李瑞生，翟登輝，郭寶甫，張 航

(許繼集團(tuán)研發(fā)中心，河南 許昌 461000)

三電平 DC/AC 電源轉(zhuǎn)換技術(shù)研究

李瑞生，翟登輝，郭寶甫，張 航

(許繼集團(tuán)研發(fā)中心，河南 許昌 461000)

以三電平 DC/AC 電源轉(zhuǎn)換為研究對(duì)象，分析對(duì)比拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從模塊化的工程應(yīng)用角度，采用改進(jìn) T 型方案開發(fā)出三電平 DC/AC 標(biāo)準(zhǔn)功率模塊，介紹其結(jié)構(gòu)及屏柜組裝方式，以滿足功率組合即插即用，并適應(yīng)分布式光伏發(fā)電、分布式風(fēng)力發(fā)電、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等多應(yīng)用場景。分析目前技術(shù)規(guī)范現(xiàn)狀?；诮恢绷骰旌衔㈦娋W(wǎng)的試驗(yàn)系統(tǒng)，闡述 DC/AC 模塊在不同應(yīng)用場景下的功能，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

隨機(jī)性電源；三電平 DC/AC；模塊化；即插即用

0 引言

目前，分布式光伏發(fā)電、分布式風(fēng)力發(fā)電、儲(chǔ)能技術(shù)正在蓬勃發(fā)展。另外，由于傳統(tǒng)燃油汽車持有量迅猛增加，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害，因此，節(jié)能環(huán)保的電動(dòng)汽車運(yùn)用而生，目前多數(shù)采用儲(chǔ)能技術(shù)的電動(dòng)汽車充換電站與電網(wǎng)之間為單向流動(dòng)，未來電動(dòng)汽車(Plug-in electric vehicles，PEVs)既可以作為一種隨機(jī)負(fù)荷，同時(shí)也充當(dāng)一種分布式儲(chǔ)能設(shè)備，也可以參與電網(wǎng)的局部能量平衡，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的雙向互動(dòng)(V2G 特性)，為大規(guī)模分布式電源接入電網(wǎng)，并網(wǎng)消納，提供特殊負(fù)荷。分布式光伏、分布式風(fēng)力、儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車以及由它們構(gòu)成的微電網(wǎng)(本文簡稱“多應(yīng)用場景”)都是采用相同的電源轉(zhuǎn)換裝置(DC/AC)接入電網(wǎng)，因此可以將其統(tǒng)一按照“隨機(jī)性電源”[1]考慮，如圖1 所示(虛框部分根據(jù)不同應(yīng)用場景中具體需求進(jìn)行選擇配置)。采用統(tǒng)一的 DC/AC 功率模塊，進(jìn)行自主并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)不同容量電源轉(zhuǎn)換的自由構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)相同的標(biāo)準(zhǔn)DC/AC 功率模塊在不同應(yīng)用場景下的即插即用。

圖1 隨機(jī)性電源經(jīng) DC/AC 接入電網(wǎng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of random power supply DC/AC connected to grid

目前 DC/AC 功率模塊采用的脈寬(PWM)電源轉(zhuǎn)換技術(shù)由兩電平向三電平、多電平發(fā)展。電平數(shù)是指 DC/AC 的輸出(濾波電感前(對(duì)母線電壓的中點(diǎn) N 的電壓等級(jí)的相電壓，若只有±U/2，則是兩電平，其線電壓為 0，±U；若只有 0，±U/2，則是三電平，其線電壓為 0，±U/2，±U；若電壓等級(jí)數(shù)大于 3，則是多電平，比如五電平的相電壓有 0，±U/4，±U /2，其線電壓為 0，±U /4，±U 2，±3 U /4，±U。如圖2 所示。

圖2 兩電平、三電平以及五電平的線電壓圖Fig. 2 Line voltage diagram of two level, three level and multilevel

