海上风电直流汇集DC-DC 变换器拓扑与控制策略分析

刘云波，胡书举，李丰林，邓雅

( 中国科学院电工研究所，北京 100190)

0 引言

风电作为一种清洁的可再生能源，能够缓解传统化石能源由于大量开采，本世纪末将被开采殆尽的危机，同时不会产生废物和废气污染，符合当下人与自然和谐相处的环保理念［1-3］。国家能源局制定了“先陆地、后海上、先近海、后远海”的风电发展原则，数据显示，截止2020 年6 月底，我国风电累计装机2.17 亿千瓦，其中陆上风电累计装机2.1 亿千瓦、海上风电累计装机699 万千瓦，随着风电装机容量的提升，研究海上风电高效汇集十分重要。直流汇集相较于交流汇集能够精简海上风电场从发电到并网的整个过程，避免了多次的整流、逆变、升压，降低损耗的同时还减少了系统投资，DC/DC变换器作为直流汇集的关键设备，具有重量更轻、功率密度更高的特点，已成为了近些年的研究热点［4-5］。

早期的DC/DC 变换器仅适用在电压较低、功率较小的场合，电压增益一般为2-4［6-9］。新兴的技术如模块化多电平变换技术( MMC)［10-11］和多模块串并联组合技术能够满足海上风电直流汇集过程中高压、大功率的诉求。其中，MMC 采用功率单元级联的形式，随着电平数的增加，其脉冲调制和系统的控制都将变得更加复杂，增加了使用难度。多模块串并联技术由于采用标准化的电能变换模块组成特定的电能变换系统，可以压缩研发周期时长，减少开发所需成本，同时方便系统扩容和实现模块冗余，提高系统可靠性。

文章在阐述了海上风电直流汇集变换器所需技术的基础上，总结了模块组合型DC/DC 变换器常用的子模块和控制策略，最后展望其发展方向，为进一步推动多模块串并联技术在DC/DC 变换器中的应用提供了一定的参考。

1 DC/DC 变换器技术需求及模块组合式变换器特点

1.1 DC/DC 变换器技术需求

海上风电汇集根据DC/DC 变换器的安装位置可分为集中升压系统、机端升压系统、两级升压系统，如图1所示［12］。集中升压系统是风电场内所有风机经整流后汇聚到低压母线，然后再统一经DC/DC 变换器升至高压;机端升压系统是单台风机整流后再各自经DC/DC变换器升至高压;两级升压系统则是单台风机整流后各自经DC/DC 变换器升至中压汇集，再统一经DC/DC变换器升至高压。其中，两级升压系统是现阶段最易实现的方式。针对海上DC/DC 变换器具有如下要求:

图1 海上风电场并联型直流组网示意图Fig.1 Schematic diagram of parallel DC grid for offshore wind farm

(1) 容量要求。

海上风力发电机单机容量普遍在2 WM 到8 MW之间［13］，目前工程应用中最大的单机容量机组是MHI vestas 推出的V-164-9.5MW 机型，而V-164-10MW 也已推出，预计于2021 年用于商业安装。因此，对于不同结构的变换器容量，从机端升压的几兆瓦，到集中升压和两级升压的成百上千兆瓦不等。

(2) 故障隔离要求。

应用于海上风电场的DC/DC 变换器应该具有故障隔离能力，保证一侧发生故障时，另一侧能够不受到波及，防止故障进一步扩大，并保证非故障侧继续正常运行。对于隔离型变换器可通过开关器件实现故障隔离，而对于非隔离型变换器则需对拓扑进行进一步改动。

(3) 宽输入电压波动要求。

海上风电具有随机波动性，随着风速的变换，输入电压也会发生变化，因此，针对输入电压变化范围大的特点，要求变换器的宽范围适应性强。

(4) 高增益要求。

针对目前风力发电机出口电压最高可达5 kV，而现有的风电工程最大直流电压为±320 kV，中压汇集母线电压一般为35 kV 左右，若采用两级升压，每级增益可达8 左右，若采用机端和集中升压方式，增益高达64，实现难度很大。从增益角度来看，两级升压系统增益要求较易实现。

1.2 模块组合变换器结构和技术特点

模块组合式DC/DC 变换器包含串联和并联两类形式，选取几个DC/DC 变换器相互串联，能够降低各个子模块内部开关器件所承受的电压应力，满足高电压的应用环境;若选取几个DC/DC 变换器相互并联，能够降低各个子模块内部开关器件所承受的电流应力，满足大电流的应用环境，根据变换器模块输入侧、输出侧连接方式的不同，模块组合式DC/DC 变换器可归为以下四类:(1) 输入串联输出并联( Input-series Output-parallel，ISOP) ; (2) 输入串联输出串联( Input-series Output-series，ISOS) ;(3) 输入并联输出并联( Input-parallel Output-parallel，简称IPOP) ; (4) 输入并联输出串联( Inputparallel Output-series，简称IPOS)。如图2 所示，其中，ISOS 和IPOS 更适用于海上风电高压、高增益的直流并网场合，文中主要对这两种结构进行研究，技术特点如下:

