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一、 引言

在交-直-交控制系統和風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源控制系統中，可再生能源的處理，一般有超級電容貯能、電磁軸承飛輪貯能、純電阻消耗及回饋并網(wǎng)等方法。針對大功率再生能源系統來(lái)講，超級電容貯能具有投入成本大、維護費用高等缺點(diǎn)；電磁軸承飛輪貯能目前仍在實(shí)驗室階段，可能存在一定技術(shù)難題；純電阻能耗制動(dòng)結構簡(jiǎn)單，運行可靠，操作方便，但發(fā)出的能量全部轉化為電阻的熱能消耗掉，所以效率非常低，在絕大多數可再生能源控制系統中是不適合應用的；而可再生能源回饋并網(wǎng)系統既可以解決效率低的問(wèn)題，又可以減少投入成本，提高運行效率，屬于當今世界的一種“綠色”電力電子變換技術(shù)。國內許多高校和研究所都把此當作研究熱點(diǎn)，查閱近幾年信息來(lái)看，其實(shí)在運行實(shí)際產(chǎn)品不多，大多數只談到實(shí)驗樣機，且樣機中幾個(gè)關(guān)鍵參數與實(shí)際產(chǎn)品有較大差距。針對此問(wèn)題，我們山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司投入大量人力、物力，用幾年的時(shí)間研發(fā)出兆瓦級的大功率可再生能源回饋并網(wǎng)裝置。

二、 系統控制原理

大電流再生能源回饋裝置的單個(gè)單元主電路如圖1所示。主電路拓撲采用三電平電路，每一相橋臂4個(gè)開(kāi)關(guān)元件有三種正常的開(kāi)關(guān)模式。

以A相為例：Ug1和Ug2導通時(shí)，A相輸出+U0/2；Ug2和Ug3導通時(shí)，A相輸出零電平；Ug3和Ug4導通時(shí)，A相輸出-U0/2。如果用Sa、Sb、Sc分別表示各橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，每一橋臂都有三種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，如表1所列。

當裝置功率大時(shí)，需要這樣幾個(gè)主電路并聯(lián)，并聯(lián)時(shí)需考慮均流與環(huán)流及其相位問(wèn)題，同時(shí)采用二極管鉗位的三電平電路需考慮直流端電容中點(diǎn)電位不平衡問(wèn)題，在軟件PWM波生成電路中尤其注重此點(diǎn)。

圖2是大功率再生能源回饋裝置的控制方塊圖。整個(gè)裝置的控制系統是電壓外環(huán)與電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制控制。在圖2中，1-系統母線(xiàn)給定值，2-電壓調節器，3-電流調節器，4-PWM信號生成部分，5-主功率器件電路，6-均流與環(huán)流抑制電路，7-交流電網(wǎng)，8-相電流檢測電路，9-相電壓檢測、同步信號生成及母線(xiàn)

電壓采集電路。首先裝置的控制系統實(shí)時(shí)檢測系統母線(xiàn)，當高于某一設定值時(shí)，系統投入工作，母線(xiàn)檢測值與母線(xiàn)設定值做差，其值輸入電壓調節器經(jīng)過(guò)一定控制運算，完成電壓外環(huán)的控制功能，電壓調節器的輸出便是電壓外環(huán)的輸出信號，同時(shí)也是電流內環(huán)的給定信號，其值與系統檢測到的實(shí)時(shí)電流做差，再經(jīng)過(guò)電流調節器的控制運算，完成電流內環(huán)的控制功能。此方塊的輸出直接送給PWM信號生成部分，其生成的PWM波送給主功率器件電路，最后多個(gè)主功率器件單元電路并聯(lián)，經(jīng)過(guò)均流與環(huán)流抑制電路直接連到交流電網(wǎng)上。整個(gè)大電流再生能源回饋裝置控制系統就是這樣電壓外環(huán)與電流內環(huán)相互作用的雙閉環(huán)控制系統。
三、 系統技術(shù)特點(diǎn)

