一、 引言

在交-直-交控制系統(tǒng)和風(fēng)能、太陽(yáng)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(jí)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(duì)大功率再生能源系統(tǒng)來(lái)講，超級(jí)電容貯能具有投入成本大、維護(hù)費(fèi)用高等缺點(diǎn)；電磁軸承飛輪貯能目前仍在實(shí)驗(yàn)室階段，可能存在一定技術(shù)難題；純電阻能耗制動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)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(wèn)題，又可以減少投入成本，提高運(yùn)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(guó)內(nèi)許多高校和研究所都把此當(dāng)作研究熱點(diǎn)，查閱近幾年信息來(lái)看，其實(shí)在運(yùn)行實(shí)際產(chǎn)品不多，大多數(shù)只談到實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，且樣機(jī)中幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)與實(shí)際產(chǎn)品有較大差距。針對(duì)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(jí)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(gè)單元主電路如圖1所示。主電路拓?fù)洳捎萌娖诫娐?，每一相橋?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(dǎo)通時(shí)，A相輸出+U0/2；Ug2和Ug3導(dǎo)通時(shí)，A相輸出零電平；Ug3和Ug4導(dǎo)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(dāng)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(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(hào)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(cè)電路，9-相電壓檢測(cè)、同步信號(hào)生成及母線

電壓采集電路。首先裝置的控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)母線，當(dāng)高于某一設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)投入工作，母線檢測(cè)值與母線設(shè)定值做差，其值輸入電壓調(diào)節(jié)器經(jīng)過(guò)一定控制運(yùn)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(hào)，同時(shí)也是電流內(nèi)環(huán)的給定信號(hào)，其值與系統(tǒng)檢測(cè)到的實(shí)時(shí)電流做差，再經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)器的控制運(yùn)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(hào)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(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(diǎn)

大功率可再生能源回饋并網(wǎng)裝置實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)電流正弦化，且能運(yùn)行于單位功率因數(shù)，呈現(xiàn)出電流源特性，因而真正實(shí)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(diǎn)簡(jiǎn)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(cè)值與設(shè)定值，以及網(wǎng)側(cè)相電壓的同步信號(hào)生成電路相互作用，經(jīng)過(guò)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(gè)控制系統(tǒng)的核心，其實(shí)，整個(gè)控制系統(tǒng)從核心上說(shuō)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(shí)際問(wèn)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(yùn)行。
（四）網(wǎng)側(cè)電流波形正弦化，電流總諧波（THD）遠(yuǎn)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(yùn)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(guò)流、短路、溫度以及網(wǎng)側(cè)電壓異常等保護(hù)功能。
（八）具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，能在短時(shí)間內(nèi)輸出大電流，整體效率高等優(yōu)點(diǎn)。
四、實(shí)驗(yàn)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(yàn)中心檢驗(yàn)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(diǎn)。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(jiǎn)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(lái)越接近于1，也就是說(shuō)其網(wǎng)側(cè)電流的總諧波（THD）越來(lái)越小，其整體效率有減少的趨勢(shì)。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(lái)越小的，在輸出網(wǎng)側(cè)電流265.4A以上時(shí)，其各相電流總諧波（THD）遠(yuǎn)小于5%，同時(shí)表3內(nèi)容趨勢(shì)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(diǎn)，在城市軌道交通、靜止無(wú)功補(bǔ)償器、有源電力濾波器、統(tǒng)一潮流控制器、超導(dǎo)儲(chǔ)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(yīng)用?？梢灶A(yù)言，在當(dāng)今能源危機(jī)的時(shí)代中，此項(xiàng)技術(shù)將越來(lái)越被同行業(yè)人士重視起來(lái)。