图2 模块组合式DC/DC 变换器Fig.2 Modular combination DC/DC converter

(1) 采用标准的变换器模块，无需进行特殊的设计，省略了大量的重复性劳作，能够在很大程度上降低研发成本，缩短开发周期;

(2) 系统中每个模块所承受的功率仅为组合系统总功率的1/n(n是系统中总的变换器模块的数量) ，降低了单个模块的设计难度;

(3) 变换器模块的串并联组合，使得系统能够实现冗余，提高了系统的可靠性;

(4) 采用交错控制，使系统的输入、输出电流、电压纹波降低，可以进一步提高控制器的效率及功率密度;

(5) 变换器可根据不同场合对电压、电流、功率等的具体要求来进行串并联组合，适应性更强。

2 模块组合式DC/DC 变换器关键问题研究

2.1 子模块拓扑结构

子模块的选择决定了DC/DC 变换器的效率，海上直流输电常用的DC/DC 变换器拓扑主要包括半桥型、全桥型、正激式、LLC 谐振式、双有源桥式( Dualactivebridge，DAB) 等［14-16］。它们都属于隔离型变换器，不存在直接电气联系，可通过IGBT 的闭锁实现对海上风电场的故障隔离。

双有源桥式DC/DC 变换器可实现电压变换、功率双向流动，能够在海上风电场启动时为其提供能量，帮助其启动［17］。文献［18］将DAB 变换器应用到ISOS 系统中，和其它几种DC/DC 变换器对比，ISOS 变换器采用开关器件数量相对较少，更具有经济性。但最初的DAB变压器侧有无功功率流动，会使得电流峰值的实测值远超额定值，这将影响变换器的正常工作，降低使用效率。

LLC 谐振变换器的功率密度和效率都相对较高，同时还具有软开关特性，适合宽电压范围的海上风电场输出场合，但传统意义上的LLC 谐振变换器只能工作在功率单向输送状态，现在也有一些学者将LLC 谐振变换器用于双向DC/DC 变换器，如文献［19］提出一种带有新型CLLC 谐振槽的无缓冲器双向DC/DC 变换器，正向工作在LLC 谐振模式，有效的提高了效率和功率密度，但反向工作于LC 谐振状态，双向不对称，这在一定程度上加大了控制难度。文献［20］进一步将上述拓扑作为子模块构成模块组合式DC/DC 变压器，应用于工程现场，实现了软开关，但研制的变换器功率较小，采用的均压阻值也较小，所以变换器的效率不高。

为保证双向DC/DC 功率变换器具有高功率密度和高效率的同时还能够降低设计和控制难度，文献［21］提出了对称的双向CLLC 谐振变换器，推导了变换器的软开关条件，给出了谐振网络的设计方法，但该变换器在整流时并未实现零电流关断，不能保证双向运行时皆具有软开关特性，文献［22］提出了对称的双向全桥CLLLC 谐振变换器，采用参数优化设计方法设计出一套谐振网络参数，并在实验样机上进行了验证，实验证实了该拓扑在实现能量双向流动的同时，还能够具备双向软开关。

考虑海上风电场的特殊性，选用的DC/DC 变换器，有时并不需要能量的双向流动，这将有利于系统拓扑的简化，降低硬件成本。文献［23］采用双管正激组合模块串并联，电路拓扑结构简单，可靠性高，同时开关管仅需承受一半的输入电压，降低了开关管的电压应力。文献［24］提出了一种基于单半桥变换器的ISOS 半桥变换器，拓扑结构简单，非常适合于输出电压低、输出电流大的应用，所有模块共用一个共同的电容，可以减少主电路的电容数量，降低成本。文献［25］提出将全桥直流变压器和全桥直流变换器组合，前者可近似满占空比开环工作，易于实现软开关，后者则充分利用变压器的寄生参数来实现软开关，整个结构开环与闭环结合，电路控制策略简单，省略掉非必须检测环节，压缩了成本。

文献［26］为设计一种基于模块组合型DC/DC 变换器的海上直流风电汇集并网方案，分析对比了LCC谐振变换器、移相全桥变换器以及LLC 谐振变换器三种子模块，得出前者在元器件数量、设备体积、系统损耗等方面具有一定优势。文献［27］则指出: 综合考虑成本及控制技术成熟程度后，移相控制全桥变换器更适用于海上直流风电场。

随着电压等级的提升，模块组合式DC/DC 变换器需要的子模块个数增多，相应的需要更多的中高频变压器，装置的体积随之增大。为解决由于采用多双绕组变压器导致的装置体积增大问题，还可以选取多绕组的变压器，所有的模块一次侧和二次侧绕组都使用同一个磁链。文献［28］将多绕组变压器应用于微电网中，还对功率的流向和控制策略进行了探讨，较好的实现了电压平衡。文献［29］对比了双绕组变压器和多绕组变压器，得出后者连接各绕组的负载灵活性相对较高，装置的体积也较小，但制造难度大，控制复杂，在选择时应综合考虑体积、重量、制造难度等因素。

