海上風電直流匯集DC-DC 變換器拓撲與控制策略分析

劉云波，胡書舉，李豐林，鄧雅

( 中國科學院電工研究所，北京 100190)

0 引言

風電作為一種清潔的可再生能源，能夠緩解傳統化石能源由于大量開采，本世紀末將被開采殆盡的危機，同時不會產生廢物和廢氣污染，符合當下人與自然和諧相處的環(huán)保理念［1-3］。國家能源局制定了“先陸地、后海上、先近海、后遠海”的風電發(fā)展原則，數據顯示，截止2020 年6 月底，我國風電累計裝機2.17 億千瓦，其中陸上風電累計裝機2.1 億千瓦、海上風電累計裝機699 萬千瓦，隨著風電裝機容量的提升，研究海上風電高效匯集十分重要。直流匯集相較于交流匯集能夠精簡海上風電場從發(fā)電到并網的整個過程，避免了多次的整流、逆變、升壓，降低損耗的同時還減少了系統投資，DC/DC變換器作為直流匯集的關鍵設備，具有重量更輕、功率密度更高的特點，已成為了近些年的研究熱點［4-5］。

早期的DC/DC 變換器僅適用在電壓較低、功率較小的場合，電壓增益一般為2-4［6-9］。新興的技術如模塊化多電平變換技術( MMC)［10-11］和多模塊串并聯組合技術能夠滿足海上風電直流匯集過程中高壓、大功率的訴求。其中，MMC 采用功率單元級聯的形式，隨著電平數的增加，其脈沖調制和系統的控制都將變得更加復雜，增加了使用難度。多模塊串并聯技術由于采用標準化的電能變換模塊組成特定的電能變換系統，可以壓縮研發(fā)周期時長，減少開發(fā)所需成本，同時方便系統擴容和實現模塊冗余，提高系統可靠性。

文章在闡述了海上風電直流匯集變換器所需技術的基礎上，總結了模塊組合型DC/DC 變換器常用的子模塊和控制策略，最后展望其發(fā)展方向，為進一步推動多模塊串并聯技術在DC/DC 變換器中的應用提供了一定的參考。

1 DC/DC 變換器技術需求及模塊組合式變換器特點

1.1 DC/DC 變換器技術需求

海上風電匯集根據DC/DC 變換器的安裝位置可分為集中升壓系統、機端升壓系統、兩級升壓系統，如圖1所示［12］。集中升壓系統是風電場內所有風機經整流后匯聚到低壓母線，然后再統一經DC/DC 變換器升至高壓;機端升壓系統是單臺風機整流后再各自經DC/DC變換器升至高壓;兩級升壓系統則是單臺風機整流后各自經DC/DC 變換器升至中壓匯集，再統一經DC/DC變換器升至高壓。其中，兩級升壓系統是現階段最易實現的方式。針對海上DC/DC 變換器具有如下要求:

圖1 海上風電場并聯型直流組網示意圖Fig.1 Schematic diagram of parallel DC grid for offshore wind farm

(1) 容量要求。

海上風力發(fā)電機單機容量普遍在2 WM 到8 MW之間［13］，目前工程應用中最大的單機容量機組是MHI vestas 推出的V-164-9.5MW 機型，而V-164-10MW 也已推出，預計于2021 年用于商業(yè)安裝。因此，對于不同結構的變換器容量，從機端升壓的幾兆瓦，到集中升壓和兩級升壓的成百上千兆瓦不等。

(2) 故障隔離要求。

應用于海上風電場的DC/DC 變換器應該具有故障隔離能力，保證一側發(fā)生故障時，另一側能夠不受到波及，防止故障進一步擴大，并保證非故障側繼續(xù)正常運行。對于隔離型變換器可通過開關器件實現故障隔離，而對于非隔離型變換器則需對拓撲進行進一步改動。

(3) 寬輸入電壓波動要求。

海上風電具有隨機波動性，隨著風速的變換，輸入電壓也會發(fā)生變化，因此，針對輸入電壓變化范圍大的特點，要求變換器的寬范圍適應性強。

(4) 高增益要求。

針對目前風力發(fā)電機出口電壓最高可達5 kV，而現有的風電工程最大直流電壓為±320 kV，中壓匯集母線電壓一般為35 kV 左右，若采用兩級升壓，每級增益可達8 左右，若采用機端和集中升壓方式，增益高達64，實現難度很大。從增益角度來看，兩級升壓系統增益要求較易實現。

