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        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

        2022-02-22 01:07:20尹江紅韋樂林嘉茵韋海燕
        電腦知識(shí)與技術(shù) 2022年36期
        關(guān)鍵詞:拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微電網(wǎng)分布式電源

        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。

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