史海旭，孫 凱，肖 曦，吳紅飛

(1.電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(清華大學(xué))，北京 海淀 100084；2.江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京航空航天大學(xué))，江蘇 南京 211106)

面向中壓直流配電網(wǎng)的光伏發(fā)電接入技術(shù)綜述與分析

史海旭1，孫 凱1，肖 曦1，吳紅飛2

(1.電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(清華大學(xué))，北京 海淀 100084；2.江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京航空航天大學(xué))，江蘇 南京 211106)

未來(lái)智能電網(wǎng)中，以光伏為代表的大容量新能源接入中壓直流配電網(wǎng)，是重要的能源匯集技術(shù)發(fā)展路徑。近年來(lái)光伏發(fā)電接入交流電網(wǎng)和低壓直流電網(wǎng)的研究已有豐富成果，相關(guān)技術(shù)日臻成熟，然而針對(duì)光伏發(fā)電接入中壓直流電網(wǎng)的研究仍然較少。深入調(diào)研了中壓直流配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)與需求，并系統(tǒng)全面地分析了已有的光伏發(fā)電接入低壓直流電網(wǎng)技術(shù)，包括第一級(jí)變換和第二級(jí)變換的電路拓?fù)浜涂刂撇呗?。在?duì)各類(lèi)技術(shù)方案進(jìn)行比較分析的基礎(chǔ)上，指明了可行的大容量光伏發(fā)電接入中壓直流配電網(wǎng)解決方案：第一級(jí)采用差分功率處理電路，第二級(jí)采用隔離型DC/DC變換器輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)(input-parallel-output-series, IPOS)架構(gòu)。論文工作可為未來(lái)接入中壓直流配電網(wǎng)的光伏直流匯集系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供參考。

光伏接入系統(tǒng)；組件級(jí)MPPT；中壓直流電網(wǎng)；兩級(jí)直流升壓

0 引言

近年來(lái)，以柔性直流技術(shù)為核心的輕型直流輸電(voltage sourced converter based high voltage direct current transmission, VSC-HVDC)系統(tǒng)已被應(yīng)用于大區(qū)異步互聯(lián)、大規(guī)模新能源并網(wǎng)等重要輸變電工程之中。直流技術(shù)在未來(lái)配電系統(tǒng)中也具有廣闊的發(fā)展前景。隨著我國(guó)城市負(fù)荷密度的不斷增加，配電網(wǎng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，受制于短路容量、電磁環(huán)網(wǎng)等問(wèn)題，城市配電網(wǎng)通常按照高壓分區(qū)、中壓開(kāi)環(huán)的方式運(yùn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備利用率降低，可靠性下降。同時(shí)，用戶對(duì)供電可靠性、電能質(zhì)量的要求卻在不斷提高。近年來(lái)的研究成果表明，基于柔性直流技術(shù)的交直流混合配電網(wǎng)更適合現(xiàn)代城市配電網(wǎng)的發(fā)展[1-3]：(1)可以更好地接納分布式直流電源(光伏、電池儲(chǔ)能等)和直流負(fù)荷，發(fā)光二極管(light-emitting diode, LED)照明、電動(dòng)汽車(chē)等)；(2)提升配電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性，可靠性，改善電能質(zhì)量；(3)采用輸電效率更高的地埋式直流電纜，可緩解城市輸配電走廊緊缺的狀況。

電網(wǎng)自身組網(wǎng)形式變化的同時(shí)，快速增長(zhǎng)的新能源接入也是一個(gè)重要趨勢(shì)。以光伏發(fā)電為代表的分布式新能源發(fā)電自身具有間歇性和隨機(jī)性等特點(diǎn)。因此，傳統(tǒng)大規(guī)模分布式新能源并網(wǎng)存在以下三方面問(wèn)題：(1)效率與經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。傳統(tǒng)的新能源并網(wǎng)接口多采用集中式變換器，各單元功率不能保證最大化。(2)電網(wǎng)穩(wěn)定性問(wèn)題。新能源發(fā)電的間歇性，使其不易接受調(diào)度，不利于電網(wǎng)穩(wěn)定。(3)電能質(zhì)量問(wèn)題。傳統(tǒng)的電流源并網(wǎng)方式僅是向電網(wǎng)注入能量，不參與電能質(zhì)量調(diào)節(jié)。

