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具有固有输出电压平衡的电流馈电多有源桥变换器用于分布式光伏中压直流集成
Current-Fed Multiactive Bridge Converter With Inherently Output Voltage Balance for Distributed Photovoltaics MVDC Integration
| 作者 | Xiaoquan Zhu · Lang Liu · Ke Jin · Bo Zhang |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2024年8月 |
| 技术分类 | 光伏发电技术 |
| 技术标签 | DC-DC变换器 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 分布式光伏 中压直流集成 多绕组变压器 电流馈电多有源桥 输出电压平衡 |
语言:
中文摘要
输入无关型输出串联（IIOS）模块化多端口直流/直流变换器具有单级功率变换和高效率的特点，是分布式光伏（PV）中压直流（MVDC）并网的一种有前景的方法。光伏输入功率的变化会导致输出电压不平衡。为避免输出电压不均导致的功率削减和设备损坏，本文提出了一种基于多绕组变压器（MWT）且具有固有输出电压平衡特性的电流馈电型多有源桥（CF - MAB）。该拓扑结构在光伏侧采用电流馈电全桥（CF - FB），在中压直流电网侧采用半桥（HB），并通过一个多绕组变压器连接电流馈电全桥和半桥。通过用外部电感替代多绕组变压器的漏感，并使连接到电网侧绕组的外部电感近似为零，实现了各端口之间功率流的解耦，从而实现了固有输出电压平衡。此外，所提出的拓扑结构输入电流纹波小，且所有开关均能实现零电压开关（ZVS），有利于提高系统效率。最后，通过仿真和实验验证了该拓扑的可行性。
English Abstract
The input-independent output-series (IIOS) modular multiport dc/dc converter, which has one power conversion stage and high efficiency, is a promising method for distributed photovoltaics (PVs) medium-voltage dc (MVDC) integration. The variable PV input power will lead to the output voltage unbalance. To avoid the power curtailment and device damage caused by the uneven output voltage, a multiwinding transformer (MWT) based current-fed multiactive bridge (CF-MAB) with inherently output voltage balance is proposed. The topology consists of current-fed full bridge (CF-FB) on PV side, half bridge (HB) on MVDC grid side, and an MWT which is used to connect the CF-FB and HB. By using external inductors to replace the leakage inductors of MWT and making the external inductance of the windings which connected to the grid side approximately zero, the power flow between the ports is decoupled. Thus, the inherently output voltage balance can be achieved. In addition, the proposed topology has small input current ripple, and all switches can achieve zero-voltage switching (ZVS), which is conducive to the improvement of system efficiency. Finally, the feasibility of the topology is verified by both simulation and experiments.
S
SunView 深度解读
从阳光电源分布式光伏中压直流并网业务角度分析，该论文提出的电流馈电多有源桥变换器（CF-MAB）技术具有重要的战略价值。该技术针对分布式光伏中压直流集成场景，通过单级功率变换实现高效率，这与阳光电源追求系统级效率优化的产品理念高度契合。
技术的核心创新在于利用多绕组变压器结构实现固有的输出电压平衡特性，有效解决了分布式光伏输入功率波动导致的模块间输出电压不均问题。这对阳光电源的1500V及以上高压光伏系统具有直接应用价值，可显著降低因电压失衡导致的功率限制和设备应力，提升系统可靠性和发电量。该方案采用外部电感替代变压器漏感的设计思路，实现端口间功率流解耦，为模块化扩展提供了灵活性，符合阳光电源模块化逆变器产品线的技术路线。
从技术成熟度评估，论文已完成仿真和实验验证，但距离商业化应用仍需突破多绕组变压器的工程化设计、热管理优化以及多模块协同控制等挑战。特别是在大功率应用场景下，外部电感的体积、损耗和成本控制是关键问题。然而，该技术实现的全开关零电压开关（ZVS）和小输入电流纹波特性，对提升阳光电源中压直流产品的功率密度和电磁兼容性能具有明显优势。
建议阳光电源将此技术纳入中压直流变换器的预研项目，重点关注多绕组变压器的定制化设计和系统级成本优化，结合公司在磁性元件和数字控制方面的技术积累，有望在分布式光伏中压并网、储能系统直流侧集成等新兴市场形成差异化竞争优势。