衡目标。

4 实验验证

为了验证光伏中压直流变换器拓扑及其控制策略的有效性，研制了5 kV/80 kW 功率模块，搭建了2 个模块组成的IPOS 直流变换器测试平台，完成了功率模块及直流变换器的实验测试，并基于14 台功率模块研制了±30 kV/1 MW 光伏中压直流变换器，实现了光伏中压直流变换器实证运行。

4.1 分布式模块均衡控制实验测试

研制的5 kV/80 kW 功率模块主要由低压模块、高频隔离变压器、高压模块3 个部分组成，相应照片见附录A 图A3。低压模块内部功率器件采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT），主要实现Boost 升压及高频逆变功能；高频隔离变压器作为功率模块的核心部件，不仅可以实现大变比升压功能，而且可以实现电气隔离与耐压支撑作用；高压模块采用碳化硅快恢复二极管组成高频整流硅堆，实现高频整流，3 个部分整体实现光伏低压直流到中压直流的电能变换。基于Boost 全桥隔离变换拓扑设计的5 kV/80 kW 功率模块关键参数见附录A 表A1。

功率模块稳态运行电压、电流波形见附录A图A4，由该图可见，功率模块运行稳定，通过对有源钳位开关管的控制，变压器一次侧电压尖峰得到有效抑制。

为了验证本文提出的分布式模块均衡控制策略，搭建了2 台功率模块组成的IPOS 直流变换器测试平台，其中模块1 的变压器漏感设计为10 μH，模块2 的漏感设计为50 μH。

图6 是2 台功率模块IPOS 组成的直流变换器采用分布式模块均衡控制策略前后的电压实验波形。在不采用均衡控制策略时，模块1 与模块2 的输出电压相差200 V，在加入分布式均衡控制后，模块1 与模块2 实现了输出电压均衡，两模块的输出电压差为10 V。

图6 采用分布式模块均衡控制策略前后的电压实验波形Fig.6 Experimental waveforms of voltage before and after using distributed module equalization control strategy

图7 是均衡控制系数Ksh取不同值时的模块均压效果实验波形。当均衡控制系数取值为0.05 时，两模块的输出电压相差10 V；当均衡控制系数减小为0.000 1 时，两模块的输出电压差增大到100 V；当均衡控制系数恢复为0.05时，两模块均压效果恢复。

图7 不同均衡控制系数取值下的电压实验波形Fig.7 Experimental waveforms of voltage with different values of equalization control coefficient

2 台模块组成的IPOS 直流变换器采用分布式模块均衡控制策略的稳态运行波形见附录A 图A5，可见模块1 与模块2 实现了输出电压均衡。

4.2 ±30 kV/1 MW 直流变换器实证测试

基于14 台5 kV/80 kW 功率模块IPOS 模块化级联方式，研制完成±30 kV/1 MW 光伏中压直流变换器工程样机，其中12 台功率模块作为正常运行模块，剩余2 台为冗余备用模块，可有效提高变换器的可靠性。在云南省大理州干塘子光伏电站建立了±30 kV/1 MW 光伏中压直流并网实证系统，完成了光伏中压直流变换器现场实验验证，工程样机照片见附录A 图A6。

光伏中压直流变换器稳定运行时的电压、电流波形见附录A 图A7。直流变换器稳定运行在MPPT 运行模式，变换器输出侧电压为±30 kV，输出电流为14 A，输出功率为840 kW。光伏中压直流变换器接受功率调度的实验波形见附录A 图A8。初始情况下变换器运行在MPPT 模式，输出功率在840 kW 左右，当直流变换器接收到限功率指令值400 kW 时，变换器偏离最大功率点，执行限功率控制模式，输出功率为400 kW。当限功率指令解除后，变换器从限功率控制模式切换至MPPT 运行模式，输出功率由400 kW 逐渐增大到840 kW。

图8（a）是光伏中压直流变换器典型晴天日的输入电压与直流升压比曲线。可以看出，光伏输入最大功率点电压在500～700 V 之间波动，变换器并网电压为±30 kV，直流变换器的升压比随着光伏输入电压变化在80～120 之间波动，变换器具有大升压比和变变比特性。

图8 光伏中压直流变换器典型晴天日的运行曲线Fig.8 Operation curves of medium-voltage photovoltaic DC converter in typical sunny day

图8（b）是光伏中压直流变换器典型晴天日的输出功率及转换效率曲线。晴天日光伏功率变化平滑，最大输出功率达到900 kW，接近直流变换器额定输出功率，直流变换器转换效率曲线平坦，最大转换效率达到95%以上，直流变换器在全功率范围内可实现高效运行。

图9 是光伏中压直流变换器典型浮云日的完整运行曲线。由图9（a）可以看出，直流变换器直流升压比跟随光伏输入电压的变化出现较大波动。由图9（b）可以看出，浮云日光伏功率波动可达80%，但直流变换器的转换效率在95%左右，直流变换器可实现快速光伏功率波动工况下的高效稳定运行。

图9 光伏中压直流变换器典型浮云日的运行曲线Fig.9 Operation curves of medium-voltage photovoltaic DC converter in typical cloudy day

5 结语

本文针对光伏中压直流汇集并网应用直流变换器技术需求，提出采用基于Boost 全桥隔离功率模块IPOS 的模块级联型直流变换器结构，实现光伏直流变换器高压、大功率、大升压比功率变换；针对模块级联型直流变换器多模块均压、均流问题，提出一种分布式模块均衡控制策略，可有效减少集中控制指令，提高变换器均衡控制的可靠性，实现功率模块及直流变换器的稳定运行。研制了5 kV/80 kW功率模块，并实现了直流变换器拓扑及控制策略的实验验证。通过14 台功率模块IPOS，研制完成±30 kV/1 MW 光伏中压直流并网变换器工程样机，并在中国云南省大理州干塘子光伏电站实证运行，系统运行稳定，验证了模块级联型中压直流变换器拓扑及控制策略的有效性，为规模化光伏电站中压直流汇集并网应用提供了技术支撑。

本文研制的基于Boost 全桥隔离功率模块IPOS 的模块级联型直流变换器适用于光伏中压直流汇集并网场合。针对未来大规模光伏电站高压直流汇集并网应用需求，需要研究能够满足实际工程推广应用的更高电压等级、更大系统容量的直流变换器拓扑及其控制技术；同时，高频变压器设计技术、光伏高压直流升压汇集并网系统设计集成技术等也是需要进一步研究的重点方向。

附录见本刊网络版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），扫英文摘要后二维码可以阅读网络全文。