基于SiC碳化硅的雙向儲能變流器PCS設計

隨著雙向儲能變流器(PCS)朝著高電壓、高效率的趨勢發(fā)展,SiC器件在雙向PCS中開始應用。SiC的PCS主電路拓撲采用可以有效降低并網(wǎng)電流諧波的T型三電平逆變電路。針對SiC器件開關頻率高,基于相電壓采樣的鎖相控制比較容易受干擾,以及電網(wǎng)不平衡時容易影響系統(tǒng)穩(wěn)定性,提出基于線電壓采樣的鎖相環(huán)以及相應的并網(wǎng)電流正負序分離控制策略。

隨著國家經(jīng)濟的不斷發(fā)展,用戶對電能質(zhì)量的要求以及用電需求日益增加,電網(wǎng)用電負荷也隨之增長。同時,新能源發(fā)電如風力發(fā)電和光伏發(fā)電快速發(fā)展,但由于其發(fā)電具有隨機波動性等缺點,容易引起電網(wǎng)不穩(wěn)定。儲能技術可以平滑新能源發(fā)電波動,能夠為新能源發(fā)電友好并網(wǎng)提供解決方案,其正逐漸成為越來越多國家實現(xiàn)碳中和目標的主要技術之一。

目前,儲能技術在電力系統(tǒng)、新能源等領域的運用越來越廣泛,儲能行業(yè)也在國家政策以及市場發(fā)展的雙重驅動下快速發(fā)展[6]。儲能變流器(PCS)是儲能系統(tǒng)的關鍵設備單元,作為儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)的接口,承擔著外界與儲能系統(tǒng)交換能量的重要任務。PCS可以提高電網(wǎng)的可靠性、效率和靈活性,對于推廣清潔能源、建設智能電網(wǎng)、保障能源安全等方面具有重要意義,這對PCS的性能以及容量提出更高的要求[7]。PCS運用較為廣泛的是多電平電路,其中T型三電平逆變電路因相同頻率下效率高、并網(wǎng)電流諧波含量低等優(yōu)勢,在儲能領域成為研究和應用的熱點[8-9]。

市場的發(fā)展需求往往推動電力電子器件的發(fā)展。近年來,PCS也逐漸朝著高壓、高效、高頻化趨勢發(fā)展。隨著電壓等級以及開關頻率的提高,硅(Si)半導體器件受到材料自身的限制,不能很好適應這一發(fā)展趨勢。用新型寬禁帶半導體材料制造的電力電子器件比Si半導體器件具有更好的性能,其中寬禁帶半導體器件中的碳化硅(SiC)器件具有更高的禁帶寬度、可承受更高的電壓等級、較低的導通電阻和更快的開關速度,快速獲得工業(yè)應用。目前,市場上已經(jīng)有商業(yè)化的成熟可靠SiC器件,而且在電路中應用SiC器件可以提升系統(tǒng)效率,減小體積和提高功率密度,在儲能領域也獲得應用

本文研究采用寬禁帶SiC的雙向PCS,主電路拓撲為T型三電平逆變電路。本文給出基于SiC的雙向PCS樣機系統(tǒng)結構,并以A相為例簡要分析其工作原理。介紹了雙向PCS調(diào)制方法,針對目前采用相電壓鎖相控制的不足以及不平衡電網(wǎng)電壓下并網(wǎng)穩(wěn)定性問題,提出基于線電壓采樣的鎖相環(huán)設計和并網(wǎng)電流正負序分離控制設計。最后,進行了實驗驗證。

采用SiC器件的雙向PCS,主電路采用效率高、并網(wǎng)電流諧波含量低的T型三電平逆變電路。針對SiC器件的開關頻率高、開關速度快,采用相電壓鎖相控制容易受干擾以及不平衡電網(wǎng)電壓下容易影響系統(tǒng)穩(wěn)定性問題,提出了基于線電壓采樣的鎖相環(huán)和并網(wǎng)電流正負序分離控制策略,分析了線電壓的3 s/2 s變換以及并網(wǎng)電流正負序分離的方法。最后搭建了1臺基于SiC的10 kW雙向PCS實驗樣機,樣機性能良好,運行穩(wěn)定可靠,實驗驗證了所設計方案和控制策略正確有效。

審核編輯 黃宇