電力電子變換的信息特性與電能離散數(shù)字化到智能化的信息調(diào)控技術(shù)

丁四根

摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)在快速發(fā)展，社會在不斷進(jìn)步，電力電子技術(shù)是采用大功率半導(dǎo)體器件和功率無源元件對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)，是21世紀(jì)應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一。該文從電能的離散化角度來研究電力電子技術(shù)的內(nèi)涵，進(jìn)一步討論了電能的數(shù)字化表征方法，提出了電力電子信息調(diào)控技術(shù)的概念并闡釋其物理意義。在此基礎(chǔ)上，介紹了現(xiàn)有的電力電子信息調(diào)控技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法以及在電力電子變換系統(tǒng)中的信息交流方式。理論和實(shí)際都很好地表明，電力電子變換器自身在對電能實(shí)現(xiàn)變換和控制的同時(shí)，無需外加硬件，就已具備了信息交流的能力。充分挖掘和應(yīng)用電力電子技術(shù)的這一特性將成為一個(gè)重要的研究方向。電力電子信息調(diào)控技術(shù)不但使電能的離散化、數(shù)字化到智能化成為可能，而且將極大促進(jìn)電力電子學(xué)科和信息學(xué)科的交叉，推動(dòng)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：電力電子信息調(diào)控;電能離散化;數(shù)字信息技術(shù);功率/數(shù)據(jù)復(fù)合調(diào)制;電力線載波通信

引言

“電能綠色變換”作為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)高效電能利用與消費(fèi)的重要手段，是優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。在“電能綠色變換”過程中，高質(zhì)量、高可靠及高可控的電力電子變換系統(tǒng)可看作其“心臟”。在此背景下，研究面向工業(yè)用電領(lǐng)域的特種電力電子變換器與控制技術(shù)、面向新能源發(fā)電領(lǐng)域的電力電子變換器與控制技術(shù)以及智能電網(wǎng)下的多端口電力電子系統(tǒng)與穩(wěn)定控制技術(shù)等，是實(shí)現(xiàn)“電能綠色變換”的重要途徑，同時(shí)也是從制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵動(dòng)力，以及新能源利用與智能電網(wǎng)建設(shè)的核心內(nèi)容，是保障我國能源安全和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。

1基于電力電子變換的電能路由器概述

現(xiàn)階段，電能路由器分為主干、區(qū)域、家用三種。其中，主干電能路由器功率較高，作用單一、能量轉(zhuǎn)換形式簡便且呈單方向，其主要作用是把低電壓能量傳輸?shù)街鞲删W(wǎng)中。該種電能路由器通訊距離較長，通訊規(guī)模大，因而更加適合大范圍的能量控制。相對而言，區(qū)域路由器則適用于小規(guī)模能量控制，例如：電動(dòng)汽車充電中，有助于可持續(xù)戰(zhàn)略目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。這種路由器能夠調(diào)節(jié)電能質(zhì)量。家用電能路由器較為常見，家庭中的電器需要多種供電形式，進(jìn)而要求路由器接口呈現(xiàn)多樣化。

2電力電子信息調(diào)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法

2.1功率/數(shù)據(jù)單載波調(diào)制技術(shù)

電力電子變換器對電能的幅值、極性和阻抗進(jìn)行變換，最常見的功率控制方法為采用 PWM 的載波調(diào)制技術(shù)。變換器的門極控制信號為一串幅值恒定的矩形波序列，通過控制其占空比實(shí)現(xiàn)對功率的調(diào)控。除了占空比，該矩形波序列還有頻率和相位 2 個(gè)獨(dú)立的控制自由度 。由此，將通信信號通過角度調(diào)制（頻率調(diào)制或相位調(diào)制）的方法加載到變換器的門極控制信號上，可以實(shí)現(xiàn)功率與數(shù)據(jù)的復(fù)合調(diào)制，即在電力電子變換器中集成通信功能，實(shí)現(xiàn)電能變換和數(shù)據(jù)通信的深度融合和統(tǒng)一。

2.2主干電能路由器結(jié)構(gòu)研究

現(xiàn)階段，為了提升整機(jī)效率、動(dòng)態(tài)性能、減輕體積，F(xiàn)REEDM 中心在原有 6.5kV Si IGBT 固態(tài)變壓器的基礎(chǔ)上研發(fā)了基于 SiC MOSFET 的二代。原結(jié)構(gòu)輸入單相 7.2kV 中壓交流配電網(wǎng)，輸出電壓是單相 240V/120V 交流電與 400V 直流電，而二代采用了 15kV SiC MOSFET，總體結(jié)構(gòu)更加簡單，整流級與 DC/DC 級使用單個(gè)模塊構(gòu)成，開關(guān)頻率提升至 20kHz，不僅提升了總體性能，并且縮小了整體面積。

