第1章 概述
1.1 新能源中压交/直流并网汇集技术方案
随着能源危机、温室效应及环境污染等问题的日益严重，光伏发电和风电等新能源在全世界得到了广泛关注，新能源发电每年新增装机容量一直呈现增长态势。根据REN21(21世纪可再生能源政策网络)发布的《全球可再生能源现状报告2021》[1]，2021年全球新能源发电新增装机容量超过256GW，其中光伏发电和风电的占比位列前二，分别新增约139GW和93GW。近些年，我国一直走在新能源开发队伍的前列，在新能源发电领域取得了举世瞩目的成绩，其中光伏发电和风电的累计装机容量均稳居世界第一。国家可再生能源中心在2021年国际能源变革论坛上发布了《中国可再生能源产业发展报告2020》[2]，报告给出了如图1.1所示的近年来我国光伏发电和风电每年的装机总量，两者均逐年攀升，其中，光伏发电增长速度显著，在短短的6年时间内，从2014年的25GW增长到2020年的253GW，装机总量已经基本与风电相当。根据该报告，“十四五”期间，预计我国可再生能源发电新增装机容量占新增发电装机的70%以上，可再生能源消费增量占一次能源消费增量的50%左右，以新能源为主体的新型电力系统将加快形成。
随着全球范围内新能源发电装机容量的不断增长，新能源发电的汇集和传输技术也备受瞩目。得益于大功率半导体器件技术的发展和各类新型换流器拓扑的创新，新能源发电可以通过中压交流(medium voltage alternative current，MVAC)或者中压直流(medium voltage direct current，MVDC)汇集，然后再通过高压交流(high voltage alternative current，HVAC)或者高压直流(high voltage direct current，HVDC)进行电能传输[3]。因此，理论上新能源发电存在四种组合方案来实现电能的汇集和传输，即MVAC汇集HVAC传输(方案一)、MVDC汇集HVAC传输(方案二)、MVAC汇集HVDC传输(方案三)和MVDC汇集HVDC传输(方案四)。以海上风电为例，本节绘制了如图1.2所示的四种新能源汇集和传输方案。图1.2(a)所示的方案一为传统的海上风电汇集和传输方案，采用纯交流电方式，该方案的主要优点是工频变压器的制作工艺成熟、效率高、成本相对较低等，且具有较高的功率和电压等级，目前大部分海上风电采用该方案。但该方案中的大功率工频变压器十分笨重、体积庞大，导致海上升压平台建设成本较高，另外电容较大的海底交流电缆易和站端补偿装置产生谐振[4]。图1.2(b)所示的MVDC汇集HVAC传输方案需要将风机端口的交流电整流为直流电，再通过一个大容量、高绝缘等级的DC/AC变换器逆变为高压交流电，有些多此一举也不切实际。
为此，相关学者提出了如图1.2(c)所示的MVAC汇集HVDC传输方案。HVDC输电目前已经发展到采用全控型器件绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)的第三代技术[5]，相对于传统的HVAC输电，HVDC输电没有功角和频率稳定问题，系统可靠性和稳定性更高，且HVDC输电线路只需正负两极导线，杆塔结构简单、线路走廊窄、线路损耗小[6]。HVDC输电具有输送容量大、输送距离远等特点，适合大型海上风电场远距离大容量输电。
事实上，方案三虽然解决了新能源远距离传输问题，但在新能源场站内的MVAC汇集仍然需要用到庞大笨重的工频变压器和大量的三相交流电缆，频率稳定、弱同步支撑下多逆变器并联的振荡等问题也依旧存在。而如果在HVDC传输的基础上进一步采用MVDC汇集，即图1.2(d)所示的方案四，则整个新能源发电汇集和传输系统可彻底避免上述问题。对于大型海上风电场而言，MVDC汇集方案中的中压DC/DC变换器可实现高功率密度，相比于传统MVAC汇集方案中笨重的工频变压器，前者可以有效降低运输和安装成本，缩小海上升压平台的规模。另外，MVDC汇集方案只需要两根直流电缆即可满足大型海上风电场的汇流要求，使得方案四成为极具竞争力的新能源发电汇集和传输方案[7-9]。
此外，德国亚琛工业大学Doncker教授课题组在2007年还提出了适用于海上风电场的低压和高压直流汇集两种方案[10]，如图1.3所示。由于受限于风力发电机机端线电压(一般*高只为几千伏)，图1.3(a)所示的低压直流(low voltage direct current，LVDC)汇集方案中的汇流站直流母线电压偏低，会导致电能汇集过程中损耗较高。另外，LVDC汇集方案中所需的高压DC/DC变换器的容量大，并且需要具备将几千伏的低压直流抬升至几百千伏的高压直流的能力，工程实现难度大，而图1.3(b)所示的汇集方案也存在类似的问题。综上所述，关于海上风电直流汇集，近些年研究相对比较广泛的还是图1.2(d)所示的MVDC汇集方案。
