分布式电源系统接入微电网变换器的拓扑结构研究_尹江红.pdf

本栏目责任编辑：王力本期推荐Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第18卷第36期(2022年12月)第18卷第36期(2022年12月)分布式电源系统接入微电网变换器的拓扑结构研究尹江红，韦乐，林嘉茵，韦海燕（广西水利电力职业技术学院，广西 南宁 530023）摘要：文章研究了具有微电网变换器的分布式电力系统的拓扑结构。分析了目前大多数并网型的商用电力电子变换器都是采用电压源型两电平PWM（脉冲宽度调制）逆变器。同时还分析了多电平变换器，包括重点钳位型（NPC）逆变器和H桥级联型变换器。多电平逆变器具有能够减小电压跃变幅度的优点，在电流纹波一定的情况下，其滤波电感的体积和成本更小。并通过建模得到变换器和相应的为变换器模块提供门极控制信号的载波调制函数，实现SPWM和SPWM+三次谐波调制技术切换，以及调整变换器调制系数的手动控制部分。关键词：分布式电源；微电网；变换器；拓扑结构中图分类号：TP301文献标识码：A文章编号：1009-3044(2021)36-0012-06开放科学（资源服务）标识码（OSID）：1 引言含有可再生能源的分布式电源通过接入微电网，能够解决电力系统容量限制的问题，提升效率，减少排放，并且可以实现对各种多样性可再生能源的有效管控。在微电网中，使用电力电子变换器来控制功率潮流，并将电能转换为适当的直流或交流形式1。一个微电网中，为了实现多种功能，需要不同类型的变换器，这些变换器将直流电能，转换成50/60Hz的交流电能，并送入电网或当地负荷供电。目前大多数并网型的商用电力电子变换器都是电压源型两电平PWM（脉冲宽度调制）逆变器，滤波电路一般采用LCL滤波器，当电网电压 THD 较高时，有可能会导致电流的THD超过限定值2。大多数商业化三相并网逆变器是以带有LCL输出滤波器的两电平电压源型PWM（脉宽调制）逆变桥拓扑为基础3。受开关损耗主要因素的限制，随着功率等级的增加，逆变器的开关频率将趋于降低，因此，大功率型逆变器往往具有过于庞大的滤波元件4。大型滤波器除了体积大、成本高的明显劣势外，对系统也会造成极其不利的影响。大电感的使用会降低系统的动态响应速度，对电网扰动下的故障穿越方面不利5。大电容的吸收电流比较大，会导致系统输出功率因数降低；大电容为由于电网谐波电压而产生的谐波电流提供了一条便捷路径，造成输出电流总谐波畸变率（THD）的增加6。鉴于此，本文提分析了使分布式电源系统接入交流电网或为本地交流负荷供电的变换器，其中分布式电源包括微型热电联供系统和可再生能源发电系统7。2 微电网变换器的运行模式一般来说，变换器用于将分布式电源系统与电网或其他电源并联。但是，为了保证对重要负荷的供电，当其他电源不可用时，变换器也可能工作于独立运行模式下。用于蓄电池或其他储能装置上的变换器还需要具备双向特征，以便于这些装置进行充放电。2.1 并网模式在这种运行模式下，分布式电源通过变换器与其他电源并联，为本地负荷供电或向主网馈送电能。分布式发电设备的并网需要遵循相关的国家标准，这些标准要求分布式发电机不应该改变公共连接点（PCC）的电压或与之冲突。注入电网的电流要有很高的质量，不能超过电流总谐波畸变率（THD）的上限。此外，注入电网的直流电流也有最大值限制。注入电网的功率既可以通过直接控制注入电网的电流来控制，也可以通过控制功率角来间接控制，后者应控制电压波形为正弦。当电网电压畸变严重时，由于控制功率角的模式不能直接控制输出电流，因此该方法不能有效降低输出电流的总谐波畸变率（THD）。实际上，变换器的输出电流或电压必须与电网保持同步，这主要是通过锁相环或电网电压过零检测技术来实现。