相對(duì)于兩電平而言[2-3]，三電平具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：1) 諧波含量低，濾波電感量??；2) 開關(guān)頻率較低，開關(guān)損耗較小，開關(guān)動(dòng)作時(shí)的電壓變化率(du/dt)小，引起的電磁干擾(Electro Magnetic Interference，EMI)較??；3) 系統(tǒng)效率高，易于模塊化并聯(lián)。而多電平的電平數(shù)越多，其輸出電壓波形就越接近于正弦波，但是其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)較為復(fù)雜?；诖?，采用三電平 DC/AC 功率模塊，實(shí)現(xiàn)功率模塊自主并聯(lián)以構(gòu)成大容量電源轉(zhuǎn)換是隨機(jī)性電源即插即用的發(fā)展方向。

三電平 DC/AC 功率模塊可實(shí)現(xiàn)雙向、高功率密度、高轉(zhuǎn)換效率，但模塊化并聯(lián)是個(gè)難題，尤其實(shí)現(xiàn)無通信互聯(lián)線的自主并聯(lián)是較大的技術(shù)瓶頸。結(jié)合國家能源應(yīng)用技術(shù)研究項(xiàng)目《基于分層儲(chǔ)能的主動(dòng)配電網(wǎng)關(guān)鍵裝備研制》、國家 863 科技項(xiàng)目《高密度分布式能源接入交直流混合微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)》、國網(wǎng)公司科技項(xiàng)目《高滲透率分布式光伏發(fā)電中儲(chǔ)能技術(shù)研究及應(yīng)用》，以三電平 DC/AC 電源轉(zhuǎn)換裝置為研究對(duì)象，分別從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)比及T型結(jié)構(gòu)改進(jìn)、模塊化的工程應(yīng)用、技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)驗(yàn)證方面進(jìn)行研究。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)比

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

利用開關(guān)管來輔助中點(diǎn)箝位形成的三電平主電路拓?fù)溆傻聡鴮W(xué)者 Holtz 于 1977 年首次提出。目前將三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)歸納起來，主要有三種[4-5]：1)中點(diǎn) 箝 位 三 電 平 (Neutral Point Clamped Three-level Inverter，NPC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也稱二極管箝位三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；2)飛跨電容型三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；3)混合箝位式三電平結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 3 Three level topology

其中圖3(a)為 NPC 的典型結(jié)構(gòu)，屬于 I型拓?fù)?。除了典?NPC 三電平拓?fù)渫?，其衍生拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]主要有 I型帶電容分壓器結(jié)構(gòu)、I型有源 NPC、T 型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(分共集電極和共發(fā)射極兩種)，如圖4 所示。

圖4 NPC 三電平衍生拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 4 Three level NPC topology

1.2 幾種NPC拓?fù)浔容^

圖4(a)中，I型帶電容分壓器的 NPC 可以避免直接與直流側(cè)中點(diǎn)連接，進(jìn)而降低共模漏電流。圖4(b)中，I型有源 NPC 采用有源箝位方法，將傳統(tǒng)典型NPC 結(jié)構(gòu)中的箝位二極管改成了帶反并聯(lián)二極管的有源開關(guān)管，控制更加靈活，增加了續(xù)流回路，提高了系統(tǒng)控制自由度，但是控制方法相對(duì)復(fù)雜。圖4(c)代表 T 型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，另外 T 型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，用具有反向阻斷能力的新型功率開關(guān)管 RB-IGBT 代替反向串聯(lián)的開關(guān)管[6]，可以降低損耗、提高逆變效率并且減少電源轉(zhuǎn)換裝置體積，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 具有反向阻斷能力 RB-IGBT 的 T 型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 5 T type topology based on RB-IGBT

分析T型與I型差異：

(1) 耐壓方面，理論上 I型電路優(yōu)于 T 型電路，從實(shí)際應(yīng)用角度分析，二者相差不大。

(2) 損耗方面，當(dāng)開關(guān)頻率小于 20 kHz 時(shí)，T字型要優(yōu)于I型。

(3) 元件數(shù)量方面，T 字型少兩個(gè)二極管。

(4) 控制時(shí)序方面，I型需先關(guān)斷外管，再關(guān)斷內(nèi)管，防止母線電壓加在內(nèi)管上導(dǎo)致?lián)p壞，T型則無時(shí)序要求。

