基于開關(guān)電容技術(shù)的新型交流PWM開關(guān)及其在微電網(wǎng)模式切換中的應(yīng)用

王玉斌 王廣柱

（山東大學(xué)電氣工程學(xué)院 濟(jì)南 250061）

1 引言

微電網(wǎng)進(jìn)行模式切換時的快速切換開關(guān)，目前一般采用基于晶閘管的固態(tài)開關(guān)（solid-state switch）[1-3]或者雙向晶閘管和高速機(jī)械開關(guān)并聯(lián)的混合式固態(tài)開關(guān)（hybrid solid-state switch）[4-6]。這些固態(tài)開關(guān)中的晶閘管，在模式切換時起著主導(dǎo)作用。由于晶閘管本身開關(guān)速度較慢，不可避免地會產(chǎn)生沖擊電流。尤其是晶閘管本身不具有自關(guān)斷能力（只能過零關(guān)斷），因此當(dāng)由于外部電網(wǎng)故障需要將微電網(wǎng)由并網(wǎng)快速切入孤島運(yùn)行時，從發(fā)出模式切換命令到真正關(guān)斷需要延遲近半個工頻周期，導(dǎo)致這段時間里微電網(wǎng)內(nèi)的電壓嚴(yán)重畸變，危害微電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

開關(guān)電容技術(shù)已在DC-DC變換器中得到成功應(yīng)用[7]，但至今未有將開關(guān)電容技術(shù)應(yīng)用到固態(tài)切換開關(guān)的報道。本文將對固態(tài)開關(guān)技術(shù)進(jìn)行深入研究，基于開關(guān)電容技術(shù)提出一種可變阻抗的新型交流PWM切換開關(guān)，將其與高速機(jī)械開關(guān)并聯(lián)，構(gòu)成一種新型混合固態(tài)切換開關(guān)，替代傳統(tǒng)的固態(tài)切換開關(guān)，可應(yīng)用于電路模式切換等多種場合，有效地限制暫態(tài)電流和開關(guān)分?jǐn)鄷r的電弧，為真正實(shí)現(xiàn)無縫切換奠定硬件基礎(chǔ)。

2 開關(guān)電容基本原理

開關(guān)電容的電路原理圖如圖1所示。若開關(guān)S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷，則V1向電容C充電；若開關(guān)S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通，則電容C向V2放電。因此，控制開關(guān)S1和S2的交替通斷，即可控制電容C的充放電。電容的每一次充放電，由V1傳送到V2的電荷量為

圖1 開關(guān)電容基本原理Fig.1 Principle of switched capacitor

若控制S1、S2高頻交替開關(guān)，即對電容進(jìn)行高頻充放電，則由V1流向V2的平均電流為

式中，f為開關(guān)頻率。式（2）可改寫為

式中，Req=1/fC，為電路的等效電阻。亦即圖1a的開關(guān)電容電路可由圖1b所示的等效電阻來等效。

因此，通過控制S1、S2高頻交替開關(guān)，即對電容進(jìn)行高頻充放電， 此時A、B之間的等值阻抗與開關(guān)頻率成反比。這里需要說明的是，以上公式描述的關(guān)系是在穩(wěn)態(tài)平均值的基礎(chǔ)上推導(dǎo)得出的。由于電容充放電是一個動態(tài)過程，當(dāng)對電容進(jìn)行高頻開關(guān)時，上述公式高頻下未必成立，但其穩(wěn)態(tài)平均關(guān)系依然成立。本文所研究的新型交流PWM開關(guān)，主要應(yīng)用在50Hz工頻場合，相對于高頻的開關(guān)頻率，50Hz工頻可以看作穩(wěn)態(tài)，因此上述推導(dǎo)的關(guān)系依然成立，后面的仿真和實(shí)驗(yàn)都證明了這一結(jié)論。目前開關(guān)電容多應(yīng)用在小功率場合，如信號處理中的有源濾波等。近十幾年來在DC-DC變換器中得到了成功和迅速的應(yīng)用。

