基于开关电容技术的新型交流PWM开关及其在微电网模式切换中的应用

王玉斌 王广柱

（山东大学电气工程学院 济南 250061）

1 引言

微电网进行模式切换时的快速切换开关，目前一般采用基于晶闸管的固态开关（solid-state switch）[1-3]或者双向晶闸管和高速机械开关并联的混合式固态开关（hybrid solid-state switch）[4-6]。这些固态开关中的晶闸管，在模式切换时起着主导作用。由于晶闸管本身开关速度较慢，不可避免地会产生冲击电流。尤其是晶闸管本身不具有自关断能力（只能过零关断），因此当由于外部电网故障需要将微电网由并网快速切入孤岛运行时，从发出模式切换命令到真正关断需要延迟近半个工频周期，导致这段时间里微电网内的电压严重畸变，危害微电网的安全运行。

开关电容技术已在DC-DC变换器中得到成功应用[7]，但至今未有将开关电容技术应用到固态切换开关的报道。本文将对固态开关技术进行深入研究，基于开关电容技术提出一种可变阻抗的新型交流PWM切换开关，将其与高速机械开关并联，构成一种新型混合固态切换开关，替代传统的固态切换开关，可应用于电路模式切换等多种场合，有效地限制暂态电流和开关分断时的电弧，为真正实现无缝切换奠定硬件基础。

2 开关电容基本原理

开关电容的电路原理图如图1所示。若开关S1导通，S2关断，则V1向电容C充电；若开关S1关断，S2导通，则电容C向V2放电。因此，控制开关S1和S2的交替通断，即可控制电容C的充放电。电容的每一次充放电，由V1传送到V2的电荷量为

图1 开关电容基本原理Fig.1 Principle of switched capacitor

若控制S1、S2高频交替开关，即对电容进行高频充放电，则由V1流向V2的平均电流为

式中，f为开关频率。式（2）可改写为

式中，Req=1/fC，为电路的等效电阻。亦即图1a的开关电容电路可由图1b所示的等效电阻来等效。

因此，通过控制S1、S2高频交替开关，即对电容进行高频充放电， 此时A、B之间的等值阻抗与开关频率成反比。这里需要说明的是，以上公式描述的关系是在稳态平均值的基础上推导得出的。由于电容充放电是一个动态过程，当对电容进行高频开关时，上述公式高频下未必成立，但其稳态平均关系依然成立。本文所研究的新型交流PWM开关，主要应用在50Hz工频场合，相对于高频的开关频率，50Hz工频可以看作稳态，因此上述推导的关系依然成立，后面的仿真和实验都证明了这一结论。目前开关电容多应用在小功率场合，如信号处理中的有源滤波等。近十几年来在DC-DC变换器中得到了成功和迅速的应用。

3 新型交流PWM切换开关

基于开关电容技术的新型交流PWM切换开关（Switched Capacitor based AC PWM Transfer Switch,SCTS）的基本拓扑结构如图2所示，由开关电容单元C、S1、S2和整流器VD1～VD4等组成。其中VD1～VD4对交流电压进行整流，使加在开关电容单元A、B两点的电压为脉动直流（正弦半波）。控制S1、S2高频交替开关，改变其开关频率，即可改变开关电容单元的等效电阻，从而调节v1到v2的交流电流。

图2 新型交流PWM切换开关的基本拓扑Fig.2 Basic topology of new-type AC PWM transfer switch

本文拟将此新型SCTS应用到微电网的模式切换中，为此先进行了PSIM仿真和实验验证。电路仍如图2所示，仿真和实验所用的参数见下表。为了模拟微电网并网时电压源之间的偏差（如电压幅值、相位等可能不同），仿真和实验时取V1rms=10V,V2rms=0。

表 交流PWM切换开关的主要参数Tab.Main parameters of AC PWM transfer switch

图3a、图3b和图4分别给出了开关频率为200kHz、100kHz、50kHz的仿真和实验结果，其中每个图中的三个波形分别是开关控制信号vS1、电源电压v1和线路电流i1的波形。仿真和实验结果相一致：当S1和S2无控制信号处于关断态时，线路电流i1为零；当S1和S2施加高频PWM控制信号处于交替开关时，且随着开关频率的提高，线路电流也相应增大，即等效电阻减小。表明这种基于开关电容技术的新型PWM开关可以应用到交流电路中，起到开关的作用，且其等值阻抗与开关频率成反比，因此，可通过改变开关频率来调节线路电流的大小。

图3 新型交流PWM切换开关的仿真波形Fig.3 Simulation waveforms of new AC PWM transfer switch

图4 新型交流PWM切换开关的实验波形（fsw=50kHz）Fig.4 Experimental waveforms of new AC PWM transfer switch when switching at 50kHz

4 新型交流PWM开关在微电网模式切换等应用中的探讨

这种基于开关电容技术的新型PWM切换开关SCTS，可与高速机械开关（Mechanical Switch,MS）并联，从而构成一种新型混合固态开关（New Hybrid Solid-state Switchgear,NHSS），如图5中的虚线框所示。其中PWM产生电路负责在SCTS投入运行时为开关器件S1和S2提供可调频率的高频开关信号。稳态情况下线路电流通过机械开关MS，SCTS只是在切换期间才投入运行，也就是说，当需要接通线路时，SCTS先于MS开通；而当需切断线路时，SCTS在MS断开后关断。这样可充分利用SCTS的可变阻抗特性，减小甚至消除NHSS投入时的冲击电流、以及断开时机械开关上的电弧。以下探讨NHSS在故障电流限制、微电网无缝模式切换中的应用。