(5) 換流路徑方面，I型拓?fù)涞膿Q流路徑分為短換流路徑與長換流路徑，當(dāng)用分立模塊時(shí)，必須注意其雜散電感與電壓尖峰問題；T型拓?fù)涞耐夤芘c內(nèi)管之間的轉(zhuǎn)換路徑一致，只有一個(gè)換流回路，具體換流路徑如圖6所示。

圖6 I 型與 T 型換流路徑Fig. 6 Flow path of I type and T type

1.3 飛跨電容型與典型NPC比較

與典型 NPC 三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較，飛跨電容型優(yōu)點(diǎn)是：1) 克服了使用太多二極管的問題；2) 具有多種組合的開關(guān)方式，這些開關(guān)組合方式可以用來平衡電容上的電壓；3) 飛跨電容的存在使得輸出電壓的諧波畸變率和開關(guān)器件的 du/dt 相對(duì)較小，而且開關(guān)器件處于阻斷情況下電壓也比較均衡。飛跨電容型的缺點(diǎn)是：1) 需要大量的鉗位電解電容，系統(tǒng)體積大，不便于系統(tǒng)集成；2) 頻繁充放電使得鉗位電容壽命短，可靠性差。

NPC 三電平拓?fù)渑c飛跨電容型拓?fù)涞膶?duì)比結(jié)果見表1。

表1 NPC 與飛跨電容型拓?fù)鋵?duì)比Table 1 Comparison of two kinds of three level topology

1.4 混合箝位式與典型NPC比較

相對(duì)于典型 NPC 拓?fù)鋪碚f，混合箝位式增加了箝位電容，使得每個(gè)橋臂的第二、三功率管不能同時(shí)導(dǎo)通，否則，導(dǎo)致箝位電容短路，從而零電平的獲得便會(huì)出現(xiàn)兩種狀態(tài)，也就是說每一個(gè)橋臂的開關(guān)狀態(tài)由原來的三個(gè)增加到四個(gè)；另外，其電壓空間矢量增至64種，因此，增加了系統(tǒng)控制靈活性與復(fù)雜性。

1.5 改進(jìn)T型電路

傳統(tǒng)的 T 型電路存在以下問題：1) 共模濾波回路沒有和差模濾波回路解耦，共模濾波器諧振頻率較高，易發(fā)生諧振；2) 采用 SVPWM 算法時(shí)，中線上會(huì)通過較大的零序電流，會(huì)增加系統(tǒng)損耗。

綜合各種因素考慮，本文選用一種基于共模和差模濾波器解耦的結(jié)構(gòu)方案：將 LCL 濾波電容分為并聯(lián)的兩部分，僅將其中容值較小的濾波電容公共點(diǎn)引回直流側(cè)電容中點(diǎn)，以降低共模和差模濾波回路之間的耦合程度，便于兩者分別進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，如圖7所示。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不影響 LCL濾波器的濾波效果，共模濾波回路的電容可以取得較小，從而提高了回路阻抗，減小了中線電流，提高了共?；芈分C振頻率，避開了易發(fā)生諧振的頻段。

圖7 基于共模和差模濾波器解耦結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋱DFig. 7 Topology based on the common mode and differential mode filter decoupling structure

2 模塊化的工程應(yīng)用

2.1 標(biāo)準(zhǔn)功率模塊設(shè)計(jì)