1.2 模塊組合變換器結構和技術特點

模塊組合式DC/DC 變換器包含串聯和并聯兩類形式，選取幾個DC/DC 變換器相互串聯，能夠降低各個子模塊內部開關器件所承受的電壓應力，滿足高電壓的應用環(huán)境;若選取幾個DC/DC 變換器相互并聯，能夠降低各個子模塊內部開關器件所承受的電流應力，滿足大電流的應用環(huán)境，根據變換器模塊輸入側、輸出側連接方式的不同，模塊組合式DC/DC 變換器可歸為以下四類:(1) 輸入串聯輸出并聯( Input-series Output-parallel，ISOP) ; (2) 輸入串聯輸出串聯( Input-series Output-series，ISOS) ;(3) 輸入并聯輸出并聯( Input-parallel Output-parallel，簡稱IPOP) ; (4) 輸入并聯輸出串聯( Inputparallel Output-series，簡稱IPOS)。如圖2 所示，其中，ISOS 和IPOS 更適用于海上風電高壓、高增益的直流并網場合，文中主要對這兩種結構進行研究，技術特點如下:

圖2 模塊組合式DC/DC 變換器Fig.2 Modular combination DC/DC converter

(1) 采用標準的變換器模塊，無需進行特殊的設計，省略了大量的重復性勞作，能夠在很大程度上降低研發(fā)成本，縮短開發(fā)周期;

(2) 系統中每個模塊所承受的功率僅為組合系統總功率的1/n(n是系統中總的變換器模塊的數量) ，降低了單個模塊的設計難度;

(3) 變換器模塊的串并聯組合，使得系統能夠實現冗余，提高了系統的可靠性;

(4) 采用交錯控制，使系統的輸入、輸出電流、電壓紋波降低，可以進一步提高控制器的效率及功率密度;

(5) 變換器可根據不同場合對電壓、電流、功率等的具體要求來進行串并聯組合，適應性更強。

2 模塊組合式DC/DC 變換器關鍵問題研究

2.1 子模塊拓撲結構

子模塊的選擇決定了DC/DC 變換器的效率，海上直流輸電常用的DC/DC 變換器拓撲主要包括半橋型、全橋型、正激式、LLC 諧振式、雙有源橋式( Dualactivebridge，DAB) 等［14-16］。它們都屬于隔離型變換器，不存在直接電氣聯系，可通過IGBT 的閉鎖實現對海上風電場的故障隔離。

雙有源橋式DC/DC 變換器可實現電壓變換、功率雙向流動，能夠在海上風電場啟動時為其提供能量，幫助其啟動［17］。文獻［18］將DAB 變換器應用到ISOS 系統中，和其它幾種DC/DC 變換器對比，ISOS 變換器采用開關器件數量相對較少，更具有經濟性。但最初的DAB變壓器側有無功功率流動，會使得電流峰值的實測值遠超額定值，這將影響變換器的正常工作，降低使用效率。

LLC 諧振變換器的功率密度和效率都相對較高，同時還具有軟開關特性，適合寬電壓范圍的海上風電場輸出場合，但傳統意義上的LLC 諧振變換器只能工作在功率單向輸送狀態(tài)，現在也有一些學者將LLC 諧振變換器用于雙向DC/DC 變換器，如文獻［19］提出一種帶有新型CLLC 諧振槽的無緩沖器雙向DC/DC 變換器，正向工作在LLC 諧振模式，有效的提高了效率和功率密度，但反向工作于LC 諧振狀態(tài)，雙向不對稱，這在一定程度上加大了控制難度。文獻［20］進一步將上述拓撲作為子模塊構成模塊組合式DC/DC 變壓器，應用于工程現場，實現了軟開關，但研制的變換器功率較小，采用的均壓阻值也較小，所以變換器的效率不高。

