多功能并網(wǎng)逆變器

單相多功能并網(wǎng)逆變器主要針對家庭應(yīng)用。 現(xiàn)有單相系統(tǒng)中的多功能 并 網(wǎng) 逆 變 器 主 要 是 一 些 以PV 電池為基礎(chǔ)并復(fù)合了諧波 / 無功電流補(bǔ)償或電壓跌落 / 驟升 / 中斷補(bǔ)償?shù)裙δ艿牟⒕W(wǎng)逆變器 。

在分析多功能并網(wǎng)逆變器之前，有必要簡要介紹一下現(xiàn)有 PV 并網(wǎng)逆變器的一些基本情況。 PV 系統(tǒng)中電力電子變流器的主要功能是將 PV 電池輸出的直流電變換為交流電并注入電網(wǎng)。 高效率和低成本是 PV 并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)所要考慮的主要問題。 通常，PV 并網(wǎng)逆變器主要分為兩級和單級 2 類。 兩級并 網(wǎng) 系 統(tǒng) 分 別 由 DC / DC 和 DC / AC 功 率 變 換 器 組成，而單級并網(wǎng)系統(tǒng)則僅含有 DC / AC 變換器。 對于兩級并網(wǎng)系統(tǒng)，DC / DC 功率變換器級利用 Boost 電路將 PV 電池的直流電壓提升到大于并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值的水平，并實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤 MPPT（MaximumPower Point Tracking）。 而 DC / AC 逆變器級用于控制注入電網(wǎng)電流的幅值和波形。 兩級功率變換對直流電壓的要求低，只需要較低的直流電壓即可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功能，但是需要更多的電路元件，和單級并網(wǎng)逆變器相比存在低效率、高成本和大尺寸的不足。 另一方面，單級系統(tǒng)雖然所需元器件少、效率高，但是需要在 DC/ AC 控制中同時完成 MPPT、并網(wǎng)逆變、與電網(wǎng)電壓同步等功能，控制相對復(fù)雜一些，且對直流電壓要求高。 雖然兩級和單級 PV 系統(tǒng)各具優(yōu)勢，但是單級 PV 系統(tǒng)以其優(yōu)良的性價比得到了更多的應(yīng)用 。

有研究提出了一種基于單相全橋的單級多功能并網(wǎng)逆變器。 整個單相系統(tǒng)由 PV 電池、直流濾波環(huán)節(jié)、直流控制開關(guān) S1、直流穩(wěn)壓電容 Cdc、單相全橋、濾波電感 Ls、單相配電網(wǎng)、負(fù)荷、負(fù)荷開關(guān) S2 和控制器構(gòu)成。

拓?fù)淠軐?shí)現(xiàn) PV 電池的并網(wǎng)和諧波電流的補(bǔ)償。當(dāng)負(fù)荷開關(guān) S2 閉合后，電網(wǎng)和并網(wǎng)逆變器均可向負(fù)荷供電。 若負(fù)荷較小，并網(wǎng)逆變器輸出的過剩電力注入電網(wǎng)；若負(fù)荷較大，并網(wǎng)逆變器輸出功率不足的部分由電網(wǎng)供給。 值得指出的是：當(dāng)負(fù)荷為整流負(fù)荷等非線性負(fù)荷時，可以通過控制器的調(diào)節(jié)作用改變并網(wǎng)逆變器的輸出電流，使其提供所需補(bǔ)償?shù)闹C波電流，使得電網(wǎng)支路的電流 is 僅為正序基波分量，即并網(wǎng)逆變器可起到并聯(lián)有源電力濾波器 APF（Active Power Filter）的作用。有研究利用半橋代替全橋，多功能并網(wǎng)逆變器拓?fù)洹ｋm然該拓?fù)溆秒娙荽媪斯β势骷?，降低了系統(tǒng)的成本，但是半橋上 2個串聯(lián)電容的均壓卻需要額外的控制策略 。但這類拓?fù)渚哂?3 個明顯的缺陷：

a. 由于 PV 輸出功率具有較大的波動性，這類多功能并網(wǎng)逆變器只能穩(wěn)定地工作于并網(wǎng)運(yùn)行模式。拓?fù)涔ぷ饔陔x網(wǎng)運(yùn)行模式，當(dāng)PV 電池輸出功率大于負(fù)荷的額定功率時，負(fù)荷兩端電壓將升高，當(dāng) PV 電池輸出功率小于負(fù)荷的額定功率時，負(fù)荷兩端電壓將降低，即終歸難以穩(wěn)定地運(yùn)行在額定電壓附近 。

b.拓?fù)洳捎玫氖?L濾波器，濾波性能較差，要求電感值 Ls 較大,但 Ls 越大會導(dǎo)致濾波電感的體積和成本相應(yīng)地增加。c. 這種拓?fù)錄]有隔離作用，注入電網(wǎng)的直流和諧波分量容易影響電網(wǎng)中的其他設(shè)備，尤其是可能導(dǎo)致變壓器的直流偏磁或飽和 。