相關(guān) DC/AC 設(shè)備制造廠家根據(jù)隨機(jī)性電源不同應(yīng)用場景設(shè)計(jì)開發(fā)出專用的電源轉(zhuǎn)換裝置，比如光伏逆變器、儲(chǔ)能變流器、風(fēng)機(jī)變流器以及充放電設(shè)備等電源轉(zhuǎn)換裝置，為實(shí)現(xiàn)通用化和標(biāo)準(zhǔn)化，開發(fā)設(shè)計(jì)了即插即用 DC/AC 標(biāo)準(zhǔn)功率模塊(以下統(tǒng)稱為“DC/AC 模塊”)，有以下特點(diǎn)：1) 易于模塊化設(shè)計(jì)；2) 系統(tǒng)穩(wěn)定性更好；3) 功率密度更高，產(chǎn)品體積更小；4) 可自主并聯(lián)。其中模塊化設(shè)計(jì)使部件靈活裝卸調(diào)配、易于擴(kuò)容維護(hù)、易于不同功率自由組合，能夠降低模塊內(nèi)部功率開關(guān)管的電流應(yīng)力，提高使用壽命。

DC/AC 模塊規(guī)格有 10 kW、20 kW 和 50 kW 三種容量，機(jī)箱高度分別為 2U、4U 和 6U 的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，如圖8 所示。DC/AC 模塊采用機(jī)架式設(shè)計(jì)，更大功率如 250 kW、500 kW 等采用標(biāo)準(zhǔn)屏柜安裝。

圖8 10 kW、20 kW 和 50 kW 的 DC/AC 模塊Fig. 8 DC/AC module of 10 kW, 20 kW and 50 kW

DC/AC 模塊可靈活組合，滿足不同系統(tǒng)不同容量需求，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)性電源功率匹配的即插即用；在功率模塊中植入不同的軟件功能，實(shí)現(xiàn)多應(yīng)用場景的即插即用，如圖9所示。

2.2 模塊化并聯(lián)

傳統(tǒng)單臺(tái) DC/AC 裝置容量已無法滿足當(dāng)前大功率應(yīng)用需求，如果繼續(xù)采用單臺(tái)大容量方案，流過器件的電流過大，設(shè)計(jì)較為困難、體積笨重。而模塊化并聯(lián)是解決該問題的一個(gè)有效途徑，能夠?qū)崿F(xiàn)冗余并聯(lián)方式運(yùn)行，提高系統(tǒng)可靠性，還可以實(shí)現(xiàn)源荷功率均分。模塊化并聯(lián)雖有很多優(yōu)點(diǎn)，但還需要解決以下問題[7]。

圖9 應(yīng)用于多應(yīng)用場景的標(biāo)準(zhǔn)屏柜Fig. 9 Standard cabinets applied in many scenes

1) 能量均勻問題，不同功率的模塊并聯(lián)，如 10 kW 與 50 kW 并聯(lián)組成 60 kW；相同功率的模塊并聯(lián)如 50 kW 與 50 kW 并聯(lián)組成 100 kW；并聯(lián)后必須對(duì)各模塊應(yīng)分擔(dān)的功率進(jìn)行均勻控制；否則，可能會(huì)導(dǎo)致單模塊通過電流過大而損壞。

2) 環(huán)流問題，模塊并聯(lián)后，將在直流側(cè)與交流側(cè)之間形成一個(gè)環(huán)流通路，模塊濾波參數(shù)的差異、占空比不一致、電壓電流相位不一致、死區(qū)時(shí)間不一致、開關(guān)動(dòng)作不一致等因素導(dǎo)致模塊之間出現(xiàn)環(huán)流，如果環(huán)流較大則導(dǎo)致器件損壞，因此必須進(jìn)行環(huán)流抑制。文獻(xiàn)[8]分析了并網(wǎng)逆變器并聯(lián)后產(chǎn)生環(huán)流的機(jī)理，建立了基于 dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的狀態(tài)平均模型，通過調(diào)節(jié)每個(gè)PWM周期的零矢量作用時(shí)間來抑制環(huán)流。文獻(xiàn)[9]通過設(shè)計(jì)一種環(huán)流阻抗控制器來對(duì)環(huán)流幅值和相位進(jìn)行解耦控制，有效抑制了環(huán)流。文獻(xiàn)[10]提出了一種虛擬阻抗的概念，通過控制將其等效為一個(gè)串聯(lián)阻抗，進(jìn)行了環(huán)流抑制。文獻(xiàn)[11-15]采用下垂控制策略對(duì)模塊并聯(lián)進(jìn)行了均流控制和環(huán)流抑制。具體模塊化并聯(lián)技術(shù)將在后續(xù)文章專門介紹。

