基于SiC碳化硅的双向储能变流器PCS设计

随着双向储能变流器(PCS)朝着高电压、高效率的趋势发展,SiC器件在双向PCS中开始应用。SiC的PCS主电路拓扑采用可以有效降低并网电流谐波的T型三电平逆变电路。针对SiC器件开关频率高,基于相电压采样的锁相控制比较容易受干扰,以及电网不平衡时容易影响系统稳定性,提出基于线电压采样的锁相环以及相应的并网电流正负序分离控制策略。

随着国家经济的不断发展,用户对电能质量的要求以及用电需求日益增加,电网用电负荷也随之增长。同时,新能源发电如风力发电和光伏发电快速发展,但由于其发电具有随机波动性等缺点,容易引起电网不稳定。储能技术可以平滑新能源发电波动,能够为新能源发电友好并网提供解决方案,其正逐渐成为越来越多国家实现碳中和目标的主要技术之一。

目前,储能技术在电力系统、新能源等领域的运用越来越广泛,储能行业也在国家政策以及市场发展的双重驱动下快速发展[6]。储能变流器(PCS)是储能系统的关键设备单元,作为储能系统与电网的接口,承担着外界与储能系统交换能量的重要任务。PCS可以提高电网的可靠性、效率和灵活性,对于推广清洁能源、建设智能电网、保障能源安全等方面具有重要意义,这对PCS的性能以及容量提出更高的要求[7]。PCS运用较为广泛的是多电平电路,其中T型三电平逆变电路因相同频率下效率高、并网电流谐波含量低等优势,在储能领域成为研究和应用的热点[8-9]。

市场的发展需求往往推动电力电子器件的发展。近年来,PCS也逐渐朝着高压、高效、高频化趋势发展。随着电压等级以及开关频率的提高,硅(Si)半导体器件受到材料自身的限制,不能很好适应这一发展趋势。用新型宽禁带半导体材料制造的电力电子器件比Si半导体器件具有更好的性能,其中宽禁带半导体器件中的碳化硅(SiC)器件具有更高的禁带宽度、可承受更高的电压等级、较低的导通电阻和更快的开关速度,快速获得工业应用。目前,市场上已经有商业化的成熟可靠SiC器件,而且在电路中应用SiC器件可以提升系统效率,减小体积和提高功率密度,在储能领域也获得应用

本文研究采用宽禁带SiC的双向PCS,主电路拓扑为T型三电平逆变电路。本文给出基于SiC的双向PCS样机系统结构,并以A相为例简要分析其工作原理。介绍了双向PCS调制方法,针对目前采用相电压锁相控制的不足以及不平衡电网电压下并网稳定性问题,提出基于线电压采样的锁相环设计和并网电流正负序分离控制设计。最后,进行了实验验证。

采用SiC器件的双向PCS,主电路采用效率高、并网电流谐波含量低的T型三电平逆变电路。针对SiC器件的开关频率高、开关速度快,采用相电压锁相控制容易受干扰以及不平衡电网电压下容易影响系统稳定性问题,提出了基于线电压采样的锁相环和并网电流正负序分离控制策略,分析了线电压的3 s/2 s变换以及并网电流正负序分离的方法。最后搭建了1台基于SiC的10 kW双向PCS实验样机,样机性能良好,运行稳定可靠,实验验证了所设计方案和控制策略正确有效。

审核编辑 黄宇