有研究提出的單級多功能并網(wǎng)逆變器拓?fù)淇捎行Э朔陨?個缺陷。該拓?fù)湓谥绷鱾?cè)引入儲能裝置并省去了直流濾波和二極管 VD1、VD2，用 LC 濾波器代替 L 濾波器，并在濾波環(huán)節(jié)和系統(tǒng)之間引入隔離變壓器環(huán)節(jié)。單相微電網(wǎng)系統(tǒng)。 當(dāng)并網(wǎng)開關(guān)閉合時，整個系統(tǒng)處于并網(wǎng)運(yùn)行模式，PV 輸出功率首先供給負(fù)荷，過剩的功率注入電網(wǎng)或向儲能電池充電；相反，不足的功率由電網(wǎng)或儲能電池提供。 當(dāng)并網(wǎng)開關(guān)斷開時，通過控制電池的充放電，可以吸收系統(tǒng)的過剩功率或補(bǔ)償系統(tǒng)的不足功率，使得負(fù)荷兩端電壓維持在額定值附近。 此外，正如前面分析的那樣，當(dāng)系統(tǒng)處于并網(wǎng)運(yùn)行模式時 ，可以通過控制并網(wǎng)逆變器的輸出電流，補(bǔ)償非線性負(fù)荷的諧波電流，從而實(shí)現(xiàn)APF的作用 。

雖然單相系統(tǒng)在民用電中應(yīng)用比較廣泛，但是這種單相多功能并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的功率往往較低，且單相 APF 中諧波電流的檢測也較三相系統(tǒng)復(fù)雜。 此外，這種單相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對于電網(wǎng)而言，是典型的不對稱源，加重了電網(wǎng)的不平衡負(fù)擔(dān)。 因此，三相多功能并網(wǎng)逆變器較單相逆變器具有更高的應(yīng)用價值。 現(xiàn)有三相多功能并網(wǎng)逆變器主要是一些單級或兩級逆變器拓?fù)?，?fù)合的功能主要有 APF、PFC、DVR或統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPQC）等 。

由連鎖故障引起的多次大停電事故，以及由極端氣候條件引起的大電網(wǎng)解列，給傳統(tǒng)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性問題敲響了警鐘。 此外，化石能源的不斷消耗，導(dǎo)致能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題日益加劇，“綠色”、“低碳”成為電力系統(tǒng)發(fā)展的迫切需求。 為了解決傳統(tǒng)電力系統(tǒng)遇到的問題，分布式發(fā)電技術(shù)逐漸回歸歷史舞臺。 研究表明：分布式發(fā)電技術(shù)不但是風(fēng)能、光伏 PV（PhotoVoltaic）等可再生能源并網(wǎng)的重要途徑，而且還能在一定程度上提高傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 為了更好地利用分布式發(fā)電系統(tǒng)將可再生能源接納入電網(wǎng)，整合了可再生能源、儲能和局部負(fù)荷的微電網(wǎng)技術(shù)得到了廣泛的探討。在分布式發(fā)電和微電網(wǎng)技術(shù)中，各種可再生能源或儲能系統(tǒng)一般需要將逆變器作為并網(wǎng)接口。 為了降低分布式發(fā)電系統(tǒng)和微電網(wǎng)中電能質(zhì)量治理的成本、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和裝置體積，提高已有并網(wǎng)逆變器的性價比，有學(xué)者提出了多功能并網(wǎng)逆變器的概念。 所謂多功能并網(wǎng)逆變器即是復(fù)合了并網(wǎng)逆變器完成可再生能源或儲能等微電源并網(wǎng)的功能和其他一些諸如電能治理等功能的并網(wǎng)逆變器。 相對于功能分離的多臺電力電子裝置而言，這種多功能并網(wǎng)逆變器采用同一套裝置，在并網(wǎng)的同時即可完成電能質(zhì)量調(diào)節(jié)等附加功能，大幅降低了系統(tǒng)的投資和體積，尤其適用于分布式發(fā)電系統(tǒng) 。

