能源是人类社会发展的动力源泉，随着世界经济的高速发展，能源的需求量也在持续增加。从社会经济长远发展的角度来看，传统的化石燃料因为存在不可再生、易对环境造成污染等缺点，已经越来越不具有竞争力。
近年来，越来越多的国家开始关注、开发和利用光伏发电、风力发电和生物质能等清洁能源，而清洁能源因其环保、经济和可再生等优点，也必然成为应对环境污染和能源危机的有力武器。太阳能作为地球上存在的最丰富的可再生能源，在利用光伏电池将太阳能转化为电能的过程中不需要燃料供应，且不存在污染物的排放问题，具有很好的环保性和经济性。
氢能作为一种新兴的绿色能源，具有储量丰富、能量密度高和无毒无污染等优点。氢能转化为电能通常通过燃料电池来实现，由于燃料电池发电不经过热机过程，所以不受卡诺循环的限制，能量的转化率高。
在实际应用当中，光伏发电具有动态响应快但受天气影响较大的特点，而燃料电池具有稳定但动态响应慢的问题，两者的输出特性具有良好的互补性，因此可考虑综合两者的优点来建立联合发电系统，以获得持续稳定的电能，于是一种电-氢多能互补型微电网架构逐渐进入了人们的视野。
电-氢多能互补型微电网架构如图1所示，它包括由光伏发电、蓄电池构成的电能系统和由电解槽、储氢罐及燃料电池组成的氢能系统。光伏发电单元和蓄电池经DC-DC变换器连接到直流母线；直流母线除了由DC-AC变换器连接到交流电网，给电网输送功率之外，还需要给电解槽供电以完成电解制氢。电解槽所得到的氢气供给燃料电池用于发电，最终燃料电池产生的电能经DC-DC变换器回馈到直流母线。
图1 电-氢多能互补型微电网架构
对于该架构中的光伏发电部分来说，如何降低发电成本、提高发电效率是其未来发展的核心课题。而光伏产业要降本增效，升高电压是有效措施之一。随着我国光伏产业的蓬勃发展，目前1000V的母线电压等级已经不能满足要求。2014年，世界首个1500V电站由Firstsolar和GE联合建立，此后，1500V光伏系统逐渐在海外和国内领跑者项目中陆续使用。
相比于1000V系统，1500V系统中单串的组件数提高了50%，子光伏阵列的组串数降低了33%，减少了子光伏阵列中的电缆、汇流箱和支架等的数量，从而节省了建设成本；而且1500V系统支持更大的光伏阵列，可以减少箱式变压器和逆变器数量，从而降低安装和维护成本；此外，电压提高后，交直流线缆损耗可有效降低，从而实现发电效率的提升。因此，提升电压等级必将成为未来电-氢多能互补型微电网架构的发展趋势。
然而，提升电压给系统带来收益的同时也带来了众多挑战，如电气安全性降低、对原材料的耐压和可靠性要求提高以及对AC-DC、DC-DC变换器输入电压等级的要求提高等。
就1500V以及未来有可能出现的更高电压等级的母线与电解槽连接处的DC-DC环节来看，该DC-DC变换器需要将直流母线电压降至与电解槽相匹配的低电压，但由于电力电子器件的耐压水平有限，电压等级提升后大多数现有的单拓扑Buck类电路已经难以满足系统运行要求。因此，对于可承受高输入电压等级、具有降压特性且电气安全性较高的DC-DC变换器的研究至关重要。
- 有学者提出将DC-DC变换器在输入侧进行串联以提高其电压等级，在输出侧并联以提高功率等级的输入串联、输出并联（Input-Series Output-Parallel, ISOP）结构，并指出该结构正常工作的前提是保证各子模块在串联侧的电压均衡。
- 有学者基于双有源桥（Dual Active Bridge, DAB）变换器进行串并联组合提出一种用于柔性直流配电的高频链直流固态变压器（DC Solid State Transformer, DCSST），其结构如图2所示，并介绍了相应的控制和管理策略，但是由于集中电容的存在，该结构在子模块故障时无法将故障模块隔离，降低了系统运行的安全性和可靠性。
- 有学者通过将Boost电路和DAB电路级联作为直流固态变压器的子模块，提出了具有故障切除能力的直流固态变压器，当某一DAB单元发生故障时，令相应Boost电路的上管关断、下管常通，并闭锁故障DAB所有开关管使其从系统中切除，但该拓扑开关管数量较多。
图2 基于DAB变换器的DCSST拓扑结构
基于以上分析，燕山大学电力电子节能与传动控制河北省重点实验室的科研人员提出一种双有源桥（DAB）集成Boost变换器拓扑，并对其在PWM+移相控制方式下的工作原理和软开关情况进行分析。
图3 实验样机
科研人员对多个该变换器进行串并联组合，得到可应用于电-氢多能互补型微电网中高电压等级直流母线与制氢电解槽之间的DC-DC环节的输入串联-输出并联（ISOP）型直流变压器。通过输出电压环、输入稳压环和输入均压环的联合控制，ISOP型直流变压器可以实现在串联侧的电压均衡、并联侧的电压稳定以及各子模块变压器一次、二次电压匹配。在理论分析的基础上搭建以STM32+FPGA为核心控制器的实验样机，验证了所提出的电路拓扑的正确性及控制策略的有效性。
本文编自2021年第10期《电工技术学报》，论文标题为“一种用于电-氢多能互补型微电网的双有源桥集成Boost拓扑及其控制”，作者为孙孝峰、张绘欣 等。