為同時(shí)應(yīng)對(duì)交直流混合配電網(wǎng)發(fā)展和大規(guī)模分布式新能源發(fā)電并網(wǎng)這兩項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，本文作者經(jīng)過(guò)調(diào)研和思考認(rèn)為：面向中壓直流配電網(wǎng)的分布式光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)將是一條重要而有效的技術(shù)發(fā)展途徑。將以光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)為代表的新能源發(fā)電系統(tǒng)直接接入中壓直流配電網(wǎng)(10 kV以上)，相比于傳統(tǒng)低壓并網(wǎng)形式具有以下四方面的優(yōu)勢(shì)：(1)容量?jī)?yōu)勢(shì)。高電壓，大容量，有利于集中接受電網(wǎng)調(diào)度。(2)效率優(yōu)勢(shì)。僅通過(guò)DC/DC變換即可接入電力系統(tǒng)，避免了直流至交流的多級(jí)變換。(3)靈活性優(yōu)勢(shì)。將光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)直接接入中壓直流母線，有力支撐電網(wǎng)的潮流控制。(4)穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)。光伏與儲(chǔ)能之間的協(xié)調(diào)與配合，可以大大抑制光伏的間歇性、隨機(jī)性影響。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于中壓直流配電網(wǎng)中的新能源接入技術(shù)研究較少，本文作者對(duì)與之密切相關(guān)的低壓(1 kV以下)直流配電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)中新能源發(fā)電接入技術(shù)進(jìn)行了調(diào)研和歸納，主要為以下四方面：

(1) 新能源發(fā)電功率的最大限度利用。研究人員針對(duì)光伏發(fā)電功率特性，一方面提出了多種最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking, MPPT)算法[4-6]；另一方提出了多種的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以保證發(fā)電單元的最大功率[7-10]。

(2) 新能源發(fā)電與儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)配合。為抑制新能源發(fā)電的功率波動(dòng)，及其對(duì)直流電網(wǎng)穩(wěn)定的不利影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究并提出了新能源與儲(chǔ)能之間的協(xié)調(diào)控制方法[11-13]。

(3) 高性能DC/DC接口變換器。光伏發(fā)電存在能量轉(zhuǎn)換效率低、單體電池輸出電壓較低且輸出電壓范圍變化較大等劣勢(shì)。為此，研究人員著重研究了DC/DC變換器的高效率化、寬增益化、多功能化等關(guān)鍵問(wèn)題，在器件、拓?fù)?、控制等多方面?shí)現(xiàn)了一系列理論創(chuàng)新和技術(shù)突破[15-16]。

(4) 直流母線側(cè)并網(wǎng)控制技術(shù)。其核心為分布式電源(光伏、儲(chǔ)能等)之間的功率分配方法和直流電網(wǎng)的能量管理策略[17]。

這些低壓直流電網(wǎng)(1 kV以下)中的新能源接入技術(shù)的研究成果，依然遠(yuǎn)不能滿足中壓直流配電網(wǎng)(10 kV以上)中新能源發(fā)電接入的需求，在理論和技術(shù)層面仍然存在以下四方面的不足：

(1) 缺少將大容量新能源發(fā)電接入中壓直流母線(10 kV以上)的電力電子解決方案，包括系統(tǒng)架構(gòu)和電路拓?fù)洹?/p>

(2) 大容量光伏發(fā)電系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的MPPT和電流源運(yùn)行模式不適應(yīng)中壓直流配電網(wǎng)需求。

