能源是人類社會發展的動力源泉，隨着世界經濟的高速發展，能源的需求量也在持續增加。從社會經濟長遠發展的角度來看，傳統的化石燃料因為存在不可再生、易對環境造成污染等缺點，已經越來越不具有競爭力。
近年來，越來越多的國家開始關注、開發和利用光伏發電、風力發電和生物質能等清潔能源，而清潔能源因其環保、經濟和可再生等優點，也必然成為應對環境污染和能源危機的有力武器。太陽能作為地球上存在的最豐富的可再生能源，在利用光伏電池將太陽能轉化為電能的過程中不需要燃料供應，且不存在污染物的排放問題，具有很好的環保性和經濟性。
氫能作為一種新興的綠色能源，具有儲量豐富、能量密度高和無毒無污染等優點。氫能轉化為電能通常通過燃料電池來實現，由於燃料電池發電不經過熱機過程，所以不受卡諾循環的限制，能量的轉化率高。
在實際應用當中，光伏發電具有動態響應快但受天氣影響較大的特點，而燃料電池具有穩定但動態響應慢的問題，兩者的輸出特性具有良好的互補性，因此可考慮綜合兩者的優點來建立聯合發電系統，以獲得持續穩定的電能，於是一種電-氫多能互補型微電網架構逐漸進入了人們的視野。
電-氫多能互補型微電網架構如圖1所示，它包括由光伏發電、蓄電池構成的電能系統和由電解槽、儲氫罐及燃料電池組成的氫能系統。光伏發電單元和蓄電池經DC-DC變換器連接到直流母線；直流母線除了由DC-AC變換器連接到交流電網，給電網輸送功率之外，還需要給電解槽供電以完成電解制氫。電解槽所得到的氫氣供給燃料電池用於發電，最終燃料電池產生的電能經DC-DC變換器回饋到直流母線。
圖1 電-氫多能互補型微電網架構
對於該架構中的光伏發電部分來說，如何降低發電成本、提高發電效率是其未來發展的核心課題。而光伏產業要降本增效，升高電壓是有效措施之一。隨着我國光伏產業的蓬勃發展，目前1000V的母線電壓等級已經不能滿足要求。2014年，世界首個1500V電站由Firstsolar和GE聯合建立，此後，1500V光伏系統逐漸在海外和國內領跑者項目中陸續使用。
相比於1000V系統，1500V系統中單串的組件數提高了50%，子光伏陣列的組串數降低了33%，減少了子光伏陣列中的電纜、匯流箱和支架等的數量，從而節省了建設成本；而且1500V系統支持更大的光伏陣列，可以減少箱式變壓器和逆變器數量，從而降低安裝和維護成本；此外，電壓提高後，交直流線纜損耗可有效降低，從而實現發電效率的提升。因此，提升電壓等級必將成為未來電-氫多能互補型微電網架構的發展趨勢。
然而，提升電壓給系統帶來收益的同時也帶來了眾多挑戰，如電氣安全性降低、對原材料的耐壓和可靠性要求提高以及對AC-DC、DC-DC變換器輸入電壓等級的要求提高等。
就1500V以及未來有可能出現的更高電壓等級的母線與電解槽連接處的DC-DC環節來看，該DC-DC變換器需要將直流母線電壓降至與電解槽相匹配的低電壓，但由於電力電子器件的耐壓水平有限，電壓等級提升後大多數現有的單拓撲Buck類電路已經難以滿足系統運行要求。因此，對於可承受高輸入電壓等級、具有降壓特性且電氣安全性較高的DC-DC變換器的研究至關重要。
- 有學者提出將DC-DC變換器在輸入側進行串聯以提高其電壓等級，在輸出側並聯以提高功率等級的輸入串聯、輸出並聯（Input-Series Output-Parallel, ISOP）結構，並指出該結構正常工作的前提是保證各子模塊在串聯側的電壓均衡。
- 有學者基於雙有源橋（Dual Active Bridge, DAB）變換器進行串並聯組合提出一種用於柔性直流配電的高頻鏈直流固態變壓器（DC Solid State Transformer, DCSST），其結構如圖2所示，並介紹了相應的控制和管理策略，但是由於集中電容的存在，該結構在子模塊故障時無法將故障模塊隔離，降低了系統運行的安全性和可靠性。
- 有學者通過將Boost電路和DAB電路級聯作為直流固態變壓器的子模塊，提出了具有故障切除能力的直流固態變壓器，當某一DAB單元發生故障時，令相應Boost電路的上管關斷、下管常通，並閉鎖故障DAB所有開關管使其從系統中切除，但該拓撲開關管數量較多。
圖2 基於DAB變換器的DCSST拓撲結構
基於以上分析，燕山大學電力電子節能與傳動控制河北省重點實驗室的科研人員提出一種雙有源橋（DAB）集成Boost變換器拓撲，並對其在PWM+移相控制方式下的工作原理和軟開關情況進行分析。
圖3 實驗樣機
科研人員對多個該變換器進行串並聯組合，得到可應用於電-氫多能互補型微電網中高電壓等級直流母線與制氫電解槽之間的DC-DC環節的輸入串聯-輸出並聯（ISOP）型直流變壓器。通過輸出電壓環、輸入穩壓環和輸入均壓環的聯合控制，ISOP型直流變壓器可以實現在串聯側的電壓均衡、並聯側的電壓穩定以及各子模塊變壓器一次、二次電壓匹配。在理論分析的基礎上搭建以STM32+FPGA為核心控制器的實驗樣機，驗證了所提出的電路拓撲的正確性及控制策略的有效性。
本文編自2021年第10期《電工技術學報》，論文標題為「一種用於電-氫多能互補型微電網的雙有源橋集成Boost拓撲及其控制」，作者為孫孝峰、張繪欣 等。