图5 NHSS用于故障电流限制的示意图Fig.5 NHSS working under fault current limiting

4.1 故障电流限制

图5 给出了NHSS用于故障电流限制的示意图。正常工作时机械开关MS1流过全部负载电流，SCTS不投入运行。当控制系统检测到负载发生故障（如短路），在将SCTS投入运行的同时，断开MS1，即将故障电流转移到SCTS支路。控制系统为SCTS中的S1和S2提供PWM开关信号，使其在一定的开关频率下高速交替开关，SCTS等效于一个可调的电阻，可将故障电流限制在允许的范围之内。一旦将故障电流转移到SCTS支路，任何时刻切断SCTS（即停止为S1和S2提供PWM信号），即可无冲击地切断故障电流。

利用PSIM进行了仿真验证。仿真参数为：电源电压Vsrms=220V，负载电阻R=20 Ω；开关电容C=2μF，开关频率为50kHz，即SCTS的等效电阻为10Ω。

电路刚开始时正常运行，10ms时负载发生短路，继电器MS1断开的同时SCTS投入；45ms时SCTS退出运行。图6给出了NHSS用于故障电流限制的仿真波形，自上而下分别是机械开关（如继电器）控制信号、开关控制信号、电源电压、负载电压和负载电流的波形。从波形中可以看出，10ms后电流能安全转移到SCTS支路，并将故障电流峰值限制在30A以内。SCTS在45ms、即峰值电流时退出运行，无任何电流冲击。在10～45ms期间SCTS投入运行时负载电流与图4的实验波形相比较为平滑，实验波形较差是由于实验电路中分布参数以及电磁干扰等原因造成的。

图6 NHSS用于故障电流限制的仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of NHSS working under fault current limiting

4.2 微电网模式切换

当逆变器并联运行时,并联逆变器和系统中关键负载等一起构成微电网[8]，微电网有并网和孤岛两种基本运行模式。当电网电压正常时，微电网运行在并网模式，各逆变器以单位功率因数运行，相当于受控的电流源，此时并网输出电流是与电网电压同频同相的正弦波。而当电网电压出现故障时，微电网运行在孤岛模式，此时一个逆变器工作在独立供电模式，为其他逆变器提供电压支撑；其他逆变器工作则在并网模式，输出受控的电流。

因此，微电网运行时需要解决并网/孤岛的模式切换问题，目前一般的方法是采用固态继电器等。本文用NHSS取代固态继电器，来实现微电网的无缝模式切换。图7给出了NHSS用于微电网模式切换的示意图，图中微电网（即逆变器组）通过NHSS与电网相连接，PWM产生电路负责在SCTS投入运行时为开关器件S1和S2提供可调频率的高频开关信号。为简化分析，这里仅研究单一逆变器由独立供电模式向并网模式切换的情形。切换步骤如下[9]：

（1）检测电网电压是否正常。

（2）通过锁相，调节逆变器的输出电压与电网电压同步，即电压幅值、相位、频率等都相同。

（3）将SCTS投入运行，然后控制机械开关MS1闭合，将并网电流转移到MS1支路。

（4）将逆变器由电压源输出切换到电流源输出模式。

模式切换过程中关键的第（3）步，如果采用固态继电器，当电网电压与逆变器电压不严格同步，即有少许偏差时，会有冲击电流产生。而如果采用本文所提出的SCTS，利用其可变电阻特性，可将此时由于电压不同步导致的并网冲击电流限制在一定的范围内，从而保证系统的安全。

图7 NHSS用于微电网无缝模式切换的示意图Fig.7 NHSS working under smooth mode-transfer microgrid application

利用PSIM进行了仿真验证。仿真参数为：电源电压Vsrms=220V、初相位0°，开关电容C=2μF,开关频率为50kHz，即SCTS的等效电阻为10Ω。

逆变器先以电压源方式运行，调节输出电压为210V，初相位10°，亦即逆变器输出电压与电网电压不同步。10ms时将SCTS投入，60ms时控制继电器闭合、SCTS退出，之后将逆变器切换到电流源方式，向电网输出5A电流。图8给出了相应的仿真波形，自上而下分别是机械开关（如继电器）控制信号、开关控制信号、电源电压vs和逆变器输出电压vs1、并网电流is的波形。从波形中可以看出，10ms并网时由于电压不同步导致的并网冲击电流得到有效的限制，并在60ms时安全地将逆变器切换到电流源运行。同样，10～60ms期间SCTS投入运行时并网电流与图4的实验波形相比较为平滑，实验波形较差是由于实验电路中分布参数以及电磁干扰等原因造成的。

图8 NHSS用于微电网无缝模式切换的仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of NHSS working under smooth mode-transfer microgrid application

5 结论

本文基于开关电容技术，提出了一种新型PWM交流切换开关，将其与高速机械开关并联，构成一种新型混合固态切换开关，可应用于电路模式切换等多种场合。探讨了这种新型混合固态切换开关在故障电流限制、微电网模式切换中的应用。主要结论如下：

（1）基于开关电容技术的新型PWM切换开关可以应用到交流电路中，起到开关的作用，且其等值阻抗与开关频率成反比。

（2）当电路发生短路等故障时，将SCTS投入运行，利用其可调阻抗的特性，可将故障电流限制在允许的范围之内。该开关可应用到故障电流限制电路中，起到故障电流限制器的作用。

（3）该开关同样可应用到微电网并网/孤岛的模式切换中，有效地限制并网时的冲击电流以及断开时可能产生的电弧，其性能要优于常规的固态切换开关。

仿真和实验结果验证了这种基于开关电容技术的新型PWM交流切换开关的合理性及有效性，但要将其实用化还有许多问题需要进一步深入研究。

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