(3) 光伏-儲(chǔ)能的配合運(yùn)行與直流配電網(wǎng)穩(wěn)定性之間的相互關(guān)系與機(jī)理不清晰。

(4) 光伏發(fā)電的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)、DC/DC接口變換器的效率優(yōu)化和直流并網(wǎng)三方面研究是相互獨(dú)立的，缺乏以整體系統(tǒng)為目標(biāo)的功率流分析與優(yōu)化。

綜上所述，為了獲得面向中壓直流配電網(wǎng)的大容量新能源發(fā)電接入系統(tǒng)優(yōu)良的解決方案，對(duì)系統(tǒng)的功率流進(jìn)行深入研究并加以優(yōu)化是十分必要的。

1 光伏中壓直流接入系統(tǒng)特性

光伏中壓直流接入系統(tǒng)(如圖1所示)的特性由光伏電池板和中壓直流網(wǎng)這兩方面特性與需求所決定。

單體光伏電池功率小，輸出電壓較低(小于100 V)且輸出電壓范圍變化較大，各單體的功率特性和運(yùn)行時(shí)的溫度光照可能不同。中壓直流電網(wǎng)電壓相對(duì)而言非常高(20 kV)，且希望輸入電源穩(wěn)定并接受調(diào)度。因而該大容量接入系統(tǒng)需要匯集眾多特性與條件各異的單體電池的能量，并以極高升壓比轉(zhuǎn)換，而后輸送至中壓直流電網(wǎng)。

為了實(shí)現(xiàn)該功能并滿足高效率、高可靠性、高穩(wěn)定性以及良好的經(jīng)濟(jì)性等一系列目標(biāo)，需面對(duì)的其核心問(wèn)題是：

(1) 分布式低壓小電流的大容量匯集；

(2) 最大限度利用所有光伏組件的功率能力；

(3) 低壓大電流至高壓小電流，單向超高升壓比大容量變換；

(4) 光伏發(fā)電的間歇性與電網(wǎng)穩(wěn)定性的協(xié)調(diào)等并網(wǎng)技術(shù)。

針對(duì)(1)和(2)，需要多個(gè)小功率的變換器單元對(duì)各光伏組件分別進(jìn)行管理，同時(shí)輸出側(cè)采用串聯(lián)或并聯(lián)的方式將能量匯集。針對(duì)(3)，需要將集中的低壓電能通過(guò)特別的大容量超高升壓比的系統(tǒng)進(jìn)行變換。針對(duì)(4)，需要配置儲(chǔ)能單元實(shí)現(xiàn)功率的穩(wěn)定與平衡，并且設(shè)計(jì)采用適當(dāng)?shù)碾妷汉蛢?chǔ)能管理策略。若將儲(chǔ)能系統(tǒng)配置在中壓直流母線側(cè)，暫不考慮，則可以得到如圖 2所示的光伏發(fā)電的接入系統(tǒng)，該宏觀系統(tǒng)構(gòu)架包含兩級(jí)變換。

其中第二級(jí)變換在硬件選型上存在較大挑戰(zhàn)。目前，單個(gè)高頻變壓器的電壓等級(jí)和容量較低；全控開(kāi)關(guān)器件電壓等級(jí)較低(約6 kV)。這些技術(shù)限制使得該超高變比大容量的需求難以直接滿足，因而需要從系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)入手，減小所需單個(gè)變壓器與器件的功率電壓等級(jí)，例如變換器串并聯(lián)，多電平變換器等方式。

基于上述調(diào)研分析，對(duì)未來(lái)大容量光伏發(fā)電中壓直流接入系統(tǒng)，本文按照兩級(jí)變換的組合，得出了幾種可能的系統(tǒng)架構(gòu)方案。第一級(jí)：(1)光伏組件串聯(lián)，差分功率處理(differential power processor, DPP)電路；(2)光伏組件隔離，組件變換器輸出串聯(lián)；(3)光伏組件隔離，組件變換器輸出并聯(lián)。第二級(jí)：(1)多電平變換器；(2)多變換器模塊輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)。

