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一、 引言

在交-直-交控制系統(tǒng)和風能、太陽能等可再生能源控制系統(tǒng)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(tǒng)來講，超級電容貯能具有投入成本大、維護費用高等缺點；電磁軸承飛輪貯能目前仍在實驗室階段，可能存在一定技術難題；純電阻能耗制動結構簡單，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(shù)可再生能源控制系統(tǒng)中是不適合應用的；而可再生能源回饋并網(wǎng)系統(tǒng)既可以解決效率低的問題，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。國內許多高校和研究所都把此當作研究熱點，查閱近幾年信息來看，其實在運行實際產(chǎn)品不多，大多數(shù)只談到實驗樣機，且樣機中幾個關鍵參數(shù)與實際產(chǎn)品有較大差距。針對此問題，我們山東新風光電子科技發(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(tǒng)控制原理

大電流再生能源回饋裝置的單個單元主電路如圖1所示。主電路拓撲采用三電平電路，每一相橋臂4個開關元件有三種正常的開關模式。

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

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

圖2是大功率再生能源回饋裝置的控制方塊圖。整個裝置的控制系統(tǒng)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(tǒng)母線給定值，2-電壓調節(jié)器，3-電流調節(jié)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

電壓采集電路。首先裝置的控制系統(tǒng)實時檢測系統(tǒng)母線，當高于某一設定值時，系統(tǒng)投入工作，母線檢測值與母線設定值做差，其值輸入電壓調節(jié)器經(jīng)過一定控制運算，完成電壓外環(huán)的控制功能，電壓調節(jié)器的輸出便是電壓外環(huán)的輸出信號，同時也是電流內環(huán)的給定信號，其值與系統(tǒng)檢測到的實時電流做差，再經(jīng)過電流調節(jié)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，最后多個主功率器件單元電路并聯(lián)，經(jīng)過均流與環(huán)流抑制電路直接連到交流電網(wǎng)上。整個大電流再生能源回饋裝置控制系統(tǒng)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(tǒng)。
三、 系統(tǒng)技術特點

大功率可再生能源回饋并網(wǎng)裝置實現(xiàn)了網(wǎng)側電流正弦化，且能運行于單位功率因數(shù)，呈現(xiàn)出電流源特性，因而真正實現(xiàn)了電力電子的“綠色”電能變換技術，控制系統(tǒng)技術特點簡述如下：
（一）控制系統(tǒng)是電壓外環(huán)和電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。電壓外環(huán)是母線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)過電壓調節(jié)器輸出電流內環(huán)的給定值。電流內環(huán)是整個控制系統(tǒng)的核心，其實，整個控制系統(tǒng)從核心上說就是網(wǎng)側電流的控制，也就是電流內環(huán)的控制。
（二）控制系統(tǒng)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際問題。
（三）網(wǎng)側功率因數(shù)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(shù)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(tǒng)采用數(shù)字化控制，運用了現(xiàn)代控制理論與現(xiàn)代電力電子技術相結合，使裝置易于控制，容易掌握。
（七）具有直流接反、過流、短路、溫度以及網(wǎng)側電壓異常等保護功能。
（八）具有動態(tài)響應快，能在短時間內輸出大電流，整體效率高等優(yōu)點。
四、實驗結果分析

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)品質量監(jiān)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。表2是功率因數(shù)、直流側輸入電壓、網(wǎng)側交流電流及整體效率的簡表。

  表2  電壓、電流、效率、功率因數(shù)表

從表2中可以看出，隨網(wǎng)側電流的增大，其功率因數(shù)越來越接近于1，也就是說其網(wǎng)側電流的總諧波（THD）越來越小，其整體效率有減少的趨勢。這也符合現(xiàn)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)側電流諧波是越來越小的，在輸出網(wǎng)側電流265.4A以上時，其各相電流總諧波（THD）遠小于5%，同時表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(tǒng)，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(tǒng)，其網(wǎng)側功率因數(shù)高，波形正弦化，呈現(xiàn)電流環(huán)特性，容易做多單元并聯(lián)等特點，在城市軌道交通、靜止無功補償器、有源電力濾波器、統(tǒng)一潮流控制器、超導儲能、高壓直流輸電以及電氣傳動、太陽能、風能等可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電等領域中應用?？梢灶A言，在當今能源危機的時代中，此項技術將越來越被同行業(yè)人士重視起來。