分布式電源系統(tǒng)接入微電網(wǎng)變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究

尹江紅　韋樂　林嘉茵　韋海燕

關(guān)鍵詞：分布式電源；微電網(wǎng)；變換器；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TP301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）36-0012-06

1 引言

含有可再生能源的分布式電源通過接入微電網(wǎng)，能夠解決電力系統(tǒng)容量限制的問題，提升效率，減少排放，并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種多樣性可再生能源的有效管控。在微電網(wǎng)中，使用電力電子變換器來控制功率潮流，并將電能轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)闹绷骰蚪涣餍问絒1]。一個(gè)微電網(wǎng)中，為了實(shí)現(xiàn)多種功能，需要不同類型的變換器，這些變換器將直流電能，轉(zhuǎn)換成50/60Hz的交流電能，并送入電網(wǎng)或當(dāng)?shù)刎?fù)荷供電。目前大多數(shù)并網(wǎng)型的商用電力電子變換器都是電壓源型兩電平PWM （脈沖寬度調(diào)制）逆變器，濾波電路一般采用LCL濾波器，當(dāng)電網(wǎng)電壓THD 較高時(shí)，有可能會(huì)導(dǎo)致電流的THD超過限定值[2]。

大多數(shù)商業(yè)化三相并網(wǎng)逆變器是以帶有LCL輸出濾波器的兩電平電壓源型PWM（脈寬調(diào)制）逆變橋拓?fù)錇榛A(chǔ)[3]。受開關(guān)損耗主要因素的限制，隨著功率等級(jí)的增加，逆變器的開關(guān)頻率將趨于降低，因此，大功率型逆變器往往具有過于龐大的濾波元件[4]。大型濾波器除了體積大、成本高的明顯劣勢(shì)外，對(duì)系統(tǒng)也會(huì)造成極其不利的影響。大電感的使用會(huì)降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)下的故障穿越方面不利[5]。大電容的吸收電流比較大，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)輸出功率因數(shù)降低；大電容為由于電網(wǎng)諧波電壓而產(chǎn)生的諧波電流提供了一條便捷路徑，造成輸出電流總諧波畸變率（THD）的增加[6]。

鑒于此，本文提分析了使分布式電源系統(tǒng)接入交流電網(wǎng)或?yàn)楸镜亟涣髫?fù)荷供電的變換器，其中分布式電源包括微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)和可再生能源發(fā)電系統(tǒng)[7]。

2 微電網(wǎng)變換器的運(yùn)行模式

一般來說，變換器用于將分布式電源系統(tǒng)與電網(wǎng)或其他電源并聯(lián)。但是，為了保證對(duì)重要負(fù)荷的供電，當(dāng)其他電源不可用時(shí)，變換器也可能工作于獨(dú)立運(yùn)行模式下。用于蓄電池或其他儲(chǔ)能裝置上的變換器還需要具備雙向特征，以便于這些裝置進(jìn)行充放電。

2.1 并網(wǎng)模式

在這種運(yùn)行模式下，分布式電源通過變換器與其他電源并聯(lián)，為本地負(fù)荷供電或向主網(wǎng)饋送電能。分布式發(fā)電設(shè)備的并網(wǎng)需要遵循相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)要求分布式發(fā)電機(jī)不應(yīng)該改變公共連接點(diǎn)（PCC）的電壓或與之沖突。注入電網(wǎng)的電流要有很高的質(zhì)量，不能超過電流總諧波畸變率（THD）的上限。此外，注入電網(wǎng)的直流電流也有最大值限制。注入電網(wǎng)的功率既可以通過直接控制注入電網(wǎng)的電流來控制，也可以通過控制功率角來間接控制，后者應(yīng)控制電壓波形為正弦。當(dāng)電網(wǎng)電壓畸變嚴(yán)重時(shí)，由于控制功率角的模式不能直接控制輸出電流，因此該方法不能有效降低輸出電流的總諧波畸變率（THD）。實(shí)際上，變換器的輸出電流或電壓必須與電網(wǎng)保持同步，這主要是通過鎖相環(huán)或電網(wǎng)電壓過零檢測(cè)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分布式電源，包括電力電子變換器，應(yīng)該具有防孤島效應(yīng)特性，可在電網(wǎng)斷電的情況下從公共連接點(diǎn)斷開。