2 第一級(jí)變換結(jié)構(gòu)

第一級(jí)變換器系統(tǒng)應(yīng)充分利用光伏電池發(fā)電能力，以提升整個(gè)接入系統(tǒng)的效率與經(jīng)濟(jì)性。為了應(yīng)對(duì)大容量高升壓的需求，將光伏組件串/并聯(lián)是一種簡(jiǎn)單有效的方式，但各個(gè)光伏單體電池的特性與光照/溫度條件常不一致，而輸出電流/電壓必須一致，因而難以全部實(shí)現(xiàn)MPPT。一個(gè)簡(jiǎn)單的改進(jìn)措施是對(duì)每個(gè)組件反并聯(lián)二極管，這樣可以旁路輸出電流較低的組件，提高輸出電流進(jìn)而獲取更大功率，但顯然提升有限。所以對(duì)各組件分別進(jìn)行管理是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的必要條件。具體的實(shí)現(xiàn)方式為如下三類(lèi)第一級(jí)變換架構(gòu)。

2.1 差分功率處理電路

光伏組件串聯(lián)時(shí)輸出電流一致，因而需要附加輔助變換器，“損有余而補(bǔ)不足”，使得各個(gè)組件工作在自己的最大功率點(diǎn)，如圖3。這種附加的變換器稱(chēng)為差分功率處理器，研究人員對(duì)此類(lèi)變換器進(jìn)行了大量研究，按照輔助變換器的功率流方式分為：級(jí)聯(lián)型差分功率處理電路，并聯(lián)型差分功率處理電路。

2.1.1 級(jí)聯(lián)型差分功率處理電路

如圖4所示(PV表示一個(gè)光伏組件，后文同)，級(jí)聯(lián)型差分功率處理電路單元分布于相鄰的光伏組件間，對(duì)相鄰兩組件的功率進(jìn)行交換調(diào)節(jié)，解開(kāi)了組件輸出電流一致的約束，使得所有組件可以工作在各自的最大功率點(diǎn)。

這種單元結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，雙向Buck/Boost，反激，Cuk等變換器均能實(shí)現(xiàn)[18]。這些單元使得相鄰組件相互補(bǔ)充調(diào)節(jié)功率，且具有對(duì)稱(chēng)與功率流雙向的結(jié)構(gòu)，利于實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。且實(shí)際中，每個(gè)光伏組件的最大功率點(diǎn)相差多一般不會(huì)很大，因而參與交換調(diào)節(jié)的功率不大，使得第一級(jí)變換輸出效率很高。

該變換器最早來(lái)自于電池組的均壓電路，澳大利亞昆士蘭大學(xué)的學(xué)者提出了該結(jié)構(gòu)在光伏中的應(yīng)用[18]。美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校的學(xué)者將其總結(jié)為DPP方法[7]。以色列本-古里安大學(xué)的研究人員做了改進(jìn)，提出了諧振開(kāi)關(guān)電容變換器[19]，及其回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)[9]，這種LC諧振的軟開(kāi)關(guān)變換器進(jìn)一步減小了應(yīng)力，提升了效率。

2.1.2 并聯(lián)型差分功率處理電路

如圖5所示，與級(jí)聯(lián)型的相鄰調(diào)節(jié)不同，并聯(lián)型差分功率電路采用的方式為“先集中”后分配，即輸出電流大于第一級(jí)輸出電流的光伏組件，其多出部分的電流能量被處理電路匯入公共端，而輸出電流小于第一級(jí)輸出的組件，則通過(guò)饋能電流補(bǔ)償器(returned energy current converter, RECC)從公共端獲取所需能量，用以維持自身電壓，從而保證所有組件工作在各自的最大功率點(diǎn)。這種補(bǔ)償較為直接，避免了級(jí)聯(lián)型DPP中組件功率兩級(jí)分布時(shí)需要多級(jí)變換的問(wèn)題，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