而对于光伏发电而言，光伏组件的端口电压本身就为直流电，所以采用MVDC汇集时无需任何光伏逆变器和工频变压器即可实现电能的汇集，从而更具优势[11，12]。综上可见，在HVDC传输的基础上，新能源发电采用MVDC汇集是未来一个重要的发展方向，早在2016年我国国家重点研发计划第一批“智能电网技术与装备”重点专项中，就设立了“大型光伏电站直流升压汇集接入关键技术及设备研制”项目，在后续的“中低压直流配用电系统关键技术及应用”“分布式光伏多端口接入直流配电系统关键技术和装备”等项目中新能源发电MVDC汇集同样也是重要研究内容。
1.2 新能源直流并网MV DC/DC变换器技术要求
新能源发电MVDC汇集系统的容量通常比较大，所以需要通过大功率DC/DC变换器(即图1.2(d)中的中压DC/DC变换器)来完成，且该变换器应具有较高的升压比，以便将新能源侧的直流低压抬升至直流中压等级。该变换器的输入电压、输出电压、额定传输功率等主要参数会影响变换器自身基本拓扑的选择，而变换器的拓扑又和控制策略、主要功率半导体器件的软开关实现关系密切。在大功率场合，功率半导体器件的软开关实现尤为重要，除了有助于提高变换器的传输效率还能降低散热系统的设计难度、体积和成本，*终有利于提升MVDC汇集系统的功率密度并降低系统的总成本。因此，下面将主要从适用于新能源发电MVDC汇集的大功率高升压比DC/DC变换器(以下简称为MV DC/DC变换器)的电压和功率参数、拓扑结构几方面阐述目前的相关研究现状。
风电是目前*为成熟、应用前景*为广阔的一种新能源，风机的出口电压和额定功率相对较高。目前陆上风电场主流风力发电机组的单机容量一般在1.5～3MW，交流侧典型电压等级为690VAC[13]；而有着更高和更稳定风能的海上风电场，其交流风电机组的单机容量普遍达到5MW甚至更高，其交流侧电压也朝着更高电压发展，如3kVAC[14]。文献[15]于2013年总结了适用于海上风电场的MV DC/DC变换器的电压和功率区间，指出了若输入电压的区间为1～6kV，输出电压的区间为30～60kV，额定功率则会达到10MW，而在2020年，西门子公司即推出了当时全球*大功率的海上直驱风电机组SG14-222DD(14MW)，因此，有理由相信，在可见的未来，MV DC/DC变换器的功率等级将更高。
相对于风电，光伏发电端口电压相对较低，以拥有超过40年开发经验的BP Solar公司的BP365J(65W)光伏电池板为例，其在*大功率点处的电压为17.6V(基于标准测试条件：光照强度和电池板温度分别为1000W/m2和25℃)，一般需要通过多个相同型号的光伏电池板进行串联将整个光伏阵列的电压抬升至600～750V，另外，目前已商用的光伏电池板的*大系统电压*高也只为1500V。因此，应用于光伏发电系统的MV DC/DC变换器的输入电压一般在600～1500V。随着光伏发电装机容量的不断增长，光伏阵列单元的容量已经达到500kW甚至1MW，所以，为了提高汇流能力，MVDC汇集方案的直流汇流母线电压一般在几十千伏，如国家电网有限公司在新能源与储能运行控制国家重点实验室张北试验基地建设的光伏发电中压直流汇集示范工程中采用±35kV的母线电压，单个MV DC/DC变换器的功率为500kW。文献[16]给出了集中式*大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)型和分布式MPPT型两类光伏发电的MVDC汇集方案，如图1.4所示，其中的MV DC/DC变换器参数分别为(600～750V)/16kV/800kW和1300V/16kV/1.6MW。集中式MPPT型中的MV DC/DC变换器需要具备MPPT功能，其输入端直接与光伏阵列连接，而由于光伏发电的间歇性、波动性和随机性，其输入电压存在较大的波动范围。
综上所述，考虑到陆上风电场中的主流风机容量为1.5MW左右，因此，适用于风电MVDC汇集系统的MV DC/DC变换器的额定传输功率应不小于1.5MW，输入和输出电压区间则分别为1～6kV和30～60kV。对于光伏发电而言，适用于光伏发电MVDC汇集系统的MV DC/DC变换器的输出电压应在15～35kV，额定传输功率应不低于500kW。可将适用于新能源发电MVDC汇集的MV DC/DC变换器端口电压和功率区间汇总为表1.1。
1.3 非隔离型MV DC/DC变换器
常见DC/DC变换器的基本拓扑按输入输出是否具有电气隔离功能，可分为非隔离型和隔离型两类。*基本的非隔离型DC/DC变换器有Buck、Boost、Buck/Boost、Cuk变换器等，隔离型DC/DC变换器有反激、正激、推挽、半桥、全桥变换器等。
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