基于開關電容技術的新型交流PWM開關及其在微電網模式切換中的應用

王玉斌 王廣柱

（山東大學電氣工程學院 濟南 250061）

1 引言

微電網進行模式切換時的快速切換開關，目前一般采用基于晶閘管的固態開關（solid-state switch）[1-3]或者雙向晶閘管和高速機械開關并聯的混合式固態開關（hybrid solid-state switch）[4-6]。這些固態開關中的晶閘管，在模式切換時起著主導作用。由于晶閘管本身開關速度較慢，不可避免地會產生沖擊電流。尤其是晶閘管本身不具有自關斷能力（只能過零關斷），因此當由于外部電網故障需要將微電網由并網快速切入孤島運行時，從發出模式切換命令到真正關斷需要延遲近半個工頻周期，導致這段時間里微電網內的電壓嚴重畸變，危害微電網的安全運行。

開關電容技術已在DC-DC變換器中得到成功應用[7]，但至今未有將開關電容技術應用到固態切換開關的報道。本文將對固態開關技術進行深入研究，基于開關電容技術提出一種可變阻抗的新型交流PWM切換開關，將其與高速機械開關并聯，構成一種新型混合固態切換開關，替代傳統的固態切換開關，可應用于電路模式切換等多種場合，有效地限制暫態電流和開關分斷時的電弧，為真正實現無縫切換奠定硬件基礎。

2 開關電容基本原理

開關電容的電路原理圖如圖1所示。若開關S1導通，S2關斷，則V1向電容C充電；若開關S1關斷，S2導通，則電容C向V2放電。因此，控制開關S1和S2的交替通斷，即可控制電容C的充放電。電容的每一次充放電，由V1傳送到V2的電荷量為

圖1 開關電容基本原理Fig.1 Principle of switched capacitor

若控制S1、S2高頻交替開關，即對電容進行高頻充放電，則由V1流向V2的平均電流為

式中，f為開關頻率。式（2）可改寫為

式中，Req=1/fC，為電路的等效電阻。亦即圖1a的開關電容電路可由圖1b所示的等效電阻來等效。

因此，通過控制S1、S2高頻交替開關，即對電容進行高頻充放電， 此時A、B之間的等值阻抗與開關頻率成反比。這里需要說明的是，以上公式描述的關系是在穩態平均值的基礎上推導得出的。由于電容充放電是一個動態過程，當對電容進行高頻開關時，上述公式高頻下未必成立，但其穩態平均關系依然成立。本文所研究的新型交流PWM開關，主要應用在50Hz工頻場合，相對于高頻的開關頻率，50Hz工頻可以看作穩態，因此上述推導的關系依然成立，后面的仿真和實驗都證明了這一結論。目前開關電容多應用在小功率場合，如信號處理中的有源濾波等。近十幾年來在DC-DC變換器中得到了成功和迅速的應用。

3 新型交流PWM切換開關

基于開關電容技術的新型交流PWM切換開關（Switched Capacitor based AC PWM Transfer Switch,SCTS）的基本拓撲結構如圖2所示，由開關電容單元C、S1、S2和整流器VD1～VD4等組成。其中VD1～VD4對交流電壓進行整流，使加在開關電容單元A、B兩點的電壓為脈動直流（正弦半波）。控制S1、S2高頻交替開關，改變其開關頻率，即可改變開關電容單元的等效電阻，從而調節v1到v2的交流電流。

圖2 新型交流PWM切換開關的基本拓撲Fig.2 Basic topology of new-type AC PWM transfer switch

本文擬將此新型SCTS應用到微電網的模式切換中，為此先進行了PSIM仿真和實驗驗證。電路仍如圖2所示，仿真和實驗所用的參數見下表。為了模擬微電網并網時電壓源之間的偏差（如電壓幅值、相位等可能不同），仿真和實驗時取V1rms=10V,V2rms=0。