這種變換器最早由美國(guó)科羅拉多大學(xué)的學(xué)者提出[10]，并且其文章對(duì)公共端接輸出母線與否分別進(jìn)行了討論。

另外，這種變換器單元公共端并聯(lián)，組件端串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，在統(tǒng)一調(diào)制下具有自動(dòng)均壓特性。且各光伏組件最大功率點(diǎn)電壓差異不大，因而統(tǒng)一調(diào)制便能獲得很好補(bǔ)償效果[20-21]，若需要精確補(bǔ)償，則變換器單元都需要獨(dú)立采樣與控制[22]，系統(tǒng)復(fù)雜度和成本都大大增加。

2.2 輸出串聯(lián)

針對(duì)光伏組件串聯(lián)問(wèn)題的另一種思路是，每個(gè)組件的輸出經(jīng)過(guò)變換器之后再串聯(lián)[18]，如圖 6。這種方式直接解開(kāi)了串聯(lián)組件的電流一致約束。但串聯(lián)變換器輸出電流一致成為了新的約束，這就導(dǎo)致其輸出電壓正比于功率，功率差異大的變換器之間輸出電壓差異大且常發(fā)生改變，對(duì)變換器的設(shè)計(jì)與控制提出相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)。

2.2.1 簡(jiǎn)單非隔離型

主要目的是為串聯(lián)光伏組件解耦，因而簡(jiǎn)單的非隔離變換器就能實(shí)現(xiàn)。常用的變換器有升壓型，降壓型，升降壓型變換器，分別以Boost、 Buck、Buck/Boost為代表。不同類(lèi)型的變換器在串聯(lián)時(shí)的約束不同[23]。Boost遮光組件多可導(dǎo)致大幅電壓上升，故存在變換器串聯(lián)數(shù)上限； Buck遮光組件多可導(dǎo)致大幅電壓下降，故存在變換器串聯(lián)數(shù)下限；如圖7，Buck/boost電路輸出電壓相比輸入可以升降，因而電流等級(jí)可任意設(shè)置，串聯(lián)數(shù)上下限不受上述因素決定。故最利于控制的是類(lèi)似Buck/boost的同時(shí)具備升降壓能力的變換器。

耦合電感boost變換器由于漏感，需要較鉗位電路來(lái)抑制其影響[24]，成本復(fù)雜度均較高，雖然升壓比高，但在此并不重要。其他高升壓的非隔離變換器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，更適合特殊需求場(chǎng)合。

2.2.2 隔離型

隔離型變換器可有效降低光伏的電位，使其與變換器驅(qū)動(dòng)的工作更方便安全，并提供可觀的升壓比。但變壓器的引入增加了成本，體積重量，與損耗。由于單個(gè)光伏組件功率較低，因而常用簡(jiǎn)單的隔離型變換器，如圖 8所示的反激變換器[25]。

2.2.3 原副邊疊加型

如圖9隔離型電路可以應(yīng)用變壓器原副邊母線疊加的結(jié)構(gòu)。由于母線的疊加，以及一部分傳輸?shù)墓β什恍鑵⑴c變換，該結(jié)構(gòu)可獲得更高的升壓比與效率；但失去了電氣隔離，且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，多耦合。文獻(xiàn)[23]對(duì)此類(lèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了歸納總結(jié)。

2.3 輸出并聯(lián)

面對(duì)光伏組件串聯(lián)的問(wèn)題，最直接的辦法便是放棄串聯(lián)，而采用組件變換器并聯(lián)[26]。如圖10，各光伏組件分別接入一直流變換器單元，各單元的輸出并聯(lián)。這使得約束僅為相同輸出電壓。這保證了每個(gè)組件都能獨(dú)立輕松地實(shí)現(xiàn)MPPT。但對(duì)第二級(jí)而言，這種低輸入電壓，大輸入電流的能量匯集方式增大了升壓變換的難度。

