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

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

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（V-V，V- V，V -V）。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緣栅双极型晶体管，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。

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V和V的门极信号可分别用g和g 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，g 和g 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g 和g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（s）。在两电平变换器中，每一个桥臂有两种可能的开关状态：s = 1或0，相应的输出相电压分别为+V/2和-V/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。

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。