方 钊

（国网湖北省电力有限公司，湖北武汉 430000）

0 引言

随着社会经济的快速发展，对能源的需求量越来越大，能源危机与环境问题日益严重[1]。新能源发电技术、分布式发电技术得到了快速发展，但是分布式能源接入电网带来了电网稳定性、经济性等方面的问题[2]。

多端口能源路由器能够解决源、荷、储以及电网之间的协调运行问题，能够满足用电设备对电能质量的要求[3]。

多端口能量路由器是一种电力电子设备，可实现信息流、能量流的高度融合[4]。多端口能量路由器共有两种，分别为基于固态变压器的能量路由器[5]以及基于多端口变换器的能量路由器[6]。其中基于固态变压器的能量路由器通常应用于中高压的应用场合[7]。基于多端口变换器的能量路由器通常应用于低压的应用场合[8-9]。

而多端口能量路由器也可分为两类，分别为基于共母线型的能量路由器与集成型的能量路由器[10-11]。一般集成型能量路由器中包含中频变压器，隔离能力强，但是成本高，且控制复杂[12-13]。

本项目主要研究基于共母线型的能量路由器。能量路由器共具有两类接口，分别为交流接口与直流接口。其中交流接口主要连接交流电网与直流母线电压，新能源发电厂与直流母线，交流负载与直流母线。交流接口拓扑应能满足用电设备对电能质量以及并网电能质量的要求。

相比于二电平变换器，T 型三电平变换器具有功率容量大、输出电流谐波含量低、输出电能质量高等优点，且本项目研究的多端口能量路由器主要应用于低压场合，因此选择T 型三电平变换器作为交流接口。

本项目还研究了交流接口的参数设计方法，并进行了仿真验证。

1 交流接口拓扑

多端口型能量路由器采用共直流母线结构，含有交流接口与直流接口，具有可靠性高、模块化设计、冗余设计等优点，如图1所示。

图1 多端口能量路由器拓扑

其中交流接口可连接交流电网与直流母线，连接新能源发电场与直流母线等，是多端口能量路由器的重要组成部分。

1.1 T型三电平变换器拓扑

大功率的交流接口拓扑常有二电平变换器、二极管钳位型三电平变换器以及T 型三电平变换器。T型三电平变换器具有输出电流谐波小、效率高、器件少等优点，其拓扑如图2所示。

图2 T型三电平变换器

1.2 工作原理

图2中，S1、S2、T1、T2构成了呈T 型分布的a相功率管，表1 给出了四个开关管的状态与T 型三电平变换器的输出功率关系。

表1 开关状态

2 参数设计

多端口能量路由器中交流接口的主要参数有LCL滤波器，T型三电平变换器侧直流母线电容。

2.1 LCL滤波器参数设计

一般情况下，交流接口侧的滤波器可选择L 滤波器或LCL 滤波器。而大功率场合，开关频率受到限制，谐波含量大，因此，常选择LCL滤波器，L滤波器的体积与成本改变较大。而LCL 滤波器对于高频谐波含量的抑制作用较为明显。

图3为LCL 滤波器的电路简化示意图。图3中，x表示abc 三相，vxo表示T 型三电平变换器中桥臂中点与直流侧中点之间的电压降，vxN表示T 型三电平变换器中桥臂中点与交流侧中性点之间的电压降，Li表示T 型三电平变换器侧的电感，Lg表示网侧电感，Cf表示滤波器电容，ix表示流经变换器侧电感中的电流，igx表示流经电源侧电感中的电流，vgx表示电源侧与交流中性点N之间的电压降。

图3 LCL滤波器电路

2.1.1 电感最大值限制

LCL 滤波器中电感设计较大，则电流谐波含量低，但是其体积大，成本高，甚至导致电感两端的降压较高，进而导致线路电压跌落。可根据电网线路电压跌落上限设计电感的取值上限。

如图3所示，根据基尔霍夫电压定律，电压可表示为：

因此，电感最大值应满足：

式中，VxNmax为T 型三电平变换器以交流中点为参考点的最大输出电压。Vg为电源电压最大值。根据设计指标，交流接口的额定输出功率为100 kW，直流侧电压为700 V，电网侧电压幅值为311 V。因此，Li+Lg应小于0.58 mH。

2.1.2 电流纹波限制

T 型三电平变换器侧的电感的高频纹波主要来自变换器开关频率。若假设LCL 滤波器中滤波电容两端电压与电网电压相似，则在单个开关周期内，电流的波动为：

由式（3）可知，当且仅当vgx取值为0.5Vdc时，则ΔIx最大值可表示为：

式中，fs为开关频率，选取为10 kHz，若设计指标中电感电流纹波为额定值的15%，即Li可表示为：

因此，Li最小值为0.27 mH。为保证LCL 滤波器的滤波性能，Li可选择为0.4 mH。

2.1.3 无功功率限制

LCL 滤波器中滤波电容消耗的无功功率应低于变换器的容量的5%，即：

因此，滤波电容的取值最大为110 μF。

减小滤波电容的容值可以降低无功功率，但是影响高频电流滤波的性能，因此Cf取值为50 μF。

2.2 直流母线电容参数设计

T 型三电平变换器侧的直流母线电容包含两个电容Cd，主要需考虑两电容间的中性点的电压波动，常要求电容波动在额定电压的3%内，因此Cd可表示为：

因此，Cd约为5 mF，若采用中性点电压均衡控制策略，则中性点电压波动较小，Cd选择为1 mF。

3 结果分析

为验证提出的参数计算方法，利用Matlab/simulink搭建了仿真模型。

图4为T型三电平变换器的输出电流波形。由图4 可知，输出电流中的谐波含量为0.98%，低于1%，满足并网电流要求。

图4 交流接口输出电流波形

4 结论

本研究设计了适用于多端口能量路由器的交流接口的拓扑T 型三电平变换器，分析了该变换器的工作原理，并推导了其电路参数的设计方法。采用该方法设计100 kWT 型三电平变换器的设备参数，仿真结果表明该参数能够达到设计要求。