輸出串聯(lián)結(jié)構(gòu)中的變換器均可用于輸出并聯(lián)型結(jié)構(gòu)中，但優(yōu)勢(shì)類(lèi)型不同。并聯(lián)型沒(méi)有串聯(lián)限制，只需要具備升壓能力即可。

2.3.1 簡(jiǎn)單非隔離型

常用的有升壓型、降壓型、升降壓型變換器，分別以Boost、 Buck、 Buck/Boost為代表。但由于只需要升壓即可，因而boost變換器更具優(yōu)勢(shì)。此外簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)很適合與后級(jí)變換進(jìn)行器件復(fù)用[27]，減少等效變換級(jí)數(shù)，節(jié)約成本且提高效率。

2.3.2 隔離型

同理，隔離型變換器中，只具備升壓能力的更適合于并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

2.3.3 原副邊疊加型

原副邊疊加型變換器只具有升壓能力，且升壓比較高，效率較高，符合并聯(lián)型的需求，盡管結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。當(dāng)需要盡可能減小第二級(jí)變換的升壓比要求時(shí)，可采用該類(lèi)變換器。

2.4 小結(jié)

對(duì)于第一級(jí)變換的三類(lèi)結(jié)構(gòu)對(duì)比歸納于表1。

表1 第一級(jí)變換方案對(duì)比Table 1 Solution comparison for the first-stage conversion

3 第二級(jí)變換結(jié)構(gòu)

第二級(jí)變換實(shí)現(xiàn)大電流低電壓，到低電流高電壓的變換。受制于元件功率電壓等級(jí)較低，采用低元件應(yīng)力的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是必然選擇。主要途徑為模塊化DC-DC變換器的串并聯(lián)，以及多電平DC-DC變換器。

3.1 多電平直流變換器

多電平變換器具有突出的優(yōu)勢(shì)：低應(yīng)力，低開(kāi)關(guān)頻率，低諧波等。因而該類(lèi)變換器被廣泛應(yīng)用于高壓大功率的DC-AC，和AC-AC變換場(chǎng)合。近年來(lái)在大功率DC-DC變換中也收到青睞。但本文主要針對(duì)光伏中壓直流接入的需求來(lái)對(duì)其進(jìn)行分析。

3.1.1 非隔離型

非隔離多電平變換器包括級(jí)聯(lián)式、開(kāi)關(guān)電容式、飛跨電容式。文獻(xiàn)[28]中的單元級(jí)聯(lián)式多電平變換器，通過(guò)直接的多級(jí)變換的疊加實(shí)現(xiàn)高升壓。文獻(xiàn)[29-32]提出了各類(lèi)開(kāi)關(guān)電容變換器，通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)電容遞進(jìn)充電的方式實(shí)現(xiàn)升壓。文獻(xiàn)[33]的基于飛跨電容多電平的變換器，如圖11，同樣利用對(duì)飛跨電容遞進(jìn)充電的方式實(shí)現(xiàn)升壓。

這些變換器不需要變壓器，且所需電感較小。但突出的問(wèn)題是直接或間接的多級(jí)變換，這造成了較大的功率損耗。

3.1.2 隔離型

隔離型變換器直接來(lái)源于多電平DC-AC變換器，由逆變單元、變壓器相連、整流單元，以全橋隔離直流變換器的方式組成。因而常用的多電平DC-AC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大都能用于此類(lèi)變換器，例如二極管鉗位式多電平直流變換器[34]，飛跨電容多電平直流變換器，如圖 12的模塊化多電平直流變換器[35]。

