摘要：可再生能源发电技术中“直流汇集、直流并网”形式近年来得到工业界与学术界的广泛关注，光伏直流并网技术被普遍认为是传统光伏交流并网技术的可替代方案。在大范围出力的光伏电能汇集与消纳应用场景下，考虑到空间分布不均且功率波动大的特点，“直流汇集、直流并网”型光伏电站基
可再生能源发电技术中“直流汇集、直流并网”形式近年来得到工业界与学术界的广泛关注，光伏直流并网技术被普遍认为是传统光伏交流并网技术的可替代方案。在大范围出力的光伏电能汇集与消纳应用场景下，考虑到空间分布不均且功率波动大的特点，“直流汇集、直流并网”型光伏电站基于电力电子变压器从光伏阵列经过直流升压汇集后直接并入外部中压直流系统具有一定优势。
在直流并网系统中，为实现高效率变换，通常将单个变换器作为子模块进行组合连接构成模块化架构，并根据具体需求确定使用的架构类型，常见的有输入并联输出串联型、输入串联输出串联型和输入并联输出并联型架构。
但以上变换器组合架构无法独立实现子模块的最大功率点跟踪（MPPT）控制，造成了光照资源的浪费。输入独立输出串联（IIOS）型架构可在保持变换器整体单级功率变换条件下同时实现多输入端口独立最大功率点跟踪控制与串联高增益输出，更适用于大范围光照资源汇集。多端口型串联式光伏直流汇集系统架构如图1所示，该变换器拓扑简洁清晰，是实现高升压比、高经济性、高效率和多输入端口直流变换的理想方案。
图1 多端口型串联式光伏直流汇集系统架构
由于IIOS变换器各子模块输出侧串联连接，在输出电流相同情况下，若输入功率出现差异则会导致各子模块输出电压不均衡，可能致使某些子模块超出增益范围而退出最大功率点跟踪运行。若输入功率差异过大还会导致部分器件因过电压损坏。因而，如何在维持低损耗、高经济性的同时保证变换器的安全稳定运行是该类变换器需要解决的技术难点。
为实现IIOS变换器中各子模块输出均压，现有解决方案对于目前研究的功率均衡拓扑，往往存在控制策略复杂、均压器件多、调节时间长、效率低等问题，故需要对现有IIOS架构中各子模块输出侧均压方法进行改进优化。
南京航空航天大学的朱小全、侯鹏辉等学者，基于半有源桥（SAB）结构，提出了一种带有LC串联谐振功率均衡单元的IIOS光伏直流升压变换器，适用于光伏直流汇集并网系统，可用于解决光伏阵列输入条件不一致引起的子模块输出功率失衡问题。
图2 所提出的IIOS变换器拓扑
该拓扑结构以半有源桥变换器为子模块，其具有双有源桥（DAB）变换器的优点，如易实现软开关、高功率密度、高效率、具有电气隔离等特性，相比于双有源桥，半有源桥开关器件更少、软开关范围更大，更适用于光伏发电这类能量单向流动的场合，相比于现有的环形功率均衡方法在功率失配严重时效率有一定提升。
图3 软起动控制策略流程
为解决所提变换器各子模块输出端口电压不均衡问题，仅需在各子模块二次侧桥臂增加一条低值LC功率自均衡单元支路。该自均衡功能不需额外的控制变量，依靠子模块二次侧所有上下开关管互补导通即可实现。针对起动时可能产生的系统过电流及谐振电容过电压问题，提出了软起动控制策略，保证了系统的可靠性。
图4 搭建的仿真模型
图5 小功率实验样机
此外，所提变换器能够同时实现对光伏阵列的MPPT控制和输出端口均压控制，控制方法简单，且原二次侧所有开关管均能零电压开通，效率较高，适用于光伏阵列并入中压直流电网的应用场合。
实验结果表明，所提变换器原二次侧所有开关管均能实现零电压开通，降低了开关管导通损耗，且其电压自均衡效果较好，在开路故障下的均压误差约为5 %，具有一定的故障运行能力。
本工作成果发表在2024年第4期《电工技术学报》，论文标题为“带有LC串联谐振功率自均衡单元的模块化光伏直流升压变换器”。本课题得到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和南京航空航天大学研究生创新实验竞赛培育基金的支持。
来源：电气新科技
