多端口能量路由器交流接口拓撲與參數設計方法研究

方 釗

（國網湖北省電力有限公司，湖北武漢 430000）

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，對能源的需求量越來越大，能源危機與環境問題日益嚴重[1]。新能源發電技術、分布式發電技術得到了快速發展，但是分布式能源接入電網帶來了電網穩定性、經濟性等方面的問題[2]。

多端口能源路由器能夠解決源、荷、儲以及電網之間的協調運行問題，能夠滿足用電設備對電能質量的要求[3]。

多端口能量路由器是一種電力電子設備，可實現信息流、能量流的高度融合[4]。多端口能量路由器共有兩種，分別為基于固態變壓器的能量路由器[5]以及基于多端口變換器的能量路由器[6]。其中基于固態變壓器的能量路由器通常應用于中高壓的應用場合[7]。基于多端口變換器的能量路由器通常應用于低壓的應用場合[8-9]。

而多端口能量路由器也可分為兩類，分別為基于共母線型的能量路由器與集成型的能量路由器[10-11]。一般集成型能量路由器中包含中頻變壓器，隔離能力強，但是成本高，且控制復雜[12-13]。

本項目主要研究基于共母線型的能量路由器。能量路由器共具有兩類接口，分別為交流接口與直流接口。其中交流接口主要連接交流電網與直流母線電壓，新能源發電廠與直流母線，交流負載與直流母線。交流接口拓撲應能滿足用電設備對電能質量以及并網電能質量的要求。

相比于二電平變換器，T 型三電平變換器具有功率容量大、輸出電流諧波含量低、輸出電能質量高等優點，且本項目研究的多端口能量路由器主要應用于低壓場合，因此選擇T 型三電平變換器作為交流接口。

本項目還研究了交流接口的參數設計方法，并進行了仿真驗證。

1 交流接口拓撲

多端口型能量路由器采用共直流母線結構，含有交流接口與直流接口，具有可靠性高、模塊化設計、冗余設計等優點，如圖1所示。

圖1 多端口能量路由器拓撲

其中交流接口可連接交流電網與直流母線，連接新能源發電場與直流母線等，是多端口能量路由器的重要組成部分。

1.1 T型三電平變換器拓撲

大功率的交流接口拓撲常有二電平變換器、二極管鉗位型三電平變換器以及T 型三電平變換器。T型三電平變換器具有輸出電流諧波小、效率高、器件少等優點，其拓撲如圖2所示。

圖2 T型三電平變換器

1.2 工作原理

圖2中，S1、S2、T1、T2構成了呈T 型分布的a相功率管，表1 給出了四個開關管的狀態與T 型三電平變換器的輸出功率關系。

表1 開關狀態

2 參數設計

多端口能量路由器中交流接口的主要參數有LCL濾波器，T型三電平變換器側直流母線電容。

2.1 LCL濾波器參數設計

一般情況下，交流接口側的濾波器可選擇L 濾波器或LCL 濾波器。而大功率場合，開關頻率受到限制，諧波含量大，因此，常選擇LCL濾波器，L濾波器的體積與成本改變較大。而LCL 濾波器對于高頻諧波含量的抑制作用較為明顯。

圖3為LCL 濾波器的電路簡化示意圖。圖3中，x表示abc 三相，vxo表示T 型三電平變換器中橋臂中點與直流側中點之間的電壓降，vxN表示T 型三電平變換器中橋臂中點與交流側中性點之間的電壓降，Li表示T 型三電平變換器側的電感，Lg表示網側電感，Cf表示濾波器電容，ix表示流經變換器側電感中的電流，igx表示流經電源側電感中的電流，vgx表示電源側與交流中性點N之間的電壓降。

圖3 LCL濾波器電路

2.1.1 電感最大值限制

LCL 濾波器中電感設計較大，則電流諧波含量低，但是其體積大，成本高，甚至導致電感兩端的降壓較高，進而導致線路電壓跌落。可根據電網線路電壓跌落上限設計電感的取值上限。

如圖3所示，根據基爾霍夫電壓定律，電壓可表示為：

因此，電感最大值應滿足：

式中，VxNmax為T 型三電平變換器以交流中點為參考點的最大輸出電壓。Vg為電源電壓最大值。根據設計指標，交流接口的額定輸出功率為100 kW，直流側電壓為700 V，電網側電壓幅值為311 V。因此，Li+Lg應小于0.58 mH。

2.1.2 電流紋波限制

T 型三電平變換器側的電感的高頻紋波主要來自變換器開關頻率。若假設LCL 濾波器中濾波電容兩端電壓與電網電壓相似，則在單個開關周期內，電流的波動為：

由式（3）可知，當且僅當vgx取值為0.5Vdc時，則ΔIx最大值可表示為：

式中，fs為開關頻率，選取為10 kHz，若設計指標中電感電流紋波為額定值的15%，即Li可表示為：

因此，Li最小值為0.27 mH。為保證LCL 濾波器的濾波性能，Li可選擇為0.4 mH。

2.1.3 無功功率限制

LCL 濾波器中濾波電容消耗的無功功率應低于變換器的容量的5%，即：

因此，濾波電容的取值最大為110 μF。

減小濾波電容的容值可以降低無功功率，但是影響高頻電流濾波的性能，因此Cf取值為50 μF。

2.2 直流母線電容參數設計

T 型三電平變換器側的直流母線電容包含兩個電容Cd，主要需考慮兩電容間的中性點的電壓波動，常要求電容波動在額定電壓的3%內，因此Cd可表示為：

因此，Cd約為5 mF，若采用中性點電壓均衡控制策略，則中性點電壓波動較小，Cd選擇為1 mF。

3 結果分析

為驗證提出的參數計算方法，利用Matlab/simulink搭建了仿真模型。

圖4為T型三電平變換器的輸出電流波形。由圖4 可知，輸出電流中的諧波含量為0.98%，低于1%，滿足并網電流要求。

圖4 交流接口輸出電流波形

4 結論

本研究設計了適用于多端口能量路由器的交流接口的拓撲T 型三電平變換器，分析了該變換器的工作原理，并推導了其電路參數的設計方法。采用該方法設計100 kWT 型三電平變換器的設備參數，仿真結果表明該參數能夠達到設計要求。