多功能并網(wǎng)逆變器作為一種特殊的并網(wǎng)逆變器，其控制策略一般沿用了常規(guī)并網(wǎng)逆變器的方法 。

從觸發(fā)脈沖生成方式或稱調(diào)制方式來看，多功能并網(wǎng)逆變器的控制策略主要有 3 種，即：滯環(huán)比較、正弦脈沖寬度調(diào)制 SPWM（Sine Pulse Width Modulation） 和 空 間 矢 量 調(diào) 制 SVM （Space Vector Modulation）。 其中，滯環(huán)比較控制技術(shù)雖然具有動態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，但是由于功率器件的開關(guān)頻率不恒定，給濾波器的設(shè)計(jì)帶來了困難，而恒定開關(guān)頻率的滯環(huán)控制又顯得比較復(fù)雜。 此外，滯環(huán)控制控制器的設(shè)計(jì)不夠靈活。相反，SPWM 技術(shù)具有恒定的開關(guān)頻率和靈活多樣的控制方案，例如：PI（Proportion Integrate）控制、PR（Proportion Resonant）控制、加權(quán)電流反饋控制、無差拍控制、重復(fù)控制等。但是，SPWM 控制的一個最大的缺點(diǎn)在于直流電壓利用率不高。 SVM 是另外一種常用的調(diào)制方式，SVM與 SPWM 之間的區(qū)別在于，SVM 用一系列的電壓空間矢量去逼近旋轉(zhuǎn)電壓矢量，而非 SPWM 中的三角載波調(diào)制。 SVM 的開關(guān)頻率固定，且控制方式靈活，原則上適合 SPWM 的控制方式均可推廣到 SVM 控制中，然而，SVM 控制算法的實(shí)現(xiàn)較 SPWM 稍復(fù)雜。按是否直接對輸出電流進(jìn)行控制，多功能并網(wǎng)逆變器的控制策略又可分為直接電流控制和間接電流控制。間接電流控制通過控制逆變器輸出的電壓來間接控制并網(wǎng)電流，這種控制方式動態(tài)響應(yīng)好，但是對系統(tǒng)參數(shù)敏感，控制方式也不夠靈活。實(shí)際應(yīng)用中，直接電流控制得到了更多的應(yīng)用。由于多功能并網(wǎng)逆變器在實(shí)現(xiàn)基本的并網(wǎng)功能的同時，還要完成對系統(tǒng)無功、諧波或不平衡電流的補(bǔ)償，為了便于指令信號的生成，多功能并網(wǎng)逆變器一般采用直接電流控制。 然而，從調(diào)制方式的角度來看，3 種調(diào)制方式都得到了利用，這主要取決于 3 種調(diào)制方式出現(xiàn)的時間和控制技術(shù)的歷史水平 。

現(xiàn)有多功能并網(wǎng)逆變器的控制方法，從電流控制方式來看主要是一些基于直接電流控制的方法；從控制器及其調(diào)制方式來看主要是一些基于 PI 控制的 SPWM 方法。 正如前面分析的，滯環(huán)控制雖然動態(tài)性能好，但是開關(guān)頻率不固定，不便于濾波器的設(shè)計(jì)，且 THD 較大，在實(shí)際中應(yīng)用得比較少。 雖然 SVM 能提高直流電壓利用率，但是這樣會加重控制器的計(jì)算負(fù)擔(dān)，故應(yīng)用得也不多 。

a. 從現(xiàn)有多功能并網(wǎng)逆變器容量來看，多數(shù)逆變器的容量不大，基本上還停留在實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)階段 。

b. 現(xiàn)有的多功能并網(wǎng)逆變器功能比較單一，復(fù)合功能主要集中在諧波電流、無功電流或不平衡電流補(bǔ)償，電壓補(bǔ)償主要為電壓跌落/中斷補(bǔ)償。 復(fù)合補(bǔ)償電網(wǎng)電壓不平衡和諧波的多功能并網(wǎng)逆變器還有待進(jìn)一步研究。

c. 現(xiàn)有單相多功能 并 網(wǎng) 逆 變 器 的 功 率 普 遍 較小，主要應(yīng)用于小型 PV 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。 而三相多功能并網(wǎng)逆變器的功率普遍比單相系統(tǒng)高，可適用于中大型風(fēng)力發(fā)電場和 PV 電站 。

d. 小功率多功能并網(wǎng)逆變器的開關(guān)頻率普遍較高，如何利用軟開關(guān)技術(shù)降低多功能并網(wǎng)逆變器損耗，提高其效率具有重要的研究價值，然而這方面的研究還不多見 。

