多功能并网逆变器

单相多功能并网逆变器主要针对家庭应用。 现有单相系统中的多功能 并 网 逆 变 器 主 要 是 一 些 以PV 电池为基础并复合了谐波 / 无功电流补偿或电压跌落 / 骤升 / 中断补偿等功能的并网逆变器 。

在分析多功能并网逆变器之前，有必要简要介绍一下现有 PV 并网逆变器的一些基本情况。 PV 系统中电力电子变流器的主要功能是将 PV 电池输出的直流电变换为交流电并注入电网。 高效率和低成本是 PV 并网逆变器设计所要考虑的主要问题。 通常，PV 并网逆变器主要分为两级和单级 2 类。 两级并 网 系 统 分 别 由 DC / DC 和 DC / AC 功 率 变 换 器 组成，而单级并网系统则仅含有 DC / AC 变换器。 对于两级并网系统，DC / DC 功率变换器级利用 Boost 电路将 PV 电池的直流电压提升到大于并网点电压幅值的水平，并实现最大功率点跟踪 MPPT（MaximumPower Point Tracking）。 而 DC / AC 逆变器级用于控制注入电网电流的幅值和波形。 两级功率变换对直流电压的要求低，只需要较低的直流电压即可实现并网功能，但是需要更多的电路元件，和单级并网逆变器相比存在低效率、高成本和大尺寸的不足。 另一方面，单级系统虽然所需元器件少、效率高，但是需要在 DC/ AC 控制中同时完成 MPPT、并网逆变、与电网电压同步等功能，控制相对复杂一些，且对直流电压要求高。 虽然两级和单级 PV 系统各具优势，但是单级 PV 系统以其优良的性价比得到了更多的应用 。

有研究提出了一种基于单相全桥的单级多功能并网逆变器。 整个单相系统由 PV 电池、直流滤波环节、直流控制开关 S1、直流稳压电容 Cdc、单相全桥、滤波电感 Ls、单相配电网、负荷、负荷开关 S2 和控制器构成。

拓扑能实现 PV 电池的并网和谐波电流的补偿。当负荷开关 S2 闭合后，电网和并网逆变器均可向负荷供电。 若负荷较小，并网逆变器输出的过剩电力注入电网；若负荷较大，并网逆变器输出功率不足的部分由电网供给。 值得指出的是：当负荷为整流负荷等非线性负荷时，可以通过控制器的调节作用改变并网逆变器的输出电流，使其提供所需补偿的谐波电流，使得电网支路的电流 is 仅为正序基波分量，即并网逆变器可起到并联有源电力滤波器 APF（Active Power Filter）的作用。有研究利用半桥代替全桥，多功能并网逆变器拓扑。虽然该拓扑用电容代替了功率器件，降低了系统的成本，但是半桥上 2个串联电容的均压却需要额外的控制策略 。但这类拓扑具有 3 个明显的缺陷：

a. 由于 PV 输出功率具有较大的波动性，这类多功能并网逆变器只能稳定地工作于并网运行模式。拓扑工作于离网运行模式，当PV 电池输出功率大于负荷的额定功率时，负荷两端电压将升高，当 PV 电池输出功率小于负荷的额定功率时，负荷两端电压将降低，即终归难以稳定地运行在额定电压附近 。

b.拓扑采用的是 L滤波器，滤波性能较差，要求电感值 Ls 较大,但 Ls 越大会导致滤波电感的体积和成本相应地增加。c. 这种拓扑没有隔离作用，注入电网的直流和谐波分量容易影响电网中的其他设备，尤其是可能导致变压器的直流偏磁或饱和 。

有研究提出的单级多功能并网逆变器拓扑可有效克服以上3个缺陷。该拓扑在直流侧引入储能装置并省去了直流滤波和二极管 VD1、VD2，用 LC 滤波器代替 L 滤波器，并在滤波环节和系统之间引入隔离变压器环节。单相微电网系统。 当并网开关闭合时，整个系统处于并网运行模式，PV 输出功率首先供给负荷，过剩的功率注入电网或向储能电池充电；相反，不足的功率由电网或储能电池提供。 当并网开关断开时，通过控制电池的充放电，可以吸收系统的过剩功率或补偿系统的不足功率，使得负荷两端电压维持在额定值附近。 此外，正如前面分析的那样，当系统处于并网运行模式时 ，可以通过控制并网逆变器的输出电流，补偿非线性负荷的谐波电流，从而实现APF的作用 。

