1500V三电平正激变换器
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李龙春 嵇保健 洪峰 杨广浩
DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.170155
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导语
为适应光伏并网系统中高压直流母线的需求，提出一种1500V三电平正激变换器。各直流模块内部无需滤波器，输出串并联后再集中滤波（仅需很小的滤波器）构建1500V直流母线架构。通过理论分析、仿真和实验验证为构建新型1500V及更高电压等级光伏系统探索新的理论方法和技术途径，这在中高压并网发电、微网、直流电网等方面具有推广应用价值。
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研究背景所
近年来，光伏发电系统功率容量显著增加，使得提升系统电压等级成为现阶段的一个重要发展趋势。直流母线电压从1000V向1500V甚至更高电压等级发展，可降低电站建造成本，减少光伏组件组串、线缆、汇流箱数量；提高供配电系统中工频变压器的效率、功率密度以及功率等级；减少体积重量；使得电能易于传输；减小运输、维护方面工作量。因此，1500V及更高电压等级的光伏系统成为近年来的研究热点。
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论文所解决的问题及意义所解决的问题及意义
针对1500V及更高电压等级光伏系统的发展需求，提出一种1500V三电平正激变换器，构建1500V电压等级直流母线架构，为中高压光伏发电探索一种有益的新方式，如图1所示。
图1 1500V直流电压等级光伏系统架构
基于直流模块单元可控，且采用分布式MPPT控制，该架构可降低开关管应力，解决组件不均衡影响，便于电能传输，提高发电量。集中滤波有助于降低磁件损耗，减小输出电压纹波，节约成本。通过简化系统架构减少变换器的能量转换环节，提高系统效率，具备模块化特征。直流模块以叠加方式整流输出三电平电压，通过灵活组合使滤波电感电流脉动量进一步减少。串并型结构便于系统扩展，通用性强。
1500V电压等级直流母线架构的选择和优化，实现了系统效率的提高和整体结构的简化；兼顾效率、应力、发电量等性能指标的直流模块拓扑，保证所提架构直流功率汇集系统的实现；系统的分布式MPPT控制以及内部的交错技术，保证系统稳定可靠。
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1）中高压直流母线光伏系统架构研究
从简化直流模块拓扑出发，提出1500V直流电压等级系统架构如图2所示，直流功率汇集部分由4个直流模块通过串并联再集中滤波构成，整流输出电压实现三电平输出，减小了滤波器体积重量。
图2 1500V直流电压等级光伏系统控制策略
2）直流模块拓扑研究
直流模块是光伏系统直流功率汇集的基本单元，采用分布式MPPT，通过研究各种不同种类的中高压直流母线架构，选取双管正激拓扑作为子模块，兼顾了效率、结构优化、成本低等要求，并分别从工作原理、特性、效率等方面展开深入的分析、仿真和实验验证。
3）系统控制策略的研究
为了实现了输出电压纹波最小化，组成系统架构的直流模块可通过不同占空比整流输出电压叠加合成；为了扩大容量，增大功率适应范围，各直流模块先串联后并联，使系统更易扩展；通过与传统两电平正激变换器整流输出电压对比，1500V三电平正激变换器的调制策略需要兼顾模块间电压、电流关系，如图2所示。
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结论
1）与现有1000V直流母线电压等级相比，1500V电压等级直流母线架构是通过串并联后再集中滤波得到，各直流模块内部无需滤波器。该架构适用于直流电网、微电网、中高压并网发电等应用场合。
2）这种架构降低了开关管应力，便于电能传输，解决组件不均衡、热斑闭锁等问题，同时保持了各模块的独立性，降低系统单元失效的影响。
3）集中滤波完成了直流功率汇集优化，可缩减滤波器尺寸，减小输出电压纹波，实现高效率、高发电量、低成本等指标。
4）变压器二次侧整流输出三电平电压，进一步减小了电感电流脉动量，从而减小磁件损耗。同时串并型结构的引用，使系统更易扩展，通用性强。
李龙春，嵇保健，洪峰，杨广浩. 1500V三电平正激变换器[J].电工技术学报，2018，33（9）：2044-2054.
Li Longchun，Ji Baojian，Hong Feng，Yang Guanghao. 1500V three-level forward converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33（9）：2044-2054.
作者简介
李龙春（1991-），男，硕士研究生，研究方向为电力电子功率变换器、多电平技术、新能源并网技术。参与国家自然科学青年基金1项，负责1500V电压等级光伏发电系统直流功率汇集中三电平变换器的研究。
嵇保健（1981-），男，副教授，硕士生导师，研究方向为电力电子功率变换器、多电平技术、新能源并网技术等。先后主持完成多项包括国家自然科学青年基金、江苏省自然科学青年基金、江苏省高校自然科学基金、江苏省产学研前瞻性联合研究等项目。发表论文50余篇，其中SCI/EI期刊论文30余篇，获得授权发明专利10余项，并荣获江苏省高校“青蓝工程”优秀青年骨干教师称号。