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一种用于光伏能源与电池储能集成于中压直流网络的隔离型模块化多端口变换器
An Isolated Modular Multiport Converter for the Integration of Photovoltaic Energy Sources and Battery Storage in MVDC Networks
| 作者 | Sandeep Kaler · Amirnaser Yazdani |
| 期刊 | IEEE Transactions on Energy Conversion |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 太阳能光伏 储能装置 转换器拓扑 最大功率点跟踪 仿真验证 |
语言:
中文摘要
太阳能光伏(PV)能源具有间歇性,这使得在电网中必须使用电池等储能装置。通常,每种能源都通过单独的功率转换级接入电网。也就是说,光伏阵列群和电池群分别通过独立的功率转换级连接到电网。因此,本文提出了一种基于双有源桥(DAB)和模块化多电平变换器(MMC)拓扑的新型变换器拓扑,该拓扑能够通过单级将光伏阵列和电池同时接入中压直流(MVdc)网络。此外,该变换器采用一种改进的调制方案,在直流链路电压比不为 1 的情况下,可降低其变压器的电流应力。研究还表明,该变换器能够在较宽的直流电压范围内通过最大功率点跟踪(MPPT)从光伏阵列中获取能量。所有开发的数学模型均通过在 Matlab & Simulink 软件环境中进行的仿真研究得到验证。仿真结果进一步通过一个 600 瓦的实验样机得到验证。
English Abstract
The intermittent nature of solar photovoltaic (PV) energy sources necessitates the use of energy storage devices, such as batteries, in electrical networks. Typically, each energy resource is integrated into the network through a separate power conversion stage. That is, clusters of PV arrays and batteries are each connected to the grid via separate power conversion stages. This paper, therefore, proposes a novel converter topology based on the dual active bridge (DAB) and modular multilevel converter (MMC) topologies that is capable of integrating both PV arrays and batteries into a medium-voltage dc (MVdc) network through a single stage. Moreover, the converter operates with a modified modulation scheme that reduces the current stress on its transformer in the presence of non-unity dc link voltage ratios. It is also shown that the converter can harvest energy from the PV arrays with maximum-power-point tracking (MPPT) over a wide range of dc voltages. All of the developed mathematical models are verified through simulation studies carried out in the Matlab & Simulink software environment. The results of the simulation are further verified by a 600-W experimental prototype.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于双有源桥(DAB)和模块化多电平换流器(MMC)的隔离型多端口变流器技术具有显著的战略价值。该技术突破了传统光伏和储能系统分别接入电网的架构限制,通过单级变换实现光储一体化集成接入中压直流网络,这与我司在光储融合系统和中压解决方案的发展方向高度契合。
技术核心优势体现在三个层面:首先,多端口集成架构可大幅简化系统拓扑,减少功率变换级数,理论上能提升5-8%的系统效率,这对大型光伏储能电站的经济性改善意义重大。其次,改进的调制策略有效降低了非对称电压比工况下的变压器电流应力,这对提升设备可靠性和延长使用寿命具有实际价值。第三,宽电压范围的MPPT能力增强了系统对不同光照条件的适应性,可优化我司在复杂应用场景下的发电表现。
从应用前景评估,该技术目前处于实验室验证阶段(600W原型),距离我司兆瓦级产品的工程化应用尚有距离。主要技术挑战包括:MMC拓扑的子模块均压控制复杂度、高压大功率下的磁性元件设计、以及多端口能量协调管理策略的鲁棒性验证。但该技术为我司中压直流储能系统、工商业光储一体机以及新型电力系统解决方案提供了新思路,建议跟踪研究DAB-MMC混合拓扑的工程化可行性,评估其在1500V光伏系统和集装箱式储能产品中的应用潜力,这可能成为我司在技术差异化竞争中的突破点。