3 技術(shù)規(guī)范

DC/AC 電源轉(zhuǎn)換作為隨機(jī)性電源接入配電網(wǎng)的功率接口關(guān)鍵技術(shù)，國內(nèi)外已有很多標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范，比如《DG 并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) IEEE Std.1547》、《Q GDW 564-2010 儲(chǔ)能系統(tǒng)接入配電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》、《NBT 32004-2013 光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器技術(shù)規(guī)范》、《NB/T 33002-2010 電動(dòng)汽車交流充電樁技術(shù)條件》等。

目前這些標(biāo)準(zhǔn)大多是針對(duì)特定應(yīng)用場景，比如光伏逆變器、儲(chǔ)能變流器、電動(dòng)汽車充放電設(shè)備等，并未對(duì) DC/AC 電源轉(zhuǎn)換技術(shù)的共性特征抽象提取。根據(jù)前述已開展的課題研究，申請(qǐng)的能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《三電平雙向 DC/AC 技術(shù)規(guī)范》已獲批，主要是把電源轉(zhuǎn)換 DC/AC 共性特征提取出來，規(guī)范 DC/AC輸入輸出、具備不同的控制模式、具備單向/雙向能量流動(dòng)特征，根據(jù)不同應(yīng)用場景，植入不同軟件，實(shí)現(xiàn)光伏逆變、風(fēng)機(jī)變流、儲(chǔ)能變流、充放電設(shè)備、協(xié)調(diào)控制器等不同應(yīng)用場景功能，實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換多應(yīng)用場景的即插即用。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 驗(yàn)證系統(tǒng)介紹

為滿足前述已開展的課題研究，搭建了交直流混合微電網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖10(虛框的 DC/DC 模塊可以根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需求選擇配置)。

圖10 交直流混合微電網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)接線Fig. 10 Test system wiring diagram of AC/DC hybrid microgrid

1) 應(yīng)用一(光伏/風(fēng)機(jī)變流器)

DC/AC 模塊采用恒功率控制模式(PQ 控制)方式單向并網(wǎng)發(fā)電：(1) 應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)，構(gòu)成光伏逆變器，根據(jù)系統(tǒng)需求選擇是否與 DC/DC 模塊配合使用；(2) 應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，構(gòu)成風(fēng)機(jī)變流器。

2) 應(yīng)用二(儲(chǔ)能變流器/充放電設(shè)備)

DC/AC 模塊，是否需要與 DC/DC 模塊配合使用，可以根據(jù)直流側(cè)電壓大小確定。

(1) 離網(wǎng)運(yùn)行，對(duì)儲(chǔ)能變流器來說，一種是采用恒定電壓頻率控制模式(V/f控制)構(gòu)成儲(chǔ)能變流器，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流負(fù)載單獨(dú)供電；一種是用于微電網(wǎng)時(shí)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)等控制，采用下垂(droop)控制或者虛擬同步機(jī)(VSG)控制，實(shí)現(xiàn)多機(jī)無通信線并聯(lián)運(yùn)行，自動(dòng)對(duì)負(fù)荷功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)合理分配。

(2) 并網(wǎng)運(yùn)行，采用 PQ 控制方式構(gòu)成儲(chǔ)能變流器或充放電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)電池與電網(wǎng)之間的能量雙向互動(dòng)。或者采用 droop 控制、VSG 控制參與電網(wǎng)的調(diào)頻調(diào)壓。