對于多功能并網(wǎng)逆變器方面的研究，許多學(xué)者提出了多種不同容量、不同功率等級和復(fù)合了不同功能的多功能并網(wǎng)逆變器拓?fù)浼捌淇刂撇呗?，開辟了多功能并網(wǎng)逆變器這一全新的研究領(lǐng)域。 然而，現(xiàn)有多功能并網(wǎng)逆變器的容量還普遍偏小，復(fù)合功能還不夠完善，各拓?fù)渲g相對獨(dú)立，還沒有一種統(tǒng)一的多功能并網(wǎng)逆變器拓?fù)淅碚摦a(chǎn)生。 對于多功能并網(wǎng)逆變器未來的研究，還可以朝以下幾個方面繼續(xù)努力 。

a. 電力電子拓?fù)洹?建立一種能兼作并聯(lián)補(bǔ)償和串聯(lián)補(bǔ)償?shù)耐ㄓ枚喙δ懿⒕W(wǎng)逆變器拓?fù)洹?當(dāng)用作并聯(lián)補(bǔ)償時，能同時補(bǔ)償諧波電流、無功電流和不平衡電流；當(dāng)用作串聯(lián)補(bǔ)償時，能同時補(bǔ)償電壓諧波、電壓不平衡、電壓跌落或中斷。 此外，現(xiàn)有拓?fù)渲兄绷鱾?cè)的電壓普遍要求較高，這就使得對 PV 等微電源輸出側(cè)電壓要求高，有時甚至需要前級 DC / DC 變換，增加了系統(tǒng)成本，降低了系統(tǒng)效率。 從這個角度來看也需要在原有電力電子拓?fù)涞幕A(chǔ)上提出新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 。

b. 大功率應(yīng)用。 現(xiàn)有多功能并網(wǎng)逆變器試驗(yàn)樣機(jī)的容量普遍偏小，離真正的工業(yè)應(yīng)用還有一定的距離。 由于功率器件耐壓、耐流能力的限制，要真正實(shí)現(xiàn)大功率應(yīng)用可能還需要依賴多電平技術(shù)，或者是多臺多功能并網(wǎng)逆變器的并聯(lián)和串聯(lián)。c. 軟開關(guān)技術(shù)。 當(dāng)多功能并網(wǎng)逆變器的容量較小時，功率管的開關(guān)損耗大幅降低了整個系統(tǒng)的效率；當(dāng)其容量足夠大時，開關(guān)損耗還會給系統(tǒng)的散熱帶來嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。 故有必要研究多功能并網(wǎng)逆變器的軟開關(guān)技術(shù) 。

d. 新型控制策略。 由于多功能并網(wǎng)逆變器控制策略的發(fā)展是隨著控制理論和控制技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，先后經(jīng)歷了滯環(huán)控制、SPWM 控制和 SVM 控制，現(xiàn)在應(yīng)用最多的還是基于 SPWM 的 PI 控制策略。 為了獲得更好的動態(tài)和靜態(tài)性能，需要研究新的控制策略，如：PR 控制、線性最優(yōu)控制、魯棒控制、、反饋線性化控制等。 多功能并網(wǎng)逆變器的并聯(lián)：在一個分布式發(fā)電系統(tǒng)或微電網(wǎng)中，并網(wǎng)逆變器的數(shù)量一般不止一臺，若每臺并網(wǎng)逆變器均具有復(fù)合功能 ，如何實(shí)現(xiàn)多臺多功能并網(wǎng)逆變器的并聯(lián)運(yùn)行也值得深入研究 。

e. 電力電子系統(tǒng)集成穩(wěn)定性。 多功能并網(wǎng)逆變器和常規(guī)并網(wǎng)逆變器等一系列電力電子裝置集成到一個統(tǒng)一的分布式發(fā)電系統(tǒng)或微電網(wǎng)中，在很大程度上會改變整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 如何高效、準(zhǔn)確地分析含有多功能并網(wǎng)逆變器的分布式發(fā)電系統(tǒng)或微電網(wǎng)的穩(wěn)定性也值得進(jìn)一步探討 。