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致力资源节约型可再生能源 服务国家战略——东南大学电气工程学院肖华锋教授
2020-06-19
能源和环境危机迫使人类必须大力开发可再生能源，中国在2006 年1 月1 日颁布实施了《可再生能源法》，经过10多年的快速发展，风电和光伏累计安装容量均居世界之首。在可再生能源的开发过程中，减少对不可再生资源（如铜和铁，分别占地壳含量的0.01% 和4.75%）的消耗至关重要；在几种主流的可再生能源发电设备中，光伏发电单元主要使用硅材料（占地壳含量27.6%，第二丰富元素），具有满足人类可持续发展的潜力。光伏发电系统中的并网逆变装置是将光伏电力送入电网的关键设备，发展资源节约型并网逆变技术同样具有重要价值。
东南大学肖华锋教授长期从事电力电子变换与控制学科的基础理论和应用技术研究，率先提出光伏并网逆变器非隔离化概念(Transformerless Grid-ConnectedInverters，TLI)，发明的共模电压箝位技术在工业界和学术界得到广泛应用和引用。
1 首创共模电压调控理论，确保并网系统漏电流安全
省略光伏并网逆变器中的变压器可带来变换效率提高，体积、重量和成本下降；但其使得电能变换装置输入侧与输出侧之间存在直接电连接。光伏电池片因总面积大而形成对地寄生电容，且该寄生电容值受天气因素影响很大，大幅降低了共模(Common-mode，CM) 回路的阻抗。而逆变电路的开关动作可能产生高频共模电压，其施加在因电池板寄生电容而阻抗大幅降低的共模回路上，将产生较大的漏电流。漏电流示意图见图1。该电流除了影响进网电流质量和增加损耗外，若有人员（如玩耍、参观或运维等）接触电池阵列的框架，该漏电流将流经人体进入大地，引起人员触电。
肖华锋教授是国内较早从事TLI 技术研究和应用推广的学者。他准确地将TLI 系统共模电压频谱分为低频（围绕电网频率）、中频（围绕逆变器开关频率）和高频（EMI 频段）三个频段，并提出“低频酌情治理、中频彻底治理和高频依规治理”思路。针对TLI 系统的漏电流安全问题，建立开关频率尺度的共模电压分析模型，并提出“共模电压箝位”概念，被学术界和工业界广泛应用；提出高效差模和恒定共模约束下拓扑构造方法（三条规则）、调控策略和测评方法等一套完整的技术体系，形成共模电压调控理论；发明“有源开关管箝位”“无源二极管箝位”“分裂电感”等恒定共模电压TLI 拓扑，成果在多家企业的系列产品上得到应用，将TLI 的漏电流水平从20 mA 降至2 mA，大幅提高了TLI 系统的安全等级。并在参与的国际标准IEEE P2800.1 Guidefor Test and Verification Procedures for Inverter-Based Resources Interconnecting with AssociatedTransmission Electric Power Systems 制定中倡议将漏电流强制限值从小于30 mA 提升至小于5 mA，设立了“中国门槛”，为我国产品在市场竞争中提供制胜武器。
2 提出零开关损耗柔性运行理论，提升半导体器件运行安全
功率半导体器件是电力电子变换电路的核心。半导体器件在开关过程中的电压电流应力（尖峰）越过安全工作区是损坏器件的主要因素，而尖峰应力的大小又由开关时刻电压电流幅值和开关过程的快慢决定。取消变压器后的TLI 对来自电网的瞬变、故障等的隔离能力变弱，导致器件承受过压、过流的几率增大。另外，提高半导体器件的工作频率可增加TLI 的功率密度，进一步减小无源元件的体积和成本，节省铜铁资源的消耗；但为了避免开关损耗大幅上升，其开通、关断速度就必须同步增加。上述情景都将引起开关过程中电压电流尖峰应力大幅增加，甚至越过安全工作区造成器件损坏。
针对半导体器件运行安全问题，肖华锋教授提出开关器件零开关损耗柔性运行理论，在满足共模性能最优的同时将逆变电路的差模特性约束从二维（谐波特性好+ 通态损耗小）推向三维（谐波特性好+ 通态损耗小+开关损耗小）。研发一类新的软开关逆变器架构“续流谐振腔逆变器”，并基于此架构提出谐振轨迹规划方法；构造和研制了一系列以“零电压”和“零电流”为技术特征的软开关TLI 拓扑，并首次实现TLI 拓扑的“零开关损耗”运行目标；提出故障下逆变器输出电流快速控制方法和半导体器件短路电流微秒级软关断策略等。
3 构建涉网宽频谐振抑制架构，保障逆变器运行安全
当前主流并网逆变器以受控电流源的方式与电网连接，在理想情况下（即电流源与电压源的并联）是一种简单、有效的电能输送入电网方式。但实际电网并非理想电压源（弱网特性），对其过度依赖会导致逆变器运行时有谐振和耦合谐振的风险，需要控制策略来抑制谐振风险。
随着分布式发电（Distributed Generation， DG）在电网中占比的日益提高，在公共连接点（Point of commoncoupling，PCC）出现了复杂的谐振现象，谐振频带宽且时变。肖华锋教授提出“两类两层”的谐振抑制思路。对来自DG 内部的第一类谐振源，如由非理想PWM 环节激发高阶滤波器（如LCL 结构）等，发明一种网侧电感电压微分反馈有源阻尼方法可直接改变网侧电感电压，还可有效抑制LCL 谐振频段附近的电网电压背景谐波对进网电流的影响，并研发了一种由比例- 比例- 延时环节（Proportional-Proportional-Delay，PPD）可等效实现微分环节，突破了数字微分环节难以实现和高频段效果差这一困扰电力电子电路控制手段多年的难题；对来自DG 外部的第二类谐振源，如PCC 附近阻容负载及电网线路与DG 自身阻抗之间、以及多个DG 之间等形成的复杂谐振网络，该项目发明一种采用db4 小波包的小波树优化分解与重构算法实时检测出各DG 支路的最大谐振信息，每次仅提取系统中最大的谐振成分，经并网逆变器抑制消除后再检测出下一时刻的最大谐振信息，控制器具有锁存能力，最终消除所有谐振。首次解决同一PCC 接入并网逆变器台数不能超过8 台的行业痛点。