3 新型交流PWM切換開關(guān)

基于開關(guān)電容技術(shù)的新型交流PWM切換開關(guān)（Switched Capacitor based AC PWM Transfer Switch,SCTS）的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，由開關(guān)電容單元C、S1、S2和整流器VD1～VD4等組成。其中VD1～VD4對交流電壓進(jìn)行整流，使加在開關(guān)電容單元A、B兩點(diǎn)的電壓為脈動直流（正弦半波）?？刂芐1、S2高頻交替開關(guān)，改變其開關(guān)頻率，即可改變開關(guān)電容單元的等效電阻，從而調(diào)節(jié)v1到v2的交流電流。

圖2 新型交流PWM切換開關(guān)的基本拓?fù)銯ig.2 Basic topology of new-type AC PWM transfer switch

本文擬將此新型SCTS應(yīng)用到微電網(wǎng)的模式切換中，為此先進(jìn)行了PSIM仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。電路仍如圖2所示，仿真和實(shí)驗(yàn)所用的參數(shù)見下表。為了模擬微電網(wǎng)并網(wǎng)時電壓源之間的偏差（如電壓幅值、相位等可能不同），仿真和實(shí)驗(yàn)時取V1rms=10V,V2rms=0。

表 交流PWM切換開關(guān)的主要參數(shù)Tab.Main parameters of AC PWM transfer switch

圖3a、圖3b和圖4分別給出了開關(guān)頻率為200kHz、100kHz、50kHz的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中每個圖中的三個波形分別是開關(guān)控制信號vS1、電源電壓v1和線路電流i1的波形。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致：當(dāng)S1和S2無控制信號處于關(guān)斷態(tài)時，線路電流i1為零；當(dāng)S1和S2施加高頻PWM控制信號處于交替開關(guān)時，且隨著開關(guān)頻率的提高，線路電流也相應(yīng)增大，即等效電阻減小。表明這種基于開關(guān)電容技術(shù)的新型PWM開關(guān)可以應(yīng)用到交流電路中，起到開關(guān)的作用，且其等值阻抗與開關(guān)頻率成反比，因此，可通過改變開關(guān)頻率來調(diào)節(jié)線路電流的大小。

圖3 新型交流PWM切換開關(guān)的仿真波形Fig.3 Simulation waveforms of new AC PWM transfer switch

圖4 新型交流PWM切換開關(guān)的實(shí)驗(yàn)波形（fsw=50kHz）Fig.4 Experimental waveforms of new AC PWM transfer switch when switching at 50kHz

4 新型交流PWM開關(guān)在微電網(wǎng)模式切換等應(yīng)用中的探討

這種基于開關(guān)電容技術(shù)的新型PWM切換開關(guān)SCTS，可與高速機(jī)械開關(guān)（Mechanical Switch,MS）并聯(lián)，從而構(gòu)成一種新型混合固態(tài)開關(guān)（New Hybrid Solid-state Switchgear,NHSS），如圖5中的虛線框所示。其中PWM產(chǎn)生電路負(fù)責(zé)在SCTS投入運(yùn)行時為開關(guān)器件S1和S2提供可調(diào)頻率的高頻開關(guān)信號。穩(wěn)態(tài)情況下線路電流通過機(jī)械開關(guān)MS，SCTS只是在切換期間才投入運(yùn)行，也就是說，當(dāng)需要接通線路時，SCTS先于MS開通；而當(dāng)需切斷線路時，SCTS在MS斷開后關(guān)斷。這樣可充分利用SCTS的可變阻抗特性，減小甚至消除NHSS投入時的沖擊電流、以及斷開時機(jī)械開關(guān)上的電弧。以下探討NHSS在故障電流限制、微電網(wǎng)無縫模式切換中的應(yīng)用。