2.3接口穩(wěn)定性及控制

熱插拔是信息路由器的一項(xiàng)重要功能，路由器在接入網(wǎng)絡(luò)后很快掌握路由表并開始工作。作為電力互聯(lián)網(wǎng)的樞紐，電能路由器同樣需具備熱插拔功能。為此，除了要求信息層面上的可擴(kuò)展性，更重要的是保證功率層面上的熱插拔穩(wěn)定性。如圖 1 所示，每個(gè)電能路由器與至少兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)相連，并有交流、直流多個(gè)端口，在電能路由器接入網(wǎng)絡(luò)后，需要保證各個(gè)網(wǎng)絡(luò)及端口的穩(wěn)定性。尤其是以電能路由器等電力電子設(shè)備為主要節(jié)點(diǎn)和接口的能量互聯(lián)網(wǎng)，其穩(wěn)定性問題與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)組網(wǎng)的電力網(wǎng)絡(luò)差異很大，尚沒有成熟的理論。對于傳統(tǒng)的電力電子系統(tǒng)，阻抗判據(jù)是比較常用的穩(wěn)定性分析方法 。該方法由 Middlebrook 首次提出，通過考察源變換器的輸出阻抗和負(fù)載變換器的輸入阻抗之間的關(guān)系，給出了電力電子設(shè)備級聯(lián)穩(wěn)定性的判據(jù)，較好地解決了電力電子系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。而今也廣泛用于模塊化并聯(lián)系統(tǒng)中，如 UPS 系統(tǒng)、光伏并網(wǎng)和通信電源等領(lǐng)域 ?。對于直流型網(wǎng)絡(luò)，阻抗匹配法比較簡潔。而對于三相交流系統(tǒng)，需要在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中分析阻抗關(guān)系，而且源的輸出阻抗和負(fù)載的導(dǎo)納阻抗均為二階矩陣的形式，往往需要計(jì)算 2 個(gè)矩陣的范數(shù)才能確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，復(fù)雜性有所增加。但采用阻抗判據(jù)的通常需要已知系統(tǒng)里所有的源和負(fù)載變換器的特性。這對于電能路由器所構(gòu)成的靈活可擴(kuò)展的電力網(wǎng)絡(luò)是很難實(shí)現(xiàn)的。首先，用戶的電氣設(shè)備種類繁多、千差萬別，無法提前一一確定其特性。其次，對于電能路由器構(gòu)成的電力網(wǎng)絡(luò)，其源和負(fù)載是可以靈活切換的，系統(tǒng)的組成和架構(gòu)實(shí)時(shí)變化，致使傳統(tǒng)的阻抗判據(jù)很難勝任。針對該問題，基于變換器無源特性的穩(wěn)定性判據(jù)和相應(yīng)的控制方法，為接入電網(wǎng)的設(shè)備提出了獨(dú)立的準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)，使設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)兩者的穩(wěn)定性分析上解耦，提高了實(shí)際可操作性。不過變換器的控制復(fù)雜度有所增加，有可能會犧牲動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。此外，電網(wǎng)中的恒功率負(fù)載呈現(xiàn)負(fù)阻抗特性，它會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性裕度，甚至在所占系統(tǒng)功率比重過大時(shí)將造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。目前有很多學(xué)者在研究恒功率負(fù)載的穩(wěn)定性改善方法 。大致方案分為無源和有源兩種。前者是在變換器中加入電阻與電感并聯(lián)或與電容串聯(lián)，但這樣將帶來額外損耗;有源方案是在控制上加入虛擬阻尼，以改善恒功率負(fù)載的輸入阻抗。總之，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性問題將隨著電力電子設(shè)備在電網(wǎng)中的不斷增多而越發(fā)明顯，也是構(gòu)成以電能路由器為樞紐的配電網(wǎng)必須解決的問題。亟需更有效和可行性更高的方法來解決未來復(fù)雜電網(wǎng)的穩(wěn)定性問題。

2.4功率/數(shù)據(jù)雙載波調(diào)制技術(shù)

功率/數(shù)據(jù)雙載波調(diào)制技術(shù)主要針對單載波調(diào)制技術(shù)的不足而提出。數(shù)據(jù)首先被調(diào)制到低頻數(shù)據(jù)載波上，再進(jìn)一步通過PWM 調(diào)制到功率載波上。由于功率調(diào)制與數(shù)據(jù)調(diào)制分別采用不同的載波，且數(shù)據(jù)已調(diào)信號不直接用作門極控制信號，因此數(shù)據(jù)調(diào)制方法的選擇更加靈活。為了能夠?qū)?shù)據(jù)載波疊加到功率載波上，數(shù)據(jù)載波的頻率要遠(yuǎn)小于功率載波，通?？刂圃诠β瘦d波的 1/5 以內(nèi)。在對通信速率要求較高的應(yīng)用場合，可 以 引 入 正 交 頻 分 復(fù) 用 （orthogonal frequencydivision multiplexing，OFDM）調(diào)制技術(shù)，采用多路數(shù)據(jù)子載波并行傳輸，從而大大提高通信速率。

結(jié)語

電力電子信息調(diào)控技術(shù)是電力電子技術(shù)與信息技術(shù)的交叉方向，它基于電力電子變換器本身所具有的離散化的電能變換方式，充分挖掘電力電子變換器的本質(zhì)特征，將數(shù)字信息技術(shù)與之相結(jié)合，使得電力電子變換器不僅可以實(shí)現(xiàn)對電能的變換和控制，還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息的交互。電力電子信息調(diào)控技術(shù)對推動(dòng)電能變換從離散化到數(shù)字化、智能化的發(fā)展將產(chǎn)生重要意義，同時(shí)將極大促進(jìn)電力電子科學(xué)與信息科學(xué)的交叉、融合與發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]宗升，何湘寧，吳建德，等.基于電力電子變換的電能路由器研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35（18）：4559-4570.

[2]趙爭鳴，馮高輝，袁立強(qiáng)，等.電能路由器的發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2017，37（13）：3823-3834.