多端口能量路由器交流接口拓?fù)渑c參數(shù)設(shè)計(jì)方法研究

方 釗

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司，湖北武漢 430000）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求量越來越大，能源危機(jī)與環(huán)境問題日益嚴(yán)重[1]。新能源發(fā)電技術(shù)、分布式發(fā)電技術(shù)得到了快速發(fā)展，但是分布式能源接入電網(wǎng)帶來了電網(wǎng)穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等方面的問題[2]。

多端口能源路由器能夠解決源、荷、儲(chǔ)以及電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行問題，能夠滿足用電設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量的要求[3]。

多端口能量路由器是一種電力電子設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)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(tài)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(tài)變壓器的能量路由器通常應(yīng)用于中高壓的應(yīng)用場(chǎng)合[7]?；诙喽丝谧儞Q器的能量路由器通常應(yīng)用于低壓的應(yīng)用場(chǎng)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(qiáng)，但是成本高，且控制復(fù)雜[12-13]。

本項(xiàng)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(wǎng)與直流母線電壓，新能源發(fā)電廠與直流母線，交流負(fù)載與直流母線。交流接口拓?fù)鋺?yīng)能滿足用電設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量以及并網(wǎng)電能質(zhì)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(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，且本項(xiàng)目研究的多端口能量路由器主要應(yīng)用于低壓場(chǎng)合，因此選擇T 型三電平變換器作為交流接口。

本項(xiàng)目還研究了交流接口的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 交流接口拓?fù)?/h2>

多端口型能量路由器采用共直流母線結(jié)構(gòu)，含有交流接口與直流接口，具有可靠性高、模塊化設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 多端口能量路由器拓?fù)?/p>

其中交流接口可連接交流電網(wǎng)與直流母線，連接新能源發(fā)電場(chǎng)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?fù)?/h3>

大功率的交流接口拓?fù)涑Ｓ卸娖阶儞Q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(yōu)點(diǎn)，其拓?fù)淙鐖D2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(gòu)成了呈T 型分布的a相功率管，表1 給出了四個(gè)開關(guān)管的狀態(tài)與T 型三電平變換器的輸出功率關(guān)系。

表1 開關(guān)狀態(tài)

2 參數(shù)設(shè)計(jì)

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

2.1 LCL濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)

一般情況下，交流接口側(cè)的濾波器可選擇L 濾波器或LCL 濾波器。而大功率場(chǎng)合，開關(guān)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(duì)于高頻諧波含量的抑制作用較為明顯。

圖3為L(zhǎng)CL 濾波器的電路簡(jiǎn)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(diǎn)與直流側(cè)中點(diǎn)之間的電壓降，vxN表示T 型三電平變換器中橋臂中點(diǎn)與交流側(cè)中性點(diǎn)之間的電壓降，Li表示T 型三電平變換器側(cè)的電感，Lg表示網(wǎng)側(cè)電感，Cf表示濾波器電容，ix表示流經(jīng)變換器側(cè)電感中的電流，igx表示流經(jīng)電源側(cè)電感中的電流，vgx表示電源側(cè)與交流中性點(diǎn)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(shè)計(jì)較大，則電流諧波含量低，但是其體積大，成本高，甚至導(dǎo)致電感兩端的降壓較高，進(jìn)而導(dǎo)致線路電壓跌落?？筛鶕?jù)電網(wǎng)線路電壓跌落上限設(shè)計(jì)電感的取值上限。

如圖3所示，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，電壓可表示為：

因此，電感最大值應(yīng)滿足：

式中，VxNmax為T 型三電平變換器以交流中點(diǎn)為參考點(diǎn)的最大輸出電壓。Vg為電源電壓最大值。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，交流接口的額定輸出功率為100 kW，直流側(cè)電壓為700 V，電網(wǎng)側(cè)電壓幅值為311 V。因此，Li+Lg應(yīng)小于0.58 mH。

2.1.2 電流紋波限制

T 型三電平變換器側(cè)的電感的高頻紋波主要來自變換器開關(guān)頻率。若假設(shè)LCL 濾波器中濾波電容兩端電壓與電網(wǎng)電壓相似，則在單個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電流的波動(dòng)為：

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

式中，fs為開關(guān)頻率，選取為10 kHz，若設(shè)計(jì)指標(biāo)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(yīng)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(shù)設(shè)計(jì)

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

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

3 結(jié)果分析

為驗(yàn)證提出的參數(shù)計(jì)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(wǎng)電流要求。

圖4 交流接口輸出電流波形

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了適用于多端口能量路由器的交流接口的拓?fù)銽 型三電平變換器，分析了該變換器的工作原理，并推導(dǎo)了其電路參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。采用該方法設(shè)計(jì)100 kWT 型三電平變換器的設(shè)備參數(shù)，仿真結(jié)果表明該參數(shù)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。