第1章緒論
　　1.1能源現(xiàn)狀和環(huán)境問題
　　化石能源是人類現(xiàn)代文明的基石。歷經(jīng)兩百多年的開發(fā)利用，化石能源已趨于枯竭。與此同時，化石能源的消耗產(chǎn)生了大量的廢棄物，對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，成為人類可持續(xù)發(fā)展的阻礙。表1.1給出了2012年一次能源消費(fèi)量中各類能源所占比例及其儲產(chǎn)比[1]。儲產(chǎn)比是指任意一年的能源探明儲量與該年度產(chǎn)量之比，反映了能源供應(yīng)的可持續(xù)性。從表1.1中可以看出：①全球范圍內(nèi)石油、煤炭和天然氣等化石能源的消費(fèi)量之和占一次能源總消費(fèi)量的86.9%，仍為主導(dǎo)能源，而這三種化石能源中僅有煤炭的儲產(chǎn)比超過了100年，石油和天然氣儲產(chǎn)比均低于60年，中國的各類化石能源的儲產(chǎn)比遠(yuǎn)低于世界平均水平；②中國煤炭消費(fèi)量所占比例較大，而相對較清潔的天然氣僅占4.7%。我國石油對外依存度已經(jīng)從21世紀(jì)初的26%上升至2011年的57%[2]，能源緊缺問題十分嚴(yán)峻，能源安全保障壓力巨大。近年來，中國已經(jīng)超越美國成為二氧化碳排放總量的最大國，與此同時，霧霾天氣和水污染等社會問題日益凸現(xiàn)。因此，能源的可持續(xù)供應(yīng)以及環(huán)境保護(hù)問題是人類所面臨的重大挑戰(zhàn)，中國作為全球最大能源消耗國，任重道遠(yuǎn)。
　　表1.1 2012年一次能源消費(fèi)量中各類能源所占比例及儲產(chǎn)比
　　統(tǒng)計(jì)范圍能源類型石油煤炭天然氣水電核能可再生能源全球消費(fèi)比例
　　為了應(yīng)對能源緊缺和環(huán)境問題，人類在推行節(jié)能減排的同時，也在積極尋找新型清潔能源。
　　表1.1所示的全球水電和可再生能源消費(fèi)分別占能源消費(fèi)總量的6.7%和1.9%，均達(dá)到歷史最高水平。目前，光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等可再生能源發(fā)電正在飛速發(fā)展，并將在應(yīng)對能源緊缺和環(huán)境問題中扮演日益重要的角色。
　　1.2基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)
　　以風(fēng)能和太陽能為代表的可再生能源在自然界中分布廣泛，開發(fā)利用過程中對環(huán)境產(chǎn)生的污染小，近年來受到越來越多國家和地區(qū)的重視。美國、日本和德國等發(fā)達(dá)國家已把開發(fā)利用可再生能源作為解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的重要發(fā)展方向[1]。
　　1.2.1基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
　　目前，大規(guī)模開發(fā)可再生能源的主要途徑是基于可再生能源的分布式發(fā)電。分布式發(fā)電系統(tǒng)是一種建在負(fù)荷中心的分散式電能供應(yīng)系統(tǒng)，具有獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種工作模式�；�于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)(renewable energy based distributed power generation system，RE-DPGS)具有如下優(yōu)點(diǎn)：
　　(1) 環(huán)境友好。風(fēng)能和太陽能等可再生能源發(fā)電產(chǎn)生的污染小，不排放二氧化碳。
　　(2) 能源安全。多元化的可再生能源發(fā)電有利于緩解能源緊缺，同時也可降低我國對于進(jìn)口化石能源的依賴，保障能源安全，有助于我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。
　　(3) 損耗降低。發(fā)電系統(tǒng)接近負(fù)荷中心，電力就地生產(chǎn)、就地消化，避免了長距離輸電帶來的損耗。
　　(4) 可靠性高。當(dāng)電網(wǎng)故障時，分布式發(fā)電系統(tǒng)仍可以給系統(tǒng)內(nèi)用戶供電，同時對電網(wǎng)提供一定支撐，有利于電網(wǎng)的安全運(yùn)行。
　　(5) 投資節(jié)省。由于單個分布式發(fā)電系統(tǒng)容量相對較小，小型模塊化，土建與安裝成本低，能量輸送投資少。
