高增益宽范围直流功率变换理论及其在大型直流光伏电站升压汇集系统中的应用机制

MVDC inner power collection network based on PV DC-DC converters has been regarded as an advanced solution for integration of large-scale PV power stations. With the consideration of random PV output fluctuation, PV DC-DC converters should have the capability of high-gain-wide-range operation at high power efficiency. For traditional DC-DC converter topologies, it is difficult to fulfill the requirements of MVDC inner power collection network due to their narrow working range and low control freedom..In this project, multi-resonant DC-DC converter topologies will be enhanced by the introduction of passive and active auxiliary circuits, and the topology transition principles will be revealed. All proposed DC-DC topologies are featured with extended working region and high control freedom. A full theoretical system will be established to construct PV DC-DC converter topologies for MVDC inner power collection network. Within the whole working region, the dynamic characteristics of proposed topologies will be depicted by time-domain linear-parameter-varying model, in order to realize unified-mode control and multi-target optimization control. Considering the multi-time-scale disturbance of PV power generation under complex conditions, the stability of inner power collection network will be analyzed, and system-level coordination control strategy will be presented. The research work will enrich the knowledge of high-gain-wide-range DC-DC power conversion theory, and it can help us establish the full technical system for MVDC inner power collection network of large-scale DC PV power station in future.

基于光伏直流变换器所构建的中压直流升压汇集系统，是应对大型集中式光伏电站并网送出的先进解决方案。考虑光伏输出随机波动性的光伏直流变换器，需具备大功率高增益升压与宽范围高效运行能力。常规直流拓扑存在工作范围窄/控制自由度低的不足，难以满足中压直流升压汇集系统的需求。.本项目基于无源与有源辅助电路对多谐振直流变换器进行拓扑增强优化，阐明拓扑演变规律，拓展工作域并提升控制自由度，创新形成面向中压直流升压汇集系统的光伏直流变换器拓扑理论。通过时域线性变参数模型理论，刻画光伏变换器全工作域下的动态特性，实现多模式统一控制与多目标优化控制。针对光伏发电复杂工况下多时间尺度扰动，进行汇集系统稳定分析并给出系统级功率协调控制策略。此项研究有助于深化和完善高增益宽范围直流功率变换理论，为未来大型直流光伏电站的直流升压汇集系统建立完整技术体系。

基于光伏直流变换器所构建的直流升压汇集系统，是应对大型集中式光伏电站并网送出的先进解决方案。考虑光伏输出随机波动性的光伏直流变换器，需具备大功率高增益升压与宽范围高效运行能力。本项目针对光伏直流升压汇集应用场景，着重解决了“拓扑构建”、“模型刻画”、“协同控制”三个方面的系列理论与技术难题，简述如下：.在拓扑理论层面，对光伏电站内部直流汇集系统整体架构、变换器模块组合架构与基本电路拓扑单元的进行系统讨论与归类梳理，形成面向光伏直流升压汇集的功率变换器拓扑构建理论与创新拓扑族系，定量分析了不同功率变换拓扑主要性能指标，给出了拓扑评估遴选原则。针对目前光伏直流汇集难点较多的IIOS系统，分析其内部功率失配现象的成因与影响，分别提出基于准Z源阻抗网络变换单元与含有内部功率均衡单元的两种新型IIOS变换拓扑及其调制方案，在保留IIOS架构优势的同时有效克服其内部功率失配问题。.在动态建模与控制理论层面，针对光伏输入随机波动范围大，变换器工作模式多的特点，在经典线性化建模方法基础上，采用基于线性变参数（LPV）描述的大信号建模方法刻画了多模式光伏直流变换器全工作域动态特性。提出面向多工作模式的一体化控制策略与控制参数整定方法，综合地优化开环过渡模式和闭环线性控制增益，实现快速且稳健的电压调节。.在系统协同运行控制技术层面，基于变换器拓扑结构以及汇集系统架构，结合直流光伏电站安全稳定运行与电网友好型接入具体需求，提出汇集系统低成本故障隔离与控制保护一体化方案，提出直流汇集系统暂、稳态控制策略，具体包括：场站稳态功率控制、暂态故障隔离保护、故障穿越、多级变换器协同启动策略等，最终形成涵盖光伏直流变换器与场站控制的多装置/多层级协同控制策略。.项目成果有助于深化和完善高增益宽范围直流功率变换理论，为未来大型直流光伏电站的直流升压汇集系统建立完整技术体系，将会对大型直流光伏电站的工程实现，产生推动作用。