2.2 獨(dú)立模式

當(dāng)微電網(wǎng)或分布式電源與主網(wǎng)斷開時(shí)，例如在防孤島保護(hù)系統(tǒng)的作用下，一般希望變換器能夠持續(xù)為本地重要負(fù)荷供電。在這種獨(dú)立運(yùn)行模式下，無論負(fù)荷平衡及電流質(zhì)量如何，變換器均需維持電壓和頻率為恒定值。如果負(fù)荷為非線性負(fù)荷，電流還可能產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變。與主網(wǎng)分離的微電網(wǎng)可能會(huì)出現(xiàn)這樣的情況：兩個(gè)或更多的電力電子變換器切換到獨(dú)立模式并為本地重要負(fù)荷供電，這就需要各個(gè)變換器合理地均分負(fù)荷。若要合理分擔(dān)負(fù)荷，獨(dú)立運(yùn)行模式下的并聯(lián)變換器需要采用附加控制。變換器并聯(lián)運(yùn)行方法分為兩類：頻率及電壓下垂法；主從法，即其中一個(gè)變換器作為主變換器，保持電壓和頻率，并通過與其他變換器的通信實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配。

2.3 電池充電模式

在微電網(wǎng)中，蓄電池或其他儲(chǔ)能裝置用來解決負(fù)荷擾動(dòng)和負(fù)荷快速變化的問題，換言之，儲(chǔ)能是為了補(bǔ)償波動(dòng)性電源及負(fù)荷的變化，從而提高微電網(wǎng)的可靠性。此時(shí)，電力電子變換器可以看作是一種蓄電池充電器。

3 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.1 兩電平變換器

目前大多數(shù)并網(wǎng)型的商用電力電子變換器都如圖1所示的電壓源型兩電平PWM（脈沖寬度調(diào)制）逆變器。三相兩電平變換器由三個(gè)橋臂（a，b，c）組成，每個(gè)橋臂具有兩個(gè)開關(guān)模塊（V-V，V- V，V -V）。這些開關(guān)模塊均由一個(gè)有源開關(guān)器件和一個(gè)與之反并聯(lián)的電力二極管組成。其中有源開關(guān)器件可以采用絕緣柵雙極型晶體管，絕緣門極換流晶閘管和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管等。變換器的三個(gè)臂橋都與同一個(gè)DC-link（直流環(huán)節(jié)）電容C相連，這個(gè)電容可以給模塊中快速變化的電流提供低電感流通路徑。

開關(guān)模塊的通斷由通過施加到模塊驅(qū)動(dòng)電路上的門極信號(hào)控制（例如，導(dǎo)通/關(guān)斷）。模塊V和V的門極信號(hào)可分別用g和g 表示，其中x分別為a，b，c。門極信號(hào)可以是0（器件關(guān)斷）或者1（器件導(dǎo)通）。但是，g 和g 不能同時(shí)為1，否則將使DC-link電容短路。因此，變換器工作時(shí)，每個(gè)臂橋的兩個(gè)門極信號(hào)g 和g是互補(bǔ)的（除了短暫的兩個(gè)門極信號(hào)均為0的死區(qū)時(shí)間）。

圖2表示了由所有合理的門極信號(hào)組合所決定的一個(gè)橋臂可能存在的開關(guān)狀態(tài)（s）。在兩電平變換器中，每一個(gè)橋臂有兩種可能的開關(guān)狀態(tài)：s = 1或0，相應(yīng)的輸出相電壓分別為+V/2和-V/2。對(duì)于給定的開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通路徑將根據(jù)電流方向發(fā)生改變。需要注意的是，相電壓完全由門極信號(hào)決定，而與相電流方向無關(guān)。

采用兩電平并網(wǎng)逆變器濾波器的體積可能會(huì)非常大，成本也比較高。其體積可以通過兩種方法來減小提高變換器的開關(guān)頻率和降低變換器的電壓的躍變幅度。由于電力電子裝置損耗的限制，隨著裝置和變換器額定功率的增大，其開關(guān)頻率會(huì)減小，這意味著大功率兩電平變換器需要配置不成比例的龐大濾波器。為了解決上述問題，提出了多電平變換器，其中之一就是中點(diǎn)鉗位型（NPC）逆變器。