　　根據(jù)BP 2013年世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒[1]的報道，截至2012年年底，RE-DPGS產(chǎn)生的電能已經(jīng)達(dá)到全球總發(fā)電量的4.7%，比2011年增長了15.2%，其增長量占2012年全球發(fā)電量增長的31%，已成為一些國家能源供應(yīng)的重要組成部分。2012年，全球共有15個國家的RE-DPGS發(fā)電量占全國總發(fā)電量的10%以上。其中，丹麥的風(fēng)電發(fā)電量約占34%，葡萄牙的風(fēng)電發(fā)電量約占21%，西班牙的風(fēng)電發(fā)電量約占17%，愛爾蘭的風(fēng)電發(fā)電量約占16%。
　　1.2.2基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　圖1.1給出了基于風(fēng)能和太陽能組成的兩種RE-DPGS典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由飛輪、蓄電池和超級電容組成的儲能單元用來改善可再生能源發(fā)電的間歇性和隨機(jī)性問題[3-6]。圖1.1(a)為基于直流母線方式的RE-DPGS示意圖，各種可再生能源發(fā)電單元和儲能單元通過電力電子變換器接入直流母線，經(jīng)過集中的DC/AC逆變器 (RE-DPGS中通常稱為并網(wǎng)逆變器)和工頻變壓器后饋入電網(wǎng)[7， 8]。這類系統(tǒng)的直流母線電壓控制相對簡單，易于擴(kuò)展。圖1.1(b)為基于交流母線方式的RE-DPGS示意圖，可再生能源發(fā)電單元和儲能單元通過電力電子變換器接入交流母線，并經(jīng)過電力變壓器饋入電網(wǎng)[9， 10]。這類系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器分布于各種發(fā)電和儲能單元中，容量相對較小，可靠性高。
　　圖1.1RE-DPGS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖
　　1.2.3并網(wǎng)逆變器
　　從圖1.1可以看出，電力電子變換器是RE-DPGS的重要組成部分，其中并網(wǎng)逆變器用來將直流電能轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的交流電能并饋入電網(wǎng)。作為可再生能源發(fā)電單元與電網(wǎng)之間的能量變換接口，并網(wǎng)逆變器對RE-DPGS的安全、穩(wěn)定和高質(zhì)量運(yùn)行具有十分重要的作用。
　　1.3LCL型并網(wǎng)逆變器的關(guān)鍵技術(shù)
　　并網(wǎng)逆變器有單相和三相兩種，前者主要用于容量較小的戶用型發(fā)電系統(tǒng)，后者則廣泛應(yīng)用于大規(guī)模的基于可再生能源分布式發(fā)電站中。并網(wǎng)逆變器通常采用脈沖寬度調(diào)制(pulse-width modulation， PWM)策略，其輸出PWM電壓中存在豐富的開關(guān)諧波，為了抑制并網(wǎng)電流中的開關(guān)諧波，需要選取合適的輸出濾圖1.2L濾波器和LCL濾波器及其頻率特性波器。輸出濾波器主要有L型和LCL型兩種，分別如圖1.2(a)和(b)所示。其中，L濾波器由單個電感L組成，而LCL濾波器由兩個電感L1、L2和一個電容C組成。與L濾波器相比，LCL濾波器中含有濾波電容C，為高頻諧波電流提供了旁路通路，在實(shí)現(xiàn)相同濾波效果的前提下，LCL濾波器中兩個電感的電感量之和小于L濾波器中單個電感的電感量，因此其體積更小，成本更低[11-13]。然而，LCL濾波器的頻率響應(yīng)存在諧振尖峰，同時相位在諧振頻率處會發(fā)生-180°跳變，如圖1.2(c)所示，如果不對這個諧振尖峰進(jìn)行有效阻尼，就可能造成并網(wǎng)逆變器輸出電流振蕩甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定[14， 15]。因此，近年來針對LCL型并網(wǎng)逆變器，國內(nèi)外學(xué)者展開了廣泛的研究。
　　LCL型并網(wǎng)逆變器需解決的關(guān)鍵問題主要包括并網(wǎng)電流質(zhì)量和穩(wěn)定性兩大方面，具體如下：
　　(1) LCL濾波器的設(shè)計(jì)。為了衰減PWM調(diào)制產(chǎn)生的開關(guān)諧波，需要選取合理的LCL濾波器參數(shù)，以保證并網(wǎng)電流滿足諧波標(biāo)準(zhǔn)。為減小濾波器體積，有時可以將兩個電感進(jìn)行磁集成。
　　(2) LCL濾波器諧振尖峰引起的穩(wěn)定性問題。LCL濾波器存在諧振尖峰，會影響并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定性。為保證并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定，需要對該諧振尖峰進(jìn)行阻尼，并合理設(shè)計(jì)閉環(huán)控制參數(shù)。