(3) 應(yīng)用 三(交 直流 混合微 電網(wǎng) ，協(xié)調(diào) 控制器)DC/AC 模塊應(yīng)用于交直流混合微電網(wǎng)，作為圖11中協(xié)調(diào)控制器使用，主要有如下所述功能。

a) 交流電網(wǎng)正常連接：交流微電網(wǎng)與交流電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行；協(xié)調(diào)控制器采用恒電壓控制(V 控制)，用于穩(wěn)定直流微電網(wǎng)的直流母線電壓，保證直流微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

b) 交流電網(wǎng)斷開：協(xié)調(diào)控制器的具體工作狀態(tài)有以下幾種情況：① 選擇直流微電網(wǎng)的一個(gè)用于儲(chǔ)能的 DC/DC 模塊來穩(wěn)定直流側(cè)母線電壓，潮流控制器采用 V/f控制方式穩(wěn)定交流微電網(wǎng)的交流母線電壓。② 選擇交流微電網(wǎng)的一個(gè)儲(chǔ)能用 DC/AC 模塊來穩(wěn)定交流側(cè)母線電壓，協(xié)調(diào)控制器采用V控制方式穩(wěn)定直流微電網(wǎng)的直流母線電壓；③ 選擇直流微電網(wǎng)的一個(gè)儲(chǔ)能用 DC/DC 模塊來穩(wěn)定直流側(cè)母線電壓，選擇交流微電網(wǎng)的一個(gè)儲(chǔ)能用 DC/AC 模塊來穩(wěn)定交流側(cè)母線電壓，協(xié)調(diào)控制器處于備用狀態(tài)，當(dāng)交流微電網(wǎng)或直流微電網(wǎng)內(nèi)部出現(xiàn)能量不平衡時(shí)，協(xié)調(diào)控制器采用 PQ 控制方式進(jìn)行能量協(xié)調(diào)。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì) DC/AC 模塊在多應(yīng)用場景下的特定功能，為驗(yàn)證功能有效性，采用圖7的基于共模和差模濾波器解耦結(jié)構(gòu)拓?fù)溲兄屏?DC/AC 模塊，在圖11 試驗(yàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，分別對(duì)應(yīng)用一、應(yīng)用二和應(yīng)用三進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，具體試驗(yàn)內(nèi)容見表2。

圖11 光伏并網(wǎng)逆變器的電壓和電流波形Fig. 11 Voltage and current wave of PV grid-connected inverter

表2 試驗(yàn)內(nèi)容Table 2 Test content

1) 試驗(yàn)一(光伏/風(fēng)機(jī)逆變，PQ 控制)

風(fēng)機(jī)變流器采用 AC/DC+DC/AC 電源轉(zhuǎn)換形式，其原理同光伏逆變器相同。

2) 試驗(yàn)二(儲(chǔ)能變流/充放電設(shè)備)

(1) 儲(chǔ)能變流器(離網(wǎng)，V/f控制)

針對(duì)應(yīng)用二， DC/AC 模塊用來穩(wěn)定交流側(cè)電壓和頻率，對(duì)交流負(fù)載供電。

圖12 中，DC/AC 模塊初始空載運(yùn)行，一段時(shí)間后，突加 10 kW 阻性負(fù)載，通道代表 DC/AC 模塊交流側(cè)電壓；代表 DC/AC 模塊直流母線側(cè)電壓；代表 DC/AC 模塊交流側(cè)負(fù)載電流；代表DC/AC 模塊直流側(cè)電流。圖13 表明，交流側(cè)電壓穩(wěn)定不變，直流側(cè)母線電壓稍微下降后快速趨于穩(wěn)定。

圖12 離網(wǎng)模式下交流側(cè)和直流側(cè)的電壓及電流Fig. 12 Voltage and current of AC side and DC side based on off-grid mode

(2) 儲(chǔ)能變流器(并網(wǎng)，VSG 控制)

圖13 并網(wǎng)模式下儲(chǔ)能變流器的電壓和電流波形Fig. 13 Voltage and current wave of stored energy converter based on on-grid mode

(3) 充放電設(shè)備(PQ 控制)