圖5 NHSS用于故障電流限制的示意圖Fig.5 NHSS working under fault current limiting

4.1 故障電流限制

圖5 給出了NHSS用于故障電流限制的示意圖。正常工作時機(jī)械開關(guān)MS1流過全部負(fù)載電流，SCTS不投入運(yùn)行。當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到負(fù)載發(fā)生故障（如短路），在將SCTS投入運(yùn)行的同時，斷開MS1，即將故障電流轉(zhuǎn)移到SCTS支路?？刂葡到y(tǒng)為SCTS中的S1和S2提供PWM開關(guān)信號，使其在一定的開關(guān)頻率下高速交替開關(guān)，SCTS等效于一個可調(diào)的電阻，可將故障電流限制在允許的范圍之內(nèi)。一旦將故障電流轉(zhuǎn)移到SCTS支路，任何時刻切斷SCTS（即停止為S1和S2提供PWM信號），即可無沖擊地切斷故障電流。

利用PSIM進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真參數(shù)為：電源電壓Vsrms=220V，負(fù)載電阻R=20 Ω；開關(guān)電容C=2μF，開關(guān)頻率為50kHz，即SCTS的等效電阻為10Ω。

電路剛開始時正常運(yùn)行，10ms時負(fù)載發(fā)生短路，繼電器MS1斷開的同時SCTS投入；45ms時SCTS退出運(yùn)行。圖6給出了NHSS用于故障電流限制的仿真波形，自上而下分別是機(jī)械開關(guān)（如繼電器）控制信號、開關(guān)控制信號、電源電壓、負(fù)載電壓和負(fù)載電流的波形。從波形中可以看出，10ms后電流能安全轉(zhuǎn)移到SCTS支路，并將故障電流峰值限制在30A以內(nèi)。SCTS在45ms、即峰值電流時退出運(yùn)行，無任何電流沖擊。在10～45ms期間SCTS投入運(yùn)行時負(fù)載電流與圖4的實(shí)驗(yàn)波形相比較為平滑，實(shí)驗(yàn)波形較差是由于實(shí)驗(yàn)電路中分布參數(shù)以及電磁干擾等原因造成的。

圖6 NHSS用于故障電流限制的仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of NHSS working under fault current limiting

4.2 微電網(wǎng)模式切換

當(dāng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行時,并聯(lián)逆變器和系統(tǒng)中關(guān)鍵負(fù)載等一起構(gòu)成微電網(wǎng)[8]，微電網(wǎng)有并網(wǎng)和孤島兩種基本運(yùn)行模式。當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時，微電網(wǎng)運(yùn)行在并網(wǎng)模式，各逆變器以單位功率因數(shù)運(yùn)行，相當(dāng)于受控的電流源，此時并網(wǎng)輸出電流是與電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦波。而當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)故障時，微電網(wǎng)運(yùn)行在孤島模式，此時一個逆變器工作在獨(dú)立供電模式，為其他逆變器提供電壓支撐；其他逆變器工作則在并網(wǎng)模式，輸出受控的電流。

因此，微電網(wǎng)運(yùn)行時需要解決并網(wǎng)/孤島的模式切換問題，目前一般的方法是采用固態(tài)繼電器等。本文用NHSS取代固態(tài)繼電器，來實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的無縫模式切換。圖7給出了NHSS用于微電網(wǎng)模式切換的示意圖，圖中微電網(wǎng)（即逆變器組）通過NHSS與電網(wǎng)相連接，PWM產(chǎn)生電路負(fù)責(zé)在SCTS投入運(yùn)行時為開關(guān)器件S1和S2提供可調(diào)頻率的高頻開關(guān)信號。為簡化分析，這里僅研究單一逆變器由獨(dú)立供電模式向并網(wǎng)模式切換的情形。切換步驟如下[9]：

（1）檢測電網(wǎng)電壓是否正常。

（2）通過鎖相，調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓與電網(wǎng)電壓同步，即電壓幅值、相位、頻率等都相同。