2.2 控制策略

DC/DC 变换器子模块的选择决定了海上风电直流汇集系统结构的复杂程度和损耗大小，而控制策略则决定了海上风电能否正常的实现汇集。为确保模块组合式DC/DC 变换器正常运行，必须保证各个模块间功率均衡，也就是保证各个模块输入侧与输出侧电压/电流的平衡。

文献［30］从能量的角度出发，详细分析了IPOS 和ISOS 型变换器的输入侧/输出侧均压和均流的关系，指出在ISOS 模式中，输入均压能够确保输出均压，选取输入均压控制方式，变换器能够稳定工作;而对于IPOS型变换器而言，无论选取输入均流控制方式还是输出均压控制方式，变换器都可以稳定运行，但采用输入均流控制方式实现起来相对困难，因此一般选取输出均压控制方式。对于上述两种模块组合式DC/DC 变换器，常用的均压控制策略主要有四种: 共用占空比控制、主从控制、双环控制、三环控制。

(1) 共用占空比控制。

共用占空比控制是指所有模块采用同一个占空比，不使用任何电压控制回路，省略了输入电压或电流采样环节，控制策略简单［31-33］。但该控制策略适用于模块参数相同或差别不大的变换器系统，实际海上风电直流汇集系统中，因为器件导通时间及变压器漏感等存在差别，均压效果会受到影响，同时电路结构随着模块数量的增加而变得非常复杂，因此更适合有两个模块的情况。

(2) 主从控制。

在主从控制里，选取一个模块用作主控制器，其它模块用作从控制器。该控制方式对存在差异的多模块系统也能够实现均压、均流，具有稳态性能好、暂态性能快、抗扰动性能强的优点。文献［34］针对LCC 谐振变换器，采用主从控制策略，主模块采用脉频调制调压，从模块采用脉宽-脉频调制方法调压，最后验证了该策略的可行性。但在实际海上风电直流汇集过程中，主控制器发生故障，从控制器也会受到影响，可靠性不高。

(3) 三环控制。

输出电压环，输入/出均压环以及电流环是三环控制的组成环节，输出电压环主要可以维持输出电压的稳定，输入/出均压环则用来控制各个子模块输入/出电压的平均分配，同时经由电流内环提高系统控制方面性能，这也是目前应用最广泛的均压控制策略［35］。但三环控制为各子模块配置电压传感器以及电流传感器，增加了海上风电平台的体积，控制相对复杂且成本较高。

(4) 双环控制。

在三环的基础上去掉电流环就得到了只含有均压环以及输出电压环的双环控制，双环系统控制简单，不需要电流传感器，但输出电压环和均压环之间存在着耦合，需要进行解耦。文献［36］在IPOS 系统中采用双环控制策略，同时采用交错控制，电压纹波抵消效应和电流纹波抵消效应分别减小输出和输入电容，从而提高变换器的功率密度，可推广到N 个模块组成的海上风电直流汇集的DC/DC 变换器中，且当模块参数不匹配时仍然能够很好的实现均压和均流。

以上四种控制策略的相同之处是各个模块共同使用一个控制电路，属于集中式控制，模块化效果不佳，系统的可靠性、冗余性及可扩展性都受到了一定程度的影响。针对模块系统中集中式控制存在的问题，考虑采用分散式控制策略。

参考并联模块选取输出电压下垂法来达到输出无关联的均流方法思路引导，文献［37］研究基于输出电压上翘特性的ISOS 模块组合系统，各个模块均具有控制电路，各自独立控制，真正意义上实现了模块化设计，增加了整个系统的可靠性、冗余性和可扩展性，但该控制策略不能做到输入均压特性与输出电压调整率同时最优。文献［38］研究自适应下垂的均压控制策略，利用电感电流补偿值与输入、输出电压的下垂特性达到自适应均压，并消除了下垂控制带来的静差问题，实现了真正意义上的模块化，但该控制策略仅在功率等级较低且各模块参数匹配的实验环境中进行了测试，还需进一步在功率等级提升及模块参数不匹配的海上风电直流汇集系统进行均压验证。

3 结束语

文章首先浅析了海上风电直流汇集DC/DC 变换器技术需求，然后对具有应用前景的模块组合型DC/DC 变换器展开介绍，总结了其技术特点，详细介绍了子模块的应用情况、整体的控制策略。目前国内外对模块组合式DC/DC 变换器应用于海上直流汇集的研究还相对较少，有些问题还需进一步研究，包括:

(1) 针对功率双向流动型变换器有助于风电场启动，但也因此使得结构和控制更加复杂，损耗较大，而功率单相流动型换变换器结构和控制简单，成本较低，但却不能为海上风电场启动提供能量，研究既能够在风电场启动时提供能量，还能够降低损耗，提高经济性的子模块拓扑模型;

(2) 针对传统均压策略都属于集中式控制，模块化程度不高，而新兴的均压策略仅适用于功率等级较低的场合，研究适用于海上高压大功率的兼顾均压均流特性与真正意义上模块化的DC/DC 变换器;

(3) 针对电压等级提升，所需的子模块数量增多所带来的装置体积增大问题，研究体积更小，功率密度更大的模块化DC/DC 变换器。