應用于分布式發電匯集的多端口直流變壓器拓撲研究

趙轉，李強，王迪

（鄭州電力高等?？茖W校，河南鄭州，450000）

0 引言

我國的可再生能源與傳統能源一樣，存在分布不均，與當地經濟發展不匹配的特點。東部經濟發展程度高，但風電資源相對較少，光伏能源也以分布式光伏為主。中西部地區經濟發展程度較弱，但集中式的風電、光伏資源豐富。因此，電力能源的供給模態和傳輸方式都需要合理的規劃和動態調整。而為了促進以風電和太陽能為代表的新能源有效利用，更為了響應“雙碳”目標，多個國家和結構均制定了新能源利用時間表和碳匯交易機制。國內也在新能源并網方面制定了相應的激勵政策。

截至到2019年年底，我國新能源累計裝機容量突破4億千瓦，達41477萬千瓦，占全球的34%。風電和光伏發電新增裝機和累計裝機容量均為世界第一，10年間我國新能源裝機增長14倍，位居世界第一。我國“十四五”規劃也向碳達峰、碳中和傾斜，持續壓減火電，增加新能源的滲透率。

但對于新能源來說，其發電產生的電能為直流電或者通過整流變成直流電傳輸更為經濟可靠。如果將分布式電源直接接入直流配電網絡或交直流混合電網，相較于傳統交流電網，可以減少大量DC/AC中間環節，僅通過一級能量變換裝置即可實現新能源的并網發電和儲能系統的削峰填谷作用。更重要的是，對于新能源的就地消納和局域電網支撐，這種方式也更為經濟實用。它不僅減少了系統設計成本，也降低了系統的損耗，增加了系統效率，提高了功率密度。但是，直流母線電壓等級眾多的特點，以及直流源的形式多樣化，如分布式電源、儲能系統和雙向直流負載等，致使經過多級功率變換器才能實現多電壓等級直流母線匯集和功率交換。而基于電力電子變換技術的直流電力電子變壓器(DCT)是多端直流系統乃至直流電網的關鍵設備之一。綜上所述，研究直流變壓器對于在直流配電網中實現分布式能源、儲能、直流負荷等的多元化接入，具有重要的理論與實用價值。

本文結合分布式新能源的運行特點，以及分布式發電匯集的場景需求，提出一種基于多端口直流變壓器的拓撲匯集方案。拓撲以多個模塊化多電平變流器（MMC）為基礎，通過高頻變壓器進行互聯，將低壓直流經該拓撲變換為高壓直流并網。最后在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型，驗證了可行性。

1 分布式發電匯集的多端口直流變壓器拓撲

如圖1所示的多端口直流變壓器拓撲由三個MMC連接而成。每一端口都是一個MMC，MMC為多個半橋子模塊串聯而成。每個MMC的直流側均連接不同電壓等級的直流源或直流母線，交流側各自經過交流變壓器隔離后連接，各MMC的交流側電壓相同。低壓直流端由低壓光伏或者直流風電作為直流源，因此直流源本身也可以采用多個低壓源串聯提升端口電壓。

圖1 多端口直流變壓器拓撲

拓撲采用MMC，可以通過橋臂模塊變化調整對輸入電壓的適應性。橋臂中的電感也可以抑制模塊高速通斷時產生的系統環流。該拓撲主要有以下特點：

（1）模塊化設計，每個MMC子模塊的結構相同，可根據直流側電壓等級的不同進行相應的增減，同時具有高度冗余特點，可提高裝置的可靠性；

（2）調制控制方式多樣，模塊化多電平結構使直流變壓器可以采用多種MMC的調制與控制方法，可根據場景需求靈活變化，可有效控制裝置損耗。

2 拓撲控制方法設計

■2.1 子模塊均壓控制算法

模塊化多電平變流器具有模塊化設計，可擴展性好，便于設計冗余等特點。因此本文提出的基于模塊化多電平變換器的多端口直流變壓器拓撲，在光伏、風電等多個場景中應用時，不同場景中直流母線電壓等級的需求不同。為了保證系統能夠正常運行，模塊級的電壓均壓是基礎。同時在模塊級實現均壓，也便于系統根據母線電壓等級增減子模塊。本文的應用于分布式發電匯集的多端口直流變壓器中子模塊電容電壓均壓算法按照如下邏輯設計：

（1）根據每一時刻橋臂電壓需求，選擇子模塊觸發，此時計算該狀態下需投入橋臂的子模塊數目；

（2）對所有子模塊電容的電壓值實時采樣，并將每一橋臂所有MMC子模塊的電容電壓值進行高低排序；

（3）先判斷橋臂電流的流經方向，并由此確定橋臂上需投入的MMC子模塊電容將要進行的充放電狀態；

（4）當子模塊電容處于充電態時，將橋臂中子模塊電容電壓最低的數個子模塊設置為投入狀態；當子模塊電容處于放電態時，將橋臂中子模塊電容電壓最高的數個子模塊設置為投入狀態。