大功率可再生能源回饋并網(wǎng)裝置實(shí)現了網(wǎng)側電流正弦化，且能運行于單位功率因數，呈現出電流源特性，因而真正實(shí)現了電力電子的“綠色”電能變換技術(shù)，控制系統技術(shù)特點(diǎn)簡(jiǎn)述如下：
（一）控制系統是電壓外環(huán)和電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制系統。電壓外環(huán)是母線(xiàn)電壓檢測值與設定值，以及網(wǎng)側相電壓的同步信號生成電路相互作用，經(jīng)過(guò)電壓調節器輸出電流內環(huán)的給定值。電流內環(huán)是整個(gè)控制系統的核心，其實(shí)，整個(gè)控制系統從核心上說(shuō)就是網(wǎng)側電流的控制，也就是電流內環(huán)的控制。
（二）控制系統網(wǎng)側呈電流源特性，容易做多單元并聯(lián)裝置，易于可再生能源回饋并網(wǎng)裝置大功率化，能大功率化需要解決許多實(shí)際問(wèn)題。
（三）網(wǎng)側功率因數可調，可再生能源回饋并網(wǎng)裝置可以做到負單位功率因數運行。
（四）網(wǎng)側電流波形正弦化，電流總諧波（THD）遠小于5%。
（五）主電路采用三電平電路，從電路拓撲上就有利于減小網(wǎng)側電流諧波且輸入輸出電壓范圍廣。
（六）控制系統采用數字化控制，運用了現代控制理論與現代電力電子技術(shù)相結合，使裝置易于控制，容易掌握。
（七）具有直流接反、過(guò)流、短路、溫度以及網(wǎng)側電壓異常等保護功能。
（八）具有動(dòng)態(tài)響應快，能在短時(shí)間內輸出大電流，整體效率高等優(yōu)點(diǎn)。
四、實(shí)驗結果分析

我公司做的大功率可再生能源回饋并網(wǎng)裝置經(jīng)鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監督檢驗中心檢驗證明：具有輸出功率大、網(wǎng)側電流波形好、整體效率高等特點(diǎn)。表2是功率因數、直流側輸入電壓、網(wǎng)側交流電流及整體效率的簡(jiǎn)表。

  表2  電壓、電流、效率、功率因數表

從表2中可以看出，隨網(wǎng)側電流的增大，其功率因數越來(lái)越接近于1，也就是說(shuō)其網(wǎng)側電流的總諧波（THD）越來(lái)越小，其整體效率有減少的趨勢。這也符合現代電力電子器件的特性，電流增大，器件的損耗增加，整體效率也就減少了。
表3是接表2的網(wǎng)側各相電流的諧波含量表。

表3各相電流諧波

                         
從表3中可以看出，隨著(zhù)大功率可再生能源回饋并網(wǎng)裝置網(wǎng)側輸出電流的增大，其網(wǎng)側電流諧波是越來(lái)越小的，在輸出網(wǎng)側電流265.4A以上時(shí)，其各相電流總諧波（THD）遠小于5%，同時(shí)表3內容趨勢是與表2也是相符的。
五、結論

我公司研制的大功率可再生能源回饋并網(wǎng)裝置是一種“綠色”電力電子變換控制系統，是電壓外環(huán)和電流內環(huán)相互作用的雙閉環(huán)控制系統，其網(wǎng)側功率因數高，波形正弦化，呈現電流環(huán)特性，容易做多單元并聯(lián)等特點(diǎn)，在城市軌道交通、靜止無(wú)功補償器、有源電力濾波器、統一潮流控制器、超導儲能、高壓直流輸電以及電氣傳動(dòng)、太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電等領(lǐng)域中應用。可以預言，在當今能源危機的時(shí)代中，此項技術(shù)將越來(lái)越被同行業(yè)人士重視起來(lái)。