（3）將SCTS投入運(yùn)行，然后控制機(jī)械開關(guān)MS1閉合，將并網(wǎng)電流轉(zhuǎn)移到MS1支路。

（4）將逆變器由電壓源輸出切換到電流源輸出模式。

模式切換過程中關(guān)鍵的第（3）步，如果采用固態(tài)繼電器，當(dāng)電網(wǎng)電壓與逆變器電壓不嚴(yán)格同步，即有少許偏差時，會有沖擊電流產(chǎn)生。而如果采用本文所提出的SCTS，利用其可變電阻特性，可將此時由于電壓不同步導(dǎo)致的并網(wǎng)沖擊電流限制在一定的范圍內(nèi)，從而保證系統(tǒng)的安全。

圖7 NHSS用于微電網(wǎng)無縫模式切換的示意圖Fig.7 NHSS working under smooth mode-transfer microgrid application

利用PSIM進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真參數(shù)為：電源電壓Vsrms=220V、初相位0°，開關(guān)電容C=2μF,開關(guān)頻率為50kHz，即SCTS的等效電阻為10Ω。

逆變器先以電壓源方式運(yùn)行，調(diào)節(jié)輸出電壓為210V，初相位10°，亦即逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓不同步。10ms時將SCTS投入，60ms時控制繼電器閉合、SCTS退出，之后將逆變器切換到電流源方式，向電網(wǎng)輸出5A電流。圖8給出了相應(yīng)的仿真波形，自上而下分別是機(jī)械開關(guān)（如繼電器）控制信號、開關(guān)控制信號、電源電壓vs和逆變器輸出電壓vs1、并網(wǎng)電流is的波形。從波形中可以看出，10ms并網(wǎng)時由于電壓不同步導(dǎo)致的并網(wǎng)沖擊電流得到有效的限制，并在60ms時安全地將逆變器切換到電流源運(yùn)行。同樣，10～60ms期間SCTS投入運(yùn)行時并網(wǎng)電流與圖4的實(shí)驗(yàn)波形相比較為平滑，實(shí)驗(yàn)波形較差是由于實(shí)驗(yàn)電路中分布參數(shù)以及電磁干擾等原因造成的。

圖8 NHSS用于微電網(wǎng)無縫模式切換的仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of NHSS working under smooth mode-transfer microgrid application

5 結(jié)論

本文基于開關(guān)電容技術(shù)，提出了一種新型PWM交流切換開關(guān)，將其與高速機(jī)械開關(guān)并聯(lián)，構(gòu)成一種新型混合固態(tài)切換開關(guān)，可應(yīng)用于電路模式切換等多種場合。探討了這種新型混合固態(tài)切換開關(guān)在故障電流限制、微電網(wǎng)模式切換中的應(yīng)用。主要結(jié)論如下：

（1）基于開關(guān)電容技術(shù)的新型PWM切換開關(guān)可以應(yīng)用到交流電路中，起到開關(guān)的作用，且其等值阻抗與開關(guān)頻率成反比。

（2）當(dāng)電路發(fā)生短路等故障時，將SCTS投入運(yùn)行，利用其可調(diào)阻抗的特性，可將故障電流限制在允許的范圍之內(nèi)。該開關(guān)可應(yīng)用到故障電流限制電路中，起到故障電流限制器的作用。

（3）該開關(guān)同樣可應(yīng)用到微電網(wǎng)并網(wǎng)/孤島的模式切換中，有效地限制并網(wǎng)時的沖擊電流以及斷開時可能產(chǎn)生的電弧，其性能要優(yōu)于常規(guī)的固態(tài)切換開關(guān)。

仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這種基于開關(guān)電容技術(shù)的新型PWM交流切換開關(guān)的合理性及有效性，但要將其實(shí)用化還有許多問題需要進(jìn)一步深入研究。

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