該算法適用于多場景應用的多端口直流變壓器，當直流源改變而需要對橋臂子模塊總數進行重新設計時，只需將新增的子模塊電容電壓采樣信號與原模塊的電容電壓信號共同計算，并經同一控制器進行處理后即可完成，系統無需進行額外設計。并且該算法隨MMC子模塊的開關周期工作，能夠有效抑制MMC的子模塊電容電壓波動。

■2.2 拓撲控制算法

本文所提的應用于分布式發電匯集的多端口直流變壓器拓撲可連接多個不同電壓等級的直流母線，但每個分布式電源的端口傳輸的功率大小受光照或者風力條件影響，互不相同。因此，多端口直流變壓器需要針對每個端口傳遞的功率設置單獨的控制器，用以匹配端口直流電壓，保證功率傳輸。

根據分布式電源的交直流匯集方式的對比，直流匯集方式線路損耗小、效率高、可靠性好，根據功率傳輸基本原理，圖2給出了多端口直流變壓器發電匯集的示意圖。

圖2 多端口直流變壓器發電匯集示意圖

在圖2中，光伏1-光伏n表示可以有多個光伏發電單元進行直流匯集，端口直流電壓為U-U。風電1-風電m表示可以有多個風電發電單元進行直流匯集，端口電壓為U-U。每個MMC將光伏或者風電單元傳輸的直流功率轉變為高頻交流功率，經高頻變壓器進行傳輸。對MMC的控制設計為交流側端口電壓相同，減少交流側端口電壓的環流。根據移相控制原理，每個匯集支路的等效電感值相同，則每個匯集支路只與交流電壓的相位差有關，每個匯集支路只需進行單獨的高頻變壓器高低壓側相位差控制即可，由此可實現多個不同光伏或者風電的分布式電源直流匯集。

經過控制設計的分析，應用于分布式發電匯集的多端口直流變壓器拓撲具有如下優勢：

（1）分布式電源匯集時，每個發電單元的電壓和功率會伴隨天氣條件和電源自身狀態產生功率。而采用上述控制策略，將每個匯集支路單獨控制并統一匯集，可以根據各單元的各自發電狀態，實時調節各自匯集支路向直流母線輸送的功率，從而實現多個支路的直流功率匯集，進一步拓展時對原拓撲單元影響也較小；

（2）該控制方式傳輸的功率靈活可控，可使各個發電單元的端口電壓在一定范圍內可以自由調節，從而可以在分布式電源最大功率跟蹤時保證后端穩定運行；

（3）該控制方法通過控制交流環節各個端口的相位差，可以實現功率的雙向傳輸，因此對于儲能電池等雙向傳輸需求強烈的單元也可有效適應，進而實現直流母線端口的能量均衡和削峰填谷要求。

3 仿真結果分析

根據上文中的拓撲設計和控制策略分析，在MATLAB/simulink仿真環境中搭建仿真模型，用于驗證所提內容的可行性。仿真模型為了模擬多端口特性和多分布式發電單元特性，設計為兩個匯集支路輸入，單個直流輸出的多端口模型。其中一個支路的發電單元為光伏發電單元，設計電源電壓為5kV；另一個支路的發電單元為風電發電單元，設計電源電壓為6kV。直流并網電壓設計為10kV，以電壓源的形式并入電網中。

圖3所示為在MATLAB/Simulink中搭建的仿真模型，左邊兩部分電源為兩個分布式電源模塊，最右邊電阻和濾波電感電容組成負載，表示系統為電壓源型輸出，中間的是三個模塊即為多端口直流變壓器。

圖3 多端口直流變壓器仿真模型

圖4為多端口直流變壓器的輸入電壓波形和輸出電壓波形。從圖中可以看出，搭建的三端口直流變壓器的輸入電壓為穩定的電壓源，輸出電壓在經過0.3s左右的振蕩后趨于穩定，穩定在10kV左右的設定值，說明直流變壓器的運行正常，輸出穩定。圖5則是直流變壓器內部橋臂子模塊的均壓波形。一共有八個子模塊，但八個子模塊的電壓波動幾乎重合，說明在本文所提的控制策略下，子模塊的電壓波動量一致，電壓的波動范圍固定，電容均壓策略有效。

圖4 多端口直流變壓器輸入輸出電壓波形

圖5 直流變壓器內部橋臂子模塊均壓波形

4 結論

本文通過分析以光伏、風電為主的分布式能源的電壓等級與匯集特性，提出基于MMC的多端口直流變壓器拓撲，用于分布式能源的直流匯集，并在此基礎上對多端口直流變壓器的控制方法展開研究。

基于模塊化多電平變流器的多端口直流變壓器具有模塊化、易擴展、控制簡便、易維護等特點，方便分布式發電單元的二次擴展。

分析了模塊化多電平變流器的橋臂能量變化規律，設計了適用于多端口直流變壓器的子模塊電容均壓算法，保證多端口直流變壓器具有良好的冗余特性，并便于維護。

根據直流變壓器的功率傳輸原理，提出了適用于多端口直流變壓器的多匯集支路功率傳輸控制策略，并在MATLAB/Simulink環境下搭建多端口直流變壓器的仿真模型，對多個發電單元匯集的拓撲及運行控制策略進行了仿真驗證。仿真結果表明，本文提出的多端口直流變壓器拓撲及控制策略能很好地應用于分布式發電匯集。