表 交流PWM切換開關的主要參數Tab.Main parameters of AC PWM transfer switch

圖3a、圖3b和圖4分別給出了開關頻率為200kHz、100kHz、50kHz的仿真和實驗結果，其中每個圖中的三個波形分別是開關控制信號vS1、電源電壓v1和線路電流i1的波形。仿真和實驗結果相一致：當S1和S2無控制信號處于關斷態時，線路電流i1為零；當S1和S2施加高頻PWM控制信號處于交替開關時，且隨著開關頻率的提高，線路電流也相應增大，即等效電阻減小。表明這種基于開關電容技術的新型PWM開關可以應用到交流電路中，起到開關的作用，且其等值阻抗與開關頻率成反比，因此，可通過改變開關頻率來調節線路電流的大小。

圖3 新型交流PWM切換開關的仿真波形Fig.3 Simulation waveforms of new AC PWM transfer switch

圖4 新型交流PWM切換開關的實驗波形（fsw=50kHz）Fig.4 Experimental waveforms of new AC PWM transfer switch when switching at 50kHz

4 新型交流PWM開關在微電網模式切換等應用中的探討

這種基于開關電容技術的新型PWM切換開關SCTS，可與高速機械開關（Mechanical Switch,MS）并聯，從而構成一種新型混合固態開關（New Hybrid Solid-state Switchgear,NHSS），如圖5中的虛線框所示。其中PWM產生電路負責在SCTS投入運行時為開關器件S1和S2提供可調頻率的高頻開關信號。穩態情況下線路電流通過機械開關MS，SCTS只是在切換期間才投入運行，也就是說，當需要接通線路時，SCTS先于MS開通；而當需切斷線路時，SCTS在MS斷開后關斷。這樣可充分利用SCTS的可變阻抗特性，減小甚至消除NHSS投入時的沖擊電流、以及斷開時機械開關上的電弧。以下探討NHSS在故障電流限制、微電網無縫模式切換中的應用。

圖5 NHSS用于故障電流限制的示意圖Fig.5 NHSS working under fault current limiting

4.1 故障電流限制

圖5 給出了NHSS用于故障電流限制的示意圖。正常工作時機械開關MS1流過全部負載電流，SCTS不投入運行。當控制系統檢測到負載發生故障（如短路），在將SCTS投入運行的同時，斷開MS1，即將故障電流轉移到SCTS支路。控制系統為SCTS中的S1和S2提供PWM開關信號，使其在一定的開關頻率下高速交替開關，SCTS等效于一個可調的電阻，可將故障電流限制在允許的范圍之內。一旦將故障電流轉移到SCTS支路，任何時刻切斷SCTS（即停止為S1和S2提供PWM信號），即可無沖擊地切斷故障電流。

利用PSIM進行了仿真驗證。仿真參數為：電源電壓Vsrms=220V，負載電阻R=20 Ω；開關電容C=2μF，開關頻率為50kHz，即SCTS的等效電阻為10Ω。

電路剛開始時正常運行，10ms時負載發生短路，繼電器MS1斷開的同時SCTS投入；45ms時SCTS退出運行。圖6給出了NHSS用于故障電流限制的仿真波形，自上而下分別是機械開關（如繼電器）控制信號、開關控制信號、電源電壓、負載電壓和負載電流的波形。從波形中可以看出，10ms后電流能安全轉移到SCTS支路，并將故障電流峰值限制在30A以內。SCTS在45ms、即峰值電流時退出運行，無任何電流沖擊。在10～45ms期間SCTS投入運行時負載電流與圖4的實驗波形相比較為平滑，實驗波形較差是由于實驗電路中分布參數以及電磁干擾等原因造成的。

圖6 NHSS用于故障電流限制的仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of NHSS working under fault current limiting

