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：TP301 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：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，并且可以實現(xiàn)對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]。一個微電網(wǎng)中，為了實現(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，有可能會導(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、成本高的明顯劣勢外，對系統(tǒng)也會造成極其不利的影響。大電感的使用會降低系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，對電網(wǎng)擾動下的故障穿越方面不利[5]。大電容的吸收電流比較大，會導(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)或為本地交流負(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，為了保證對重要負(fù)荷的供電，當(dāng)其他電源不可用時，變換器也可能工作于獨立運行模式下。用于蓄電池或其他儲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（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，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)電壓過零檢測技術(shù)來實現(xiàn)。國家標(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斷開。

2.2 獨立模式

當(dāng)微電網(wǎng)或分布式電源與主網(wǎng)斷開時，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。在這種獨立運行模式下，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)可能會出現(xiàn)這樣的情況：兩個或更多的電力電子變換器切換到獨立模式并為本地重要負(fù)荷供電，這就需要各個變換器合理地均分負(fù)荷。若要合理分擔(dān)負(fù)荷，獨立運行模式下的并聯(lián)變換器需要采用附加控制。變換器并聯(lián)運行方法分為兩類：頻率及電壓下垂法；主從法，即其中一個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，蓄電池或其他儲能裝置用來解決負(fù)荷擾動和負(fù)荷快速變化的問題，換言之，儲能是為了補償波動性電源及負(fù)荷的變化，從而提高微電網(wǎng)的可靠性。此時，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橋臂（a，b，c）組成，每個橋臂具有兩個開關(guān)模塊（V-V，V- V，V -V）。這些開關(guān)模塊均由一個有源開關(guān)器件和一個與之反并聯(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)體場效應(yīng)管等。變換器的三個臂橋都與同一個DC-link（直流環(huán)節(jié)）電容C相連，這個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)動電路上的門極信號控制（例如，導(dǎo)通/關(guān)斷）。模塊V和V的門極信號可分別用g和g 表示，其中x分別為a，b，c。門極信號可以是0（器件關(guān)斷）或者1（器件導(dǎo)通）。但是，g 和g 不能同時為1，否則將使DC-link電容短路。因此，變換器工作時，每個臂橋的兩個門極信號g 和g是互補的（除了短暫的兩個門極信號均為0的死區(qū)時間）。

圖2表示了由所有合理的門極信號組合所決定的一個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，其中之一就是中點鉗位型（NPC）逆變器。