為保證雙向DC/DC 功率變換器具有高功率密度和高效率的同時還能夠降低設計和控制難度，文獻［21］提出了對稱的雙向CLLC 諧振變換器，推導了變換器的軟開關條件，給出了諧振網絡的設計方法，但該變換器在整流時并未實現零電流關斷，不能保證雙向運行時皆具有軟開關特性，文獻［22］提出了對稱的雙向全橋CLLLC 諧振變換器，采用參數優(yōu)化設計方法設計出一套諧振網絡參數，并在實驗樣機上進行了驗證，實驗證實了該拓撲在實現能量雙向流動的同時，還能夠具備雙向軟開關。

考慮海上風電場的特殊性，選用的DC/DC 變換器，有時并不需要能量的雙向流動，這將有利于系統拓撲的簡化，降低硬件成本。文獻［23］采用雙管正激組合模塊串并聯，電路拓撲結構簡單，可靠性高，同時開關管僅需承受一半的輸入電壓，降低了開關管的電壓應力。文獻［24］提出了一種基于單半橋變換器的ISOS 半橋變換器，拓撲結構簡單，非常適合于輸出電壓低、輸出電流大的應用，所有模塊共用一個共同的電容，可以減少主電路的電容數量，降低成本。文獻［25］提出將全橋直流變壓器和全橋直流變換器組合，前者可近似滿占空比開環(huán)工作，易于實現軟開關，后者則充分利用變壓器的寄生參數來實現軟開關，整個結構開環(huán)與閉環(huán)結合，電路控制策略簡單，省略掉非必須檢測環(huán)節(jié)，壓縮了成本。

文獻［26］為設計一種基于模塊組合型DC/DC 變換器的海上直流風電匯集并網方案，分析對比了LCC諧振變換器、移相全橋變換器以及LLC 諧振變換器三種子模塊，得出前者在元器件數量、設備體積、系統損耗等方面具有一定優(yōu)勢。文獻［27］則指出: 綜合考慮成本及控制技術成熟程度后，移相控制全橋變換器更適用于海上直流風電場。

隨著電壓等級的提升，模塊組合式DC/DC 變換器需要的子模塊個數增多，相應的需要更多的中高頻變壓器，裝置的體積隨之增大。為解決由于采用多雙繞組變壓器導致的裝置體積增大問題，還可以選取多繞組的變壓器，所有的模塊一次側和二次側繞組都使用同一個磁鏈。文獻［28］將多繞組變壓器應用于微電網中，還對功率的流向和控制策略進行了探討，較好的實現了電壓平衡。文獻［29］對比了雙繞組變壓器和多繞組變壓器，得出后者連接各繞組的負載靈活性相對較高，裝置的體積也較小，但制造難度大，控制復雜，在選擇時應綜合考慮體積、重量、制造難度等因素。

2.2 控制策略

DC/DC 變換器子模塊的選擇決定了海上風電直流匯集系統結構的復雜程度和損耗大小，而控制策略則決定了海上風電能否正常的實現匯集。為確保模塊組合式DC/DC 變換器正常運行，必須保證各個模塊間功率均衡，也就是保證各個模塊輸入側與輸出側電壓/電流的平衡。

文獻［30］從能量的角度出發(fā)，詳細分析了IPOS 和ISOS 型變換器的輸入側/輸出側均壓和均流的關系，指出在ISOS 模式中，輸入均壓能夠確保輸出均壓，選取輸入均壓控制方式，變換器能夠穩(wěn)定工作;而對于IPOS型變換器而言，無論選取輸入均流控制方式還是輸出均壓控制方式，變換器都可以穩(wěn)定運行，但采用輸入均流控制方式實現起來相對困難，因此一般選取輸出均壓控制方式。對于上述兩種模塊組合式DC/DC 變換器，常用的均壓控制策略主要有四種: 共用占空比控制、主從控制、雙環(huán)控制、三環(huán)控制。

(1) 共用占空比控制。

共用占空比控制是指所有模塊采用同一個占空比，不使用任何電壓控制回路，省略了輸入電壓或電流采樣環(huán)節(jié)，控制策略簡單［31-33］。但該控制策略適用于模塊參數相同或差別不大的變換器系統，實際海上風電直流匯集系統中，因為器件導通時間及變壓器漏感等存在差別，均壓效果會受到影響，同時電路結構隨著模塊數量的增加而變得非常復雜，因此更適合有兩個模塊的情況。