4.2 微電網模式切換

當逆變器并聯運行時,并聯逆變器和系統中關鍵負載等一起構成微電網[8]，微電網有并網和孤島兩種基本運行模式。當電網電壓正常時，微電網運行在并網模式，各逆變器以單位功率因數運行，相當于受控的電流源，此時并網輸出電流是與電網電壓同頻同相的正弦波。而當電網電壓出現故障時，微電網運行在孤島模式，此時一個逆變器工作在獨立供電模式，為其他逆變器提供電壓支撐；其他逆變器工作則在并網模式，輸出受控的電流。

因此，微電網運行時需要解決并網/孤島的模式切換問題，目前一般的方法是采用固態繼電器等。本文用NHSS取代固態繼電器，來實現微電網的無縫模式切換。圖7給出了NHSS用于微電網模式切換的示意圖，圖中微電網（即逆變器組）通過NHSS與電網相連接，PWM產生電路負責在SCTS投入運行時為開關器件S1和S2提供可調頻率的高頻開關信號。為簡化分析，這里僅研究單一逆變器由獨立供電模式向并網模式切換的情形。切換步驟如下[9]：

（1）檢測電網電壓是否正常。

（2）通過鎖相，調節逆變器的輸出電壓與電網電壓同步，即電壓幅值、相位、頻率等都相同。

（3）將SCTS投入運行，然后控制機械開關MS1閉合，將并網電流轉移到MS1支路。

（4）將逆變器由電壓源輸出切換到電流源輸出模式。

模式切換過程中關鍵的第（3）步，如果采用固態繼電器，當電網電壓與逆變器電壓不嚴格同步，即有少許偏差時，會有沖擊電流產生。而如果采用本文所提出的SCTS，利用其可變電阻特性，可將此時由于電壓不同步導致的并網沖擊電流限制在一定的范圍內，從而保證系統的安全。

圖7 NHSS用于微電網無縫模式切換的示意圖Fig.7 NHSS working under smooth mode-transfer microgrid application

利用PSIM進行了仿真驗證。仿真參數為：電源電壓Vsrms=220V、初相位0°，開關電容C=2μF,開關頻率為50kHz，即SCTS的等效電阻為10Ω。

逆變器先以電壓源方式運行，調節輸出電壓為210V，初相位10°，亦即逆變器輸出電壓與電網電壓不同步。10ms時將SCTS投入，60ms時控制繼電器閉合、SCTS退出，之后將逆變器切換到電流源方式，向電網輸出5A電流。圖8給出了相應的仿真波形，自上而下分別是機械開關（如繼電器）控制信號、開關控制信號、電源電壓vs和逆變器輸出電壓vs1、并網電流is的波形。從波形中可以看出，10ms并網時由于電壓不同步導致的并網沖擊電流得到有效的限制，并在60ms時安全地將逆變器切換到電流源運行。同樣，10～60ms期間SCTS投入運行時并網電流與圖4的實驗波形相比較為平滑，實驗波形較差是由于實驗電路中分布參數以及電磁干擾等原因造成的。

圖8 NHSS用于微電網無縫模式切換的仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of NHSS working under smooth mode-transfer microgrid application

5 結論

本文基于開關電容技術，提出了一種新型PWM交流切換開關，將其與高速機械開關并聯，構成一種新型混合固態切換開關，可應用于電路模式切換等多種場合。探討了這種新型混合固態切換開關在故障電流限制、微電網模式切換中的應用。主要結論如下：

（1）基于開關電容技術的新型PWM切換開關可以應用到交流電路中，起到開關的作用，且其等值阻抗與開關頻率成反比。

（2）當電路發生短路等故障時，將SCTS投入運行，利用其可調阻抗的特性，可將故障電流限制在允許的范圍之內。該開關可應用到故障電流限制電路中，起到故障電流限制器的作用。

（3）該開關同樣可應用到微電網并網/孤島的模式切換中，有效地限制并網時的沖擊電流以及斷開時可能產生的電弧，其性能要優于常規的固態切換開關。

仿真和實驗結果驗證了這種基于開關電容技術的新型PWM交流切換開關的合理性及有效性，但要將其實用化還有許多問題需要進一步深入研究。

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