針對(duì)應(yīng)用二，DC/AC 模塊作為充放電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池與電網(wǎng)之間的能量雙向互動(dòng)。

① 充電

圖14 充電模式下交流側(cè)電壓及電流Fig. 14 Voltage and current of AC side based on charge mode

② 放電

圖15 為蓄電池從 0 kW 到 20 kW 的放電波形，通道代表電網(wǎng)電壓；通道代表交流側(cè)電流。

圖15 放電模式下交流側(cè)電壓及電流Fig. 15 Voltage and current of AC side based on discharge mode

③ 放電—充電轉(zhuǎn)換

圖16 為蓄電池從 20 kW 放電到 20 kW 充電的波形，通道代表電網(wǎng)電壓；通道代表交流電流。

圖16 放電-充電轉(zhuǎn)換的交流側(cè)電壓及電流Fig. 16 Voltage and current of AC side based on discharge-charge mode

3) 試驗(yàn)三(交直流混合微電網(wǎng)，協(xié)調(diào)控制器)

針對(duì)應(yīng)用三，DC/AC 模塊用作協(xié)調(diào)控制器，當(dāng)工作于 V/f控制時(shí)，波形同如圖13。當(dāng)工作于 PQ 控制模式時(shí)，波形同圖4—圖16。

當(dāng)交流電網(wǎng)正常連接，DC/AC 模塊采用 V 控制方式穩(wěn)定直流微電網(wǎng)直流母線電壓，波形如圖17。

圖17 并網(wǎng)模式下交流側(cè)和直流側(cè)的電壓及電流Fig. 17 Voltage and current of AC side and DC side based on grid mode

5 結(jié)語

(1) 分析對(duì)比三電平 DC/AC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用基于共模和差模濾波器解耦的改進(jìn)T型結(jié)構(gòu)方案，開發(fā)適用于模塊化的三電平 DC/AC 功率模塊。

(2) 從模塊化的工程應(yīng)用角度，介紹了 DC/AC標(biāo)準(zhǔn)模塊結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)多應(yīng)用場景和功率匹配的即插即用。

(3) 從技術(shù)規(guī)范角度，簡介三電平雙向 DC/AC技術(shù)規(guī)范現(xiàn)狀；

(4) 基于交直流混合微電網(wǎng)的試驗(yàn)系統(tǒng)，介紹了DC/AC 模塊在多應(yīng)用場景下的功能，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。但是對(duì)采用 VSG 控制來說，實(shí)現(xiàn)兩機(jī)無通信線并聯(lián)運(yùn)行是難點(diǎn)，需要下一步研究和試驗(yàn)。

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Research of three level DC/AC conversion technology

LI Ruisheng, ZHAI Denghui, GUO Baofu, ZHANG Hang
(XJ Group Corporation Research and Development Center, Xuchang 461000, China)

Taking DC/AC power conversion as the research object, this paper comparatively analyzes topology structure. From standpoint of modular engineering application, three level DC/AC standard power module is developed based on improved T scheme and the structure and cabinet assembly are introduced in order to meet the power combination of plug and play, and then to adapt to photovoltaic power generation, wind power generation, energy storage, electric vehicles and other application scenarios. Current situation of technical specifications and standards are analyzed. The function of the DC/AC module in different application scenarios is illustrated and the experiments are carried out based on AC-DC hybrid microgrid test system.

random power supply; three level DC/AC; modularization; plug and play

10.7667/PSPC201615

：2016-05-28

李瑞生(1966-)，男，碩士，教高，研究方向?yàn)槔^電保護(hù)、分布式發(fā)電接入及微電網(wǎng)穩(wěn)定控制運(yùn)行等；E-mail: ruishengl@ 139.com

(編輯 葛艷娜)

國家能源應(yīng)用技術(shù)研究及工程示范(NY20150302)

翟登輝(1984-)，男，通信作者，碩士，工程師，研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電、微電網(wǎng)系統(tǒng)研究以及關(guān)鍵電力電子設(shè)備的開發(fā)。E-mail: zdh-11123@163.com