從拓?fù)涠?，該?lèi)變換器能實(shí)現(xiàn)高壓大功率直流變換。但在第二級(jí)升壓中，高變比大功率的特點(diǎn)使得單個(gè)變壓器難以滿足需求。且高壓側(cè)為整流側(cè)，可以用二極管實(shí)現(xiàn)整流，但多電平必須使用主動(dòng)器件，且不易于實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，這使得系統(tǒng)復(fù)雜度與絕緣等成本上升，效率降低。

3.2 輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)

串并聯(lián)的模塊化隔離型直流變換器單元，也可用于該大功率高升壓的變換。固有的連接有多種[36]，其中適合本應(yīng)用的是“輸入并聯(lián)與輸出串聯(lián)”即IPOS，如圖13。

這樣即可實(shí)現(xiàn)低壓側(cè)大電流、高壓側(cè)小電流，也使得小功率電壓等級(jí)的變壓器和開(kāi)關(guān)器件即可滿足各單元需要。尤其避免了多級(jí)變換造成的效率損失，且變換器單元適于采用軟開(kāi)關(guān)變換器，其控制也較多電平簡(jiǎn)易。甚至可以利用這種連接方式自動(dòng)均壓的特點(diǎn)[37]，采用統(tǒng)一脈寬或移相調(diào)制，使得控制采樣系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化。

3.3 小結(jié)

第二級(jí)變換的兩類(lèi)結(jié)構(gòu)對(duì)比歸納于表2。

表2 第二級(jí)變換方案對(duì)比Table 2 Comparison between schemes of second stage

4 結(jié)論

根據(jù)本文的分析可以了解到：在未來(lái)智能電網(wǎng)的發(fā)展中，以光伏為代表的大容量新能源接入中壓直流配電網(wǎng)，是重要的能源接入技術(shù)發(fā)展路徑。

同時(shí)，經(jīng)過(guò)對(duì)已有的新能源接入直流電網(wǎng)的電路拓?fù)涞纳钊氡容^與分析，得到如下結(jié)論：

(1) 面向中壓直流配電網(wǎng)的光伏接入系統(tǒng)第一級(jí)可采用差分功率處理電路，實(shí)現(xiàn)組串/組件級(jí)MPPT，并串聯(lián)實(shí)現(xiàn)較高的輸入電壓。

(2) 面向中壓直流配電網(wǎng)的光伏接入系統(tǒng)第二級(jí)可以采用IPOS結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)高效的高升壓比變換。

[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, 鄭歡. 直流配電網(wǎng)研究現(xiàn)狀與展望[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)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] 錢(qián)霞, 袁建華, 高厚磊, 等. 直流微電網(wǎng)光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)追蹤方法[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備. 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] 張犁, 孫凱, 吳田進(jìn), 等. 基于光伏發(fā)電的直流微電網(wǎng)能量變換與管理[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào). 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, 王盼寶, 張繼元, 等. 獨(dú)立直流微網(wǎng)能量管理控制策略[J]. 電源學(xué)報(bào), 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] 吳衛(wèi)民, 何遠(yuǎn)彬, 耿攀, 等. 直流微網(wǎng)研究中的關(guān)鍵技術(shù)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 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] ?ZTüRK S, ?ADIRCI 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] 張?jiān)? 多電平直流變換器及其控制策略的研究[D]. 南京： 南京航空航天大學(xué), 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.

(編輯 蔣毅恒)

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

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2016YFB0900205)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51577102)；清華大學(xué)自主科研計(jì)劃(20161080044)

TM315

： A

： 2096-2185(2016)03-0001-09

2016-09-12

史海旭(1992—)，男，博士生，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電接口變換器系統(tǒng)，shihx14@mails.tsinghua.edu.cn；

孫 凱(1977—)，男，通信作者，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電和微電網(wǎng)系統(tǒng)中的電力電子技術(shù)，sun-kai@mail.tsinghua.edu.cn；

肖 曦(1973—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)，xiao_xi@mail.tsinghua.edu.cn；

吳紅飛(1985—)，男，副教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c新能源發(fā)電，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)