国家标准规定分布式电源，包括电力电子变换收稿日期：2022-07-25项目基金：2021年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目（项目编号：2021KY1095）作者简介：尹江红（1980），女，高级工程师，研究方向为自动检测技术、电力测量相关方面研究教学；韦乐（1985），男，讲师，研究方向为自动控制；林嘉茵（1982），女，工程师，研究方向为自动控制；韦海燕（1972），女，讲师，研究方向为电力系统及自动化。E-mail：http：/Tel：+86-551-65690963 65690964ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术Vol.18,No.36,December202212DOI:10.14004/ki.ckt.2022.2247本期推荐本栏目责任编辑：王力Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第18卷第36期(2022年12月)第18卷第36期(2022年12月)器，应该具有防孤岛效应特性，可在电网断电的情况下从公共连接点断开。2.2 独立模式当微电网或分布式电源与主网断开时，例如在防孤岛保护系统的作用下，一般希望变换器能够持续为本地重要负荷供电。在这种独立运行模式下，无论负荷平衡及电流质量如何，变换器均需维持电压和频率为恒定值。如果负荷为非线性负荷，电流还可能产生严重的畸变。与主网分离的微电网可能会出现这样的情况：两个或更多的电力电子变换器切换到独立模式并为本地重要负荷供电，这就需要各个变换器合理地均分负荷。若要合理分担负荷，独立运行模式下的并联变换器需要采用附加控制。变换器并联运行方法分为两类：频率及电压下垂法；主从法，即其中一个变换器作为主变换器，保持电压和频率，并通过与其他变换器的通信实现负荷分配。2.3 电池充电模式在微电网中，蓄电池或其他储能装置用来解决负荷扰动和负荷快速变化的问题，换言之，储能是为了补偿波动性电源及负荷的变化，从而提高微电网的可靠性。此时，电力电子变换器可以看作是一种蓄电池充电器。3 变换器的拓扑结构3.1 两电平变换器目前大多数并网型的商用电力电子变换器都如图1所示的电压源型两电平PWM（脉冲宽度调制）逆变器。三相两电平变换器由三个桥臂（a,b,c）组成，每个桥臂具有两个开关模块（V1a-V2a,V1b-V2b,V1c-V2c）。这些开关模块均由一个有源开关器件和一个与之反并联的电力二极管组成。其中有源开关器件可以采用绝缘栅双极型晶体管，绝缘门极换流晶闸管和金属氧化物半导体场效应管等。变换器的三个臂桥都与同一个DC-link（直流环节）电容C相连，这个电容可以给模块中快速变化的电流提供低电感流通路径。图1 两电平变换器的拓扑开关模块的通断由通过施加到模块驱动电路上的门极信号控制（例如，导通/关断）。模块V1x和V2x的门极信号可分别用g1x和g2x表示，其中x分别为a,b,c。门极信号可以是0（器件关断）或者1（器件导通）。但是，g1x和g2x不能同时为1，否则将使DC-link电容短路。因此，变换器工作时，每个臂桥的两个门极信号g1x和g2x是互补的（除了短暂的两个门极信号均为0的死区时间）。图2表示了由所有合理的门极信号组合所决定的一个桥臂可能存在的开关状态（sx）。在两电平变换器中，每一个桥臂有两种可能的开关状态：sx=1或0，相应的输出相电压分别为+VDC/2和-VDC/2。对于给定的开关状态，导通路径将根据电流方向发生改变。需要注意的是，相电压完全由门极信号决定，而与相电流方向无关。图2 两电平变换器一个桥臂的开关状态和流通路径3.2 NPC变换器拓扑结构采用两电平并网逆变器滤波器的体积可能会非常大，成本也比较高。其体积可以通过两种方法来减小提高变换器的开关频率和降低变换器的电压的跃变幅度。由于电力电子装置损耗的限制，随着装置和变换器额定功率的增大，其开关频率会减小，这意味着大功率两电平变换器需要配置不成比例的庞大滤波器。为了解决上述问题，提出了多电平变换器，其中之一就是中点钳位型（NPC）逆变器。图3 NPC变换器的拓扑如图3所示，中性点钳位变换器由四个开关模块()V1x-V4x和两个二极管()D5x和D6x组成。