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一、 引言

在交-直-交控制系統(tǒng)和風(fēng)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(shù)難題；純電阻能耗制動結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，操作方便，但發(fā)出的能量全部轉(zhuǎn)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(yīng)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(dāng)今世界的一種“綠色”電力電子變換技術(shù)。國內(nèi)許多高校和研究所都把此當(dāng)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(guān)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(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?fù)洳捎萌娖诫娐罚恳幌鄻虮?個開關(guān)元件有三種正常的開關(guān)模式。

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

當(dāng)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(nèi)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(diào)節(jié)器，3-電流調(diào)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(dāng)高于某一設(shè)定值時，系統(tǒng)投入工作，母線檢測值與母線設(shè)定值做差，其值輸入電壓調(diào)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(diào)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(nèi)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(diào)節(jié)器的控制運算，完成電流內(nèi)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(nèi)環(huán)相互作用的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。
三、 系統(tǒng)技術(shù)特點

大功率可再生能源回饋并網(wǎng)裝置實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)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(shù)，控制系統(tǒng)技術(shù)特點簡述如下：
（一）控制系統(tǒng)是電壓外環(huán)和電流內(nèi)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(shè)定值，以及網(wǎng)側(cè)相電壓的同步信號生成電路相互作用，經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器輸出電流內(nèi)環(huán)的給定值。電流內(nèi)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(cè)電流的控制，也就是電流內(nèi)環(huán)的控制。
（二）控制系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)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(cè)功率因數(shù)可調(diào)，可再生能源回饋并網(wǎng)裝置可以做到負(fù)單位功率因數(shù)運行。
（四）網(wǎng)側(cè)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?fù)渖暇陀欣跍p小網(wǎng)側(cè)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(shù)相結(jié)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(cè)電壓異常等保護功能。
（八）具有動態(tài)響應(yīng)快，能在短時間內(nèi)輸出大電流，整體效率高等優(yōu)點。
四、實驗結(jié)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(jiān)督檢驗中心檢驗證明：具有輸出功率大、網(wǎng)側(cè)電流波形好、整體效率高等特點。表2是功率因數(shù)、直流側(cè)輸入電壓、網(wǎng)側(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)輸出電流的增大，其網(wǎng)側(cè)電流諧波是越來越小的，在輸出網(wǎng)側(cè)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(nèi)容趨勢是與表2也是相符的。
五、結(jié)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(nèi)環(huán)相互作用的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其網(wǎng)側(cè)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(dǎo)儲能、高壓直流輸電以及電氣傳動、太陽能、風(fēng)能等可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電等領(lǐng)域中應(yīng)用。可以預(yù)言，在當(dāng)今能源危機的時代中，此項技術(shù)將越來越被同行業(yè)人士重視起來。