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一种用于光伏系统接入中压直流电网的新型容错拓扑结构
A Novel Fault-Tolerant Topology for MVDC Grids Interface of Photovoltaic Generation Systems
| 作者 | Yizhan Zhuang · Yiming Zhang · Xiaoying Chen · Hongxi Zhu · Yanhui Huang · Fei Liu |
| 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 | 直流-直流变换器 光伏能源 容错结构 短路故障 实验验证 |
语言:
中文摘要
独立输入、输出串联型直流 - 直流变换器能够在不借助低压直流(LVDC)母线的情况下,将光伏(PV)能源汇集到中压直流(MVDC)电网中,从而降低一次功率损耗和硬件成本。然而,在这种串联结构中,部分低压端口发生短路故障会导致整个系统失效,而中压端口发生短路故障则容易损坏设备。本文提出一种新的容错结构,可有效解决上述问题。在低压故障期间,连接在相邻子模块(SM)之间的 LC 支路能够传输能量并维持故障模块的电容电压,以确保系统持续稳定运行。当中压故障发生时,容错结构被闭锁,子模块电容反向接入故障电路,从而迅速降低故障电流。通过实验验证了所提结构及其工作原理的有效性。
English Abstract
Input-independent and output-series dc-dc converters are able to collect photovoltaic (PV) energy into a medium voltage dc (MVDC) grid without the aid of a low voltage dc (LVDC) bus, thus reducing primary power losses and hardware costs. However, in this series structure, a short-circuit fault at some of the LV ports can cause the whole system to fail, and a short-circuit fault at the MV port can easily damage the equipment. In this article, we propose a new fault-tolerant structure that can effectively solve the above problems. During an LV fault, the LC branch connected between adjacent submodules (SMs) can transfer energy and support the capacitive voltage of the faulty module to ensure that the system continues to operate stably. In the case of an MV fault, the fault-tolerant structure is blocked and the SM capacitors is reversed into the fault circuit, thus reducing the fault current quickly. The proposed structure and operating principle are verified through experiments.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项针对中压直流(MVDC)光伏并网系统的容错拓扑技术具有重要的战略价值。该技术通过输入独立、输出串联的DC-DC变换器直接将光伏能量汇集到MVDC电网,省去了传统低压直流母线环节,这与我们在大型光伏电站和工商业储能系统中追求的高效率、低成本目标高度契合。
该技术的核心创新在于其双重容错能力。在低压侧故障时,子模块间的LC支路可实现能量转移,维持故障模块电容电压,确保系统不间断运行;在中压侧故障时,通过反向接入子模块电容快速抑制故障电流。这种设计对我们的1500V及以上高压光伏系统、大型储能变流器产品线具有直接借鉴意义,可显著提升系统可靠性和容错能力,减少因单点故障导致的发电损失。
从技术成熟度评估,该方案已通过实验验证基本原理,但距离产品化仍需解决几个关键问题:LC支路的参数优化设计、多模块协调控制策略、以及在复杂工况下的长期可靠性验证。对阳光电源而言,这既是挑战也是机遇——我们在模块化多电平技术、先进控制算法方面的积累可加速该技术的工程化落地。
特别值得关注的是,随着"光储氢"一体化和直流微电网的快速发展,MVDC技术将成为降低系统成本、提升效率的重要路径。建议将此容错技术纳入我们下一代高压直流产品的研发路线图,并在大型地面电站、海上风光项目中探索应用场景,抢占技术制高点。