(2) 主從控制。

在主從控制里，選取一個模塊用作主控制器，其它模塊用作從控制器。該控制方式對存在差異的多模塊系統也能夠實現均壓、均流，具有穩(wěn)態(tài)性能好、暫態(tài)性能快、抗擾動性能強的優(yōu)點。文獻［34］針對LCC 諧振變換器，采用主從控制策略，主模塊采用脈頻調制調壓，從模塊采用脈寬-脈頻調制方法調壓，最后驗證了該策略的可行性。但在實際海上風電直流匯集過程中，主控制器發(fā)生故障，從控制器也會受到影響，可靠性不高。

(3) 三環(huán)控制。

輸出電壓環(huán)，輸入/出均壓環(huán)以及電流環(huán)是三環(huán)控制的組成環(huán)節(jié)，輸出電壓環(huán)主要可以維持輸出電壓的穩(wěn)定，輸入/出均壓環(huán)則用來控制各個子模塊輸入/出電壓的平均分配，同時經由電流內環(huán)提高系統控制方面性能，這也是目前應用最廣泛的均壓控制策略［35］。但三環(huán)控制為各子模塊配置電壓傳感器以及電流傳感器，增加了海上風電平臺的體積，控制相對復雜且成本較高。

(4) 雙環(huán)控制。

在三環(huán)的基礎上去掉電流環(huán)就得到了只含有均壓環(huán)以及輸出電壓環(huán)的雙環(huán)控制，雙環(huán)系統控制簡單，不需要電流傳感器，但輸出電壓環(huán)和均壓環(huán)之間存在著耦合，需要進行解耦。文獻［36］在IPOS 系統中采用雙環(huán)控制策略，同時采用交錯控制，電壓紋波抵消效應和電流紋波抵消效應分別減小輸出和輸入電容，從而提高變換器的功率密度，可推廣到N 個模塊組成的海上風電直流匯集的DC/DC 變換器中，且當模塊參數不匹配時仍然能夠很好的實現均壓和均流。

以上四種控制策略的相同之處是各個模塊共同使用一個控制電路，屬于集中式控制，模塊化效果不佳，系統的可靠性、冗余性及可擴展性都受到了一定程度的影響。針對模塊系統中集中式控制存在的問題，考慮采用分散式控制策略。

參考并聯模塊選取輸出電壓下垂法來達到輸出無關聯的均流方法思路引導，文獻［37］研究基于輸出電壓上翹特性的ISOS 模塊組合系統，各個模塊均具有控制電路，各自獨立控制，真正意義上實現了模塊化設計，增加了整個系統的可靠性、冗余性和可擴展性，但該控制策略不能做到輸入均壓特性與輸出電壓調整率同時最優(yōu)。文獻［38］研究自適應下垂的均壓控制策略，利用電感電流補償值與輸入、輸出電壓的下垂特性達到自適應均壓，并消除了下垂控制帶來的靜差問題，實現了真正意義上的模塊化，但該控制策略僅在功率等級較低且各模塊參數匹配的實驗環(huán)境中進行了測試，還需進一步在功率等級提升及模塊參數不匹配的海上風電直流匯集系統進行均壓驗證。

3 結束語

文章首先淺析了海上風電直流匯集DC/DC 變換器技術需求，然后對具有應用前景的模塊組合型DC/DC 變換器展開介紹，總結了其技術特點，詳細介紹了子模塊的應用情況、整體的控制策略。目前國內外對模塊組合式DC/DC 變換器應用于海上直流匯集的研究還相對較少，有些問題還需進一步研究，包括:

(1) 針對功率雙向流動型變換器有助于風電場啟動，但也因此使得結構和控制更加復雜，損耗較大，而功率單相流動型換變換器結構和控制簡單，成本較低，但卻不能為海上風電場啟動提供能量，研究既能夠在風電場啟動時提供能量，還能夠降低損耗，提高經濟性的子模塊拓撲模型;

(2) 針對傳統均壓策略都屬于集中式控制，模塊化程度不高，而新興的均壓策略僅適用于功率等級較低的場合，研究適用于海上高壓大功率的兼顧均壓均流特性與真正意義上模塊化的DC/DC 變換器;

(3) 針對電壓等級提升，所需的子模塊數量增多所帶來的裝置體積增大問題，研究體積更小，功率密度更大的模塊化DC/DC 變換器。