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一种适用于新能源并网的高增益单向正弦波逆变电源

强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学电气与电子工程学院)、特变电工新疆新能源股份有限公司的研究人员李梦柏、谢竹君、林卫星等,在2018年第2期《电工技术学报》上撰文,提出一种名为高电压比级联式LC-AC transformer(LCT)型单向直流-正弦波逆变电源,特别适用于新能源并网等应用场合。
 
该变压器首先通过电压源型换流器(VSC)将直流电压逆变成交流电压,利用电感电容(LC)电路取得第一级升压。然后,LC电路输出的电压将会通过交流变压器得到进一步升高,从而通过两级升压实现40倍左右高电压比。最后,利用二极管电路将交流电压整流得到直流电压。
 
本文首先阐述了LCTDC-DC的参数设计步骤,同时提出了一种有效的有功功率控制策略,研究拓扑的器件选择及其运行损耗估算。最后通过在PSCAD/EMTDC下搭建的LCT DC-DC仿真算例证明本文所提出拓扑的技术可行性。
 
随着化石能源的逐步枯竭及对生态环境保护的需要,可再生能源的研究目前已引起国内外专家学者的广泛关注[1-6]。高压直流输电技术(High VoltageDirect Current, HVDC)由于其线缆造价低廉,节省输电走廊,传输效率高等优势,是可再生能源远距离外送的最佳选择[7-11]。
 
在多种可再生能源直流并网方式选择中,直流集群技术及其两级升压并网模式由于其设计难度较低、具备直流故障穿越能力、可靠性更高等优点,被广泛认为是一种有效的方  式[11-16]。由于风力发电、光伏电池等可再生能源的输出电压往往很低,所以在其并网过程中常常会使用高增益DC-DC变压器[17-21]。
 
已有文献提到,在新能源经两级直流升压技术中升压变压器所需电压比可高达40[14]。而目前所提出的技术较为成熟的直流-正弦波逆变电源,大部分电压比只能达到10左右[20]。尽管常见的双有源桥(Dual ActiveBridge, DAB)结构的直流-正弦波逆变电源可以通过多个子模块的串并联达到相对较高的电压比,但由于均压均流等问题难以解决,DAB结构的直流-正弦波逆变电源在技术上很难实现40左右的电压比[21]。
 
文献[22,23]提出了一种谐振式LCL(inductor-capacitor-inductor)的直流-正弦波逆变电源,具备体积小、质量轻、传输效率高,且可穿越直流故障等优点,已经被证明可以在不借助交流变压器的情况下实现10倍左右的电压比。
 
为了实现直流集群并网技术中所需的高电压变比及对于换流器容量重量的需求,本文结合LCL直流-正弦波逆变电源以及传统交流变压器的优点,提出一种名为LC-ACtransformer(LCT)型的直流-正弦波逆变电源。该变压器首先通过LC(inductor-capacitor)电路实现第一级升压,然后通过交流变压器进一步提升输出电压,通过两级升压结构实现1∶40的电压比,并且具有低体积、轻质量、可隔离直流故障等优点。
 
图1 单向LCT型直流-直流换流器拓扑
一种适用于新能源并网的高增益单向正弦波逆变电源
 
结论
本文介绍了一种电压比可达40倍的新型直流-正弦波逆变电源拓扑,十分适合风电、光伏发电等新能源的直流并网应用,在未来中压、高压直流发展中具有一定研究价值。从文中理论分析及仿真实验结果可以得到以下结论:
1)本文通过数学验证推导出了拓扑设计公式,通过合理设计的LCT型正弦波逆变电源可实现特定直流系统间高电压比。 
2)该LCT型正弦波逆变电源交流链路工作在中高频,使得变压器整体体积小及质量轻。 
3)该LCT型正弦波逆变电源具有良好功率可控性。 
4)该变压器的效率估算为97%,相较于其他已知的直流-正弦波逆变电源拓扑,其效率较高,尤其考虑到LCT型变压器应用场合及高电压比。
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