　　(3) 數(shù)字控制延時引起的穩(wěn)定性問題。當(dāng)并網(wǎng)逆變器采用數(shù)字控制時，會存在計(jì)算延時和調(diào)制延時。該延時會改變有源阻尼的特性，并且降低并網(wǎng)電流閉環(huán)的控制性能，因此需要采取有效控制策略減小延時的影響。
　�。�4） 電網(wǎng)電壓背景諧波對并網(wǎng)逆變器的影響。實(shí)際的電網(wǎng)電壓連接在公共耦點(diǎn)(point of common coupling，PCC)處，而PCC附近通常連接有本地負(fù)載，其中的非線性設(shè)備(如弧焊機(jī)、電氣化軌道交通、飽和變壓器等)產(chǎn)生的諧波電流流經(jīng)線路阻抗，會使PCC處的電網(wǎng)電壓含有背景諧波[16]。電網(wǎng)電壓背景諧波不僅會影響并網(wǎng)電流的波形質(zhì)量，還會影響鎖相環(huán)的鎖相性能，需要采取有效措施抑制電網(wǎng)電壓背景諧波對并網(wǎng)電流質(zhì)量和鎖相環(huán)的影響。
　�。�5） 電網(wǎng)阻抗對并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定性的影響。從PCC處向電網(wǎng)看進(jìn)去，可將電網(wǎng)等效為一個電壓源和線路阻抗，該線路阻抗會影響并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定性。
　　針對上述問題，下文將簡述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。
　　1.3.1LCL濾波器設(shè)計(jì)及其磁集成方法
　　為衰減PWM調(diào)制產(chǎn)生的開關(guān)諧波，保證并網(wǎng)電流滿足如IEEE Std. 929-2000[17]和IEEE Std. 1547-2003[18]等標(biāo)準(zhǔn)，需要選取合理的LCL濾波器參數(shù)。設(shè)計(jì)LCL濾波器時需考慮三個因素：①并網(wǎng)電流單次諧波和總諧波含量。表1.2給出了IEEE Std. 929-2000和IEEE Std. 1547-2003對并網(wǎng)電流的諧波含量限制，LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)需要滿足這些限制條件。②逆變器側(cè)電感電流紋波。為減小逆變器側(cè)電感的磁芯損耗和開關(guān)管的導(dǎo)通損耗，通常需要對電感電流紋波的大小進(jìn)行限制。③濾波電容引入的無功分量。合理控制濾波電容導(dǎo)致的無功分量，有助于減小開關(guān)管的電流應(yīng)力。本書第2章將詳細(xì)闡述LCL濾波器的設(shè)計(jì)方法，使其滿足上述約束條件。
　　表1.2并網(wǎng)電流諧波分量最大限值諧波次數(shù)h(奇次諧波)��
　　總諧波畸變率占額定并網(wǎng)電流比例
　　當(dāng)諧波為偶數(shù)次時，其允許的最大諧波限值為表中所示奇次諧波的25%。
　　為進(jìn)一步減小LCL濾波器的體積，可以將逆變器側(cè)電感和網(wǎng)側(cè)電感集成起來。磁集成技術(shù)在開關(guān)電源，特別是DC/DC變換器中已得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)集成后各磁件之間是否存在耦合，磁集成技術(shù)可分為解耦磁集成和耦合磁集成兩類[19， 20]。
　　采用解耦磁集成時，各磁件的繞組所交鏈的磁通相互獨(dú)立，集成后各磁件仍然保持著與原分立磁件相同的特性。文獻(xiàn)[19]闡述了解耦磁集成的應(yīng)用機(jī)理，即利用無氣隙的磁柱作為低磁阻的公共磁路，通過合理的繞組分布，使各繞組交鏈的磁通在公共磁路上相互抵消，以降低公共磁芯的磁通量，由此可減小公共磁芯截面積，從而減小磁芯體積。基于這一原理，文獻(xiàn)[21]將交錯并聯(lián)的準(zhǔn)方波DC/DC變換器中兩個濾波電感集成在一個磁芯上，文獻(xiàn)[22]實(shí)現(xiàn)了零電壓開關(guān)混合DC/DC變換器中兩個變壓器的集成，文獻(xiàn)[23]則實(shí)現(xiàn)了LLC諧振變換器中諧振電感和變壓器的集成。
　　采用耦合磁集成時，各磁件的繞組所交鏈的磁通之間存在一定的耦合，因而集成后的磁件的特性與原分立磁件有所改變。在某些特定的場合，耦合磁集成可以提高變換器的穩(wěn)態(tài)或動態(tài)性能[24-28]。例如，通過選取適當(dāng)?shù)鸟詈戏绞�，在交錯并聯(lián)的DC/DC變換器中，可以減小電感電流的紋波[24-26]；而在Cuk變換器[27]和多路輸出的Buck類DC/DC變換器[28]中，甚至可以實(shí)現(xiàn)電感電流的零紋波。
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