直流环节包 括 两 个 在 变 换 器 中 点（NP）相 连 接 的 电 容 器13本栏目责任编辑：王力本期推荐Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第18卷第36期(2022年12月)第18卷第36期(2022年12月)()C1和C2。（钳位）二极管D5x和D6x的作用是将内、外开关模块连接点的电压钳位在中点电压，该拓扑由此而得名，这也使得在每个变化器模块能够以直流侧单个电容电压为变换幅度，若两个电容相等，则每个模块的变化电压为VDC2。门极信号可以随时触发NPC变换器任一桥臂上的两个相邻的模块，同时导通同一桥臂的上/下三个模块将会使相应的DC-link上/下电容器短路，而同时导通四个模块将会使整个DC-link短路。所以，每个桥臂有如图4所示的三种有效而不同的开关状态，sx=2、1或0，相对应的输出相电压分别为+VDC2、vNP、-VDC2。同样，导通路径将根据电流方向发生改变，而相电压不受其影响。图4 一个NPC变换器桥臂的开关状态与导通路径3.3 CHB变换器拓扑结构与两电平变换器和三电平NPC变换器不同，级联H桥（CHB）变换器不是由三个与同一DC-link电容并联的桥臂组成，而是由三个H桥模块单元（单相、三电平变换器）组成，每一模块单元拥有独立的DC-link。与两电平变换器和NPC变换器相比，CHB变换器要输出相同的（基波）电压，每一模块单元输出所需要的DC-link的电压减少一半。如图5所示，模块单元DC-link电压由VDC变为VDC2，在NPC变换器中，模块的变换电压（幅度）为VDC2。图5中三个模块单元在一个共同的中性点n相连。图5 CHB变换器的拓扑根据模块单元不同桥臂上任意两个开关组合的导通方式，每个模块单元有4种不同的开关状态。图6表示了可能的开关状态和导通路径。对于NPC变换器，状态2和状态0对应的输出电压分别为+VDC2和-VDC2。剩下的两种状态1a和1b，由于模块单元的输出（x）与中性点（n）相连，所以输出电压为0。4 脉冲宽度调制策略脉冲宽度调制（PMW）可以产生脉冲电压波形，其平均值与所期望的基准信号相等。根据实现方式的不同，脉冲宽度调制策略可以分为基于载波的调制策略和空间矢量调制（SVM）策略，本文以基波的调制策略来分析。4.1 基于载波的调制策略基于载波的调制策略利用一组参考信号与载波信号来生成变换器PWM电压。在三相变换器中，三个参考信号分别对应变换器的一个桥臂，参考信号相对VDC2进行了归一化处理，为相应相提供了输出电压的期望值。对于正弦脉冲宽度调制，a、b、c三相的参考信号分别为：va,ref=Mcos（1）vb,ref=Mcos()-23（2）14本期推荐本栏目责任编辑：王力Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第18卷第36期(2022年12月)第18卷第36期(2022年12月)vc,ref=Mcos()+23（3）式中，M为变换器调制系数（调制比）；为参考相角。图 7 给出了在使用单位调制系数的SPWM情况下，一个两电平变换器 a 相的载波信号、参考信号和PWM电压波形。图中所生产脉冲的宽度，是通过两电平变换器的参考信号与一个共同的载波信号相比较得到的。一般情况下，载波信号通常使用三角波，正、负峰值分别为+1和-1，其频率则与变换器的开关频率相同。当参考信号的值大于载波信号时，所对应相的桥臂开关状态sx为1，从而相电压就等+VDC2；相反，当状态sx变为 0 时，相 电 压 则 等 于-VDC2。据此，所得 x 相的PWM波的占空比为：图6 CHB变换器的一个H桥的开关状态和导通路径a)a相的参考信号和载波信号波形b)a相电压va波形c)两电平变换器的线电压vab波形图7 a相的参考信号和载波信号波形、相电压va波形和两电平变换器的线电压vab波形15本栏目责任编辑：王力本期推荐Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第18