分布式電源系統接入微電網變換器的拓撲結構研究

尹江紅　韋樂　林嘉茵　韋海燕

關鍵詞：分布式電源；微電網；變換器；拓撲結構

中圖分類號：TP301 文獻標識碼：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，能夠解決電力系統容量限制的問題，提升效率，減少排放，并且可以實現對各種多樣性可再生能源的有效管控。在微電網中，使用電力電子變換器來控制功率潮流，并將電能轉換為適當的直流或交流形式[1]。一個微電網中，為了實現多種功能，需要不同類型的變換器，這些變換器將直流電能，轉換成50/60Hz的交流電能，并送入電網或當地負荷供電。目前大多數并網型的商用電力電子變換器都是電壓源型兩電平PWM （脈沖寬度調制）逆變器，濾波電路一般采用LCL濾波器，當電網電壓THD 較高時，有可能會導致電流的THD超過限定值[2]。

大多數商業化三相并網逆變器是以帶有LCL輸出濾波器的兩電平電壓源型PWM（脈寬調制）逆變橋拓撲為基礎[3]。受開關損耗主要因素的限制，隨著功率等級的增加，逆變器的開關頻率將趨于降低，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，對系統也會造成極其不利的影響。大電感的使用會降低系統的動態響應速度，對電網擾動下的故障穿越方面不利[5]。大電容的吸收電流比較大，會導致系統輸出功率因數降低；大電容為由于電網諧波電壓而產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接入交流電網或為本地交流負荷供電的變換器，其中分布式電源包括微型熱電聯供系統和可再生能源發電系統[7]。

2 微電網變換器的運行模式

一般來說，變換器用于將分布式電源系統與電網或其他電源并聯。但是，為了保證對重要負荷的供電，當其他電源不可用時，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，以便于這些裝置進行充放電。

2.1 并網模式

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，為本地負荷供電或向主網饋送電能。分布式發電設備的并網需要遵循相關的國家標準，這些標準要求分布式發電機不應該改變公共連接點（PCC）的電壓或與之沖突。注入電網的電流要有很高的質量，不能超過電流總諧波畸變率（THD）的上限。此外，注入電網的直流電流也有最大值限制。注入電網的功率既可以通過直接控制注入電網的電流來控制，也可以通過控制功率角來間接控制，后者應控制電壓波形為正弦。當電網電壓畸變嚴重時，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保持同步，這主要是通過鎖相環或電網電壓過零檢測技術來實現。國家標準規定分布式電源，包括電力電子變換器，應該具有防孤島效應特性，可在電網斷電的情況下從公共連接點斷開。

2.2 獨立模式

當微電網或分布式電源與主網斷開時，例如在防孤島保護系統的作用下，一般希望變換器能夠持續為本地重要負荷供電。在這種獨立運行模式下，無論負荷平衡及電流質量如何，變換器均需維持電壓和頻率為恒定值。如果負荷為非線性負荷，電流還可能產生嚴重的畸變。與主網分離的微電網可能會出現這樣的情況：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荷供電，這就需要各個變換器合理地均分負荷。若要合理分擔負荷，獨立運行模式下的并聯變換器需要采用附加控制。變換器并聯運行方法分為兩類：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負荷分配。

2.3 電池充電模式

在微電網中，蓄電池或其他儲能裝置用來解決負荷擾動和負荷快速變化的問題，換言之，儲能是為了補償波動性電源及負荷的變化，從而提高微電網的可靠性。此時，電力電子變換器可以看作是一種蓄電池充電器。

3 變換器的拓撲結構

3.1 兩電平變換器

目前大多數并網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模塊（V-V，V- V，V -V）。這些開關模塊均由一個有源開關器件和一個與之反并聯的電力二極管組成。其中有源開關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體場效應管等。變換器的三個臂橋都與同一個DC-link（直流環節）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。

開關模塊的通斷由通過施加到模塊驅動電路上的門極信號控制（例如，導通/關斷）。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（器件關斷）或者1（器件導通）。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狀態（s）。在兩電平變換器中，每一個橋臂有兩種可能的開關狀態：s = 1或0，相應的輸出相電壓分別為+V/2和-V/2。對于給定的開關狀態，導通路徑將根據電流方向發生改變。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。

采用兩電平并網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。