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光伏发电技术 ★ 5.0

用于大功率大规模光伏应用的隔离型MVdc-HVdc-AC三端口电力路由器

Isolated MVdc-HVdc-AC Three-Port Power Router for High-Power Large-Scale PV Applications

作者 Zhixian Liao · Binbin Li · Yijia Yuan · Yingzong Jiao · Xiaodong Zhao · Yilun Zhang
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年9月
技术分类 光伏发电技术
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 三端口功率路由器 模块化多电平变换器 晶闸管阀 转换损耗 参数设计
语言:

中文摘要

本文提出了一种适用于大规模光伏应用中压(MV)直流汇集并可实现部分交流电源整合的隔离型三端口功率路由器(TP - PR)。通过集成变压器将模块化多电平变换器(MMC)与晶闸管阀相结合,不仅降低了中压直流侧安装的半导体容量,还消除了对中压侧子模块(SM)电容的需求。特别地,MMC利用高频电流进行中压直流功率传输,有效降低了对子模块电容的要求。此外,晶闸管的低导通压降以及零电压开关和零电流开关技术,确保了TP - PR具有较低的转换损耗。与传统的隔离型三端口拓扑相比,TP - PR可使半导体成本降低22%,子模块电容储能降低49%,转换损耗降低50%。本文详细介绍了其工作原理、关键参数设计和多端口控制策略。仿真和实验结果均证实了该方案的有效性和理论分析的正确性。

English Abstract

This article proposes an isolated three-port power router (TP-PR) for medium-voltage (MV) dc collection of large-scale photovoltaic applications with a portion of ac power integration. By combining the modular multilevel converter (MMC) with thyristor valves through integrated transformers, not only the MVdc-side installed semiconductor capacity is reduced but also the requirement for MV-side submodule (SM) capacitor is eliminated. Particularly, the MMC utilizes high-frequency current for MV dc power transfer, effectively minimizing the requirement for SM capacitance. Moreover, the low on-state voltage drop of thyristors, along with zero-voltage switching and zero-current switching techniques, ensures low conversion loss for TP-PR. Compared with the traditional isolated three-port topology, TP-PR can reduce semiconductor cost by 22%, SM capacitance energy storage by 49%, and conversion loss by 50%. The operation principle, key parameters design, and multiport control strategy are introduced in detail. The effectiveness and the theoretical analysis have been confirmed by both simulation and experimental results.
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SunView 深度解读

从阳光电源大型地面光伏电站和集中式逆变器业务角度看,这项隔离型三端口功率路由器技术具有重要的战略价值。该技术针对中压直流汇集的大规模光伏应用场景,与阳光电源正在布局的1500V+系统乃至更高电压等级的技术路线高度契合。

技术优势方面,通过将模块化多电平换流器(MMC)与晶闸管阀结合,该方案在半导体成本、子模块电容储能需求和转换损耗三个维度分别实现22%、49%和50%的优化,这对降低大型光伏电站的度电成本具有直接意义。特别是利用高频电流传输中压直流功率,有效降低了子模块电容需求,这与阳光电源在功率密度提升和成本控制方面的技术追求一致。晶闸管的低导通压降配合零电压/零电流开关技术,可显著提升系统效率,这对阳光电源在高效率逆变器领域的技术领先地位形成有力支撑。

应用前景方面,该技术适用于百兆瓦级以上的大型光伏电站,尤其是需要同时接入交直流系统的复杂场景,如光储一体化项目或多能互补基地。这与阳光电源在"光伏+储能"系统集成方面的业务拓展方向完全吻合。

技术挑战在于MMC与晶闸管阀的协调控制复杂度较高,多端口控制策略的工程化实现需要深厚的电力电子技术积累。此外,集成变压器的设计优化和中压直流系统的保护配置也是工程应用的关键。建议阳光电源关注该技术在超大型光伏基地的示范应用,结合自身在1+X模块化逆变器架构的经验,探索技术融合创新路径。