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多绕组耦合电感与LC串联谐振电压均衡器在分布式光伏能源中压直流并网中的应用
Multiwinding Coupled-Inductor and LC Series Resonant Voltage Balancer for MVDC Integration of Distributed Photovoltaic Energy
| 作者 | Xiaoquan Zhu · Lang Liu · Ke Jin · Bo Zhang |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2024年7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 中压直流系统 电压平衡器 零电压开通 光伏直流汇集系统 |
语言:
中文摘要
由于采用输入独立输出串联（IIOS）多端口直流 - 直流变换器将分布式光伏（PV）集成到中压直流（MVDC）系统中具有卓越的升压能力，该集成方式受到了更多关注。然而，由输入光伏功率不匹配导致的输出电压不平衡问题已成为一个关键问题。因此，本文提出了一种基于多绕组耦合电感（MWCI）和 LC 支路的电压平衡器（VB）来解决这一问题。半双有源半桥（DAHB）作为子模块（SM）用于连接光伏面板和中压直流母线；通过将所有子模块两两分组，组内和组间的电压平衡分别由 LC 串联谐振电压平衡器（LCSRVB）和多绕组耦合电感实现。此外，所有开关器件均能实现零电压开通（ZVS - on）。因此，该拓扑结构具有高效率和低成本的特点，适用于光伏中压直流汇集系统。本文详细讨论了电路工作原理、功率传输机制、参数设计和性能比较。最后，展示了包含六个子模块的仿真和缩比实验结果，以验证所提出系统的实用性。
English Abstract
The integration of distributed photovoltaics (PVs) into medium-voltage dc (MVDC) system using input-independent output series (IIOS) multiport dc–dc converter has gained more attention due to its superior voltage boosting capability. However, the output voltage unbalance caused by the mismatched input PV power has emerged as a critical issue. Thus, voltage balancer (VB) based on multiwinding coupled-inductor (MWCI) and LC branch is proposed in this article to solve this problem. Semi-dual-active half-bridges (DAHBs) serve as submodules (SMs) for linking PV panels with MVDC bus; by pairwise grouping all SMs, voltage balancing within and between groups is achieved by LC series resonant VB (LCSRVB) and MWCI, respectively. Besides, all switching devices achieve zero-voltage switching-on (ZVS-on). Thus, the topology is characterized by its high efficiency and low cost, making it suitable for using in PV power MVDC collection system. The circuit operation principle, power transfer mechanism, parameter design, and performance comparison are discussed in detail. Finally, both the simulations and down-scale experimental results with six SMs are showcased to confirm the practicality of the proposed system.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项基于多绕组耦合电感和LC串联谐振的中压直流光伏并网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系统中的核心痛点——输出电压不平衡问题，提出了创新性解决方案，这与我司在大型光伏电站和工商业分布式光伏领域的技术需求高度契合。
该技术的核心优势在于通过半双有源半桥子模块实现输入独立输出串联架构，配合LC串联谐振电压平衡器和多绕组耦合电感，既解决了分布式光伏因功率不匹配导致的电压失衡问题，又实现了全开关器件的零电压开通，显著提升了系统效率并降低了成本。这对我司正在推进的1500V及以上高电压等级光伏系统、中压直流储能系统具有直接的技术借鉴意义，特别是在大型地面电站和海上光伏等需要长距离传输、高电压等级的应用场景。
从技术成熟度评估，该方案已完成六模块降额实验验证，但距离商业化应用仍需突破多个关键环节：多绕组耦合电感的工程化设计与制造工艺、谐振参数在宽工况下的鲁棒性、以及扩展至更多子模块时的控制复杂度。对阳光电源而言，这既是技术挑战也是市场机遇——我司在磁性元件设计、数字控制算法、模块化拓扑方面积累深厚，可将此技术融入下一代中压直流产品线，抢占分布式光伏中压直流并网这一新兴市场。建议启动预研项目，重点攻关高功率密度磁集成技术和多模块协同控制策略，为未来3-5年的产品升级储备核心技术。