虽然单相系统在民用电中应用比较广泛，但是这种单相多功能并网逆变器系统的功率往往较低，且单相 APF 中谐波电流的检测也较三相系统复杂。 此外，这种单相并网发电系统对于电网而言，是典型的不对称源，加重了电网的不平衡负担。 因此，三相多功能并网逆变器较单相逆变器具有更高的应用价值。 现有三相多功能并网逆变器主要是一些单级或两级逆变器拓扑，复合的功能主要有 APF、PFC、DVR或统一电能质量调节器（UPQC）等 。

由连锁故障引起的多次大停电事故，以及由极端气候条件引起的大电网解列，给传统电网的安全稳定性问题敲响了警钟。 此外，化石能源的不断消耗，导致能源危机和环境污染等问题日益加剧，“绿色”、“低碳”成为电力系统发展的迫切需求。 为了解决传统电力系统遇到的问题，分布式发电技术逐渐回归历史舞台。 研究表明：分布式发电技术不但是风能、光伏 PV（PhotoVoltaic）等可再生能源并网的重要途径，而且还能在一定程度上提高传统电力系统的稳定性。 为了更好地利用分布式发电系统将可再生能源接纳入电网，整合了可再生能源、储能和局部负荷的微电网技术得到了广泛的探讨。在分布式发电和微电网技术中，各种可再生能源或储能系统一般需要将逆变器作为并网接口。 为了降低分布式发电系统和微电网中电能质量治理的成本、运行维护费用和装置体积，提高已有并网逆变器的性价比，有学者提出了多功能并网逆变器的概念。 所谓多功能并网逆变器即是复合了并网逆变器完成可再生能源或储能等微电源并网的功能和其他一些诸如电能治理等功能的并网逆变器。 相对于功能分离的多台电力电子装置而言，这种多功能并网逆变器采用同一套装置，在并网的同时即可完成电能质量调节等附加功能，大幅降低了系统的投资和体积，尤其适用于分布式发电系统 。

多功能并网逆变器作为一种特殊的并网逆变器，其控制策略一般沿用了常规并网逆变器的方法 。

从触发脉冲生成方式或称调制方式来看，多功能并网逆变器的控制策略主要有 3 种，即：滞环比较、正弦脉冲宽度调制 SPWM（Sine Pulse Width Modulation） 和 空 间 矢 量 调 制 SVM （Space Vector Modulation）。 其中，滞环比较控制技术虽然具有动态响应快的优点，但是由于功率器件的开关频率不恒定，给滤波器的设计带来了困难，而恒定开关频率的滞环控制又显得比较复杂。 此外，滞环控制控制器的设计不够灵活。相反，SPWM 技术具有恒定的开关频率和灵活多样的控制方案，例如：PI（Proportion Integrate）控制、PR（Proportion Resonant）控制、加权电流反馈控制、无差拍控制、重复控制等。但是，SPWM 控制的一个最大的缺点在于直流电压利用率不高。 SVM 是另外一种常用的调制方式，SVM与 SPWM 之间的区别在于，SVM 用一系列的电压空间矢量去逼近旋转电压矢量，而非 SPWM 中的三角载波调制。 SVM 的开关频率固定，且控制方式灵活，原则上适合 SPWM 的控制方式均可推广到 SVM 控制中，然而，SVM 控制算法的实现较 SPWM 稍复杂。按是否直接对输出电流进行控制，多功能并网逆变器的控制策略又可分为直接电流控制和间接电流控制。间接电流控制通过控制逆变器输出的电压来间接控制并网电流，这种控制方式动态响应好，但是对系统参数敏感，控制方式也不够灵活。实际应用中，直接电流控制得到了更多的应用。由于多功能并网逆变器在实现基本的并网功能的同时，还要完成对系统无功、谐波或不平衡电流的补偿，为了便于指令信号的生成，多功能并网逆变器一般采用直接电流控制。 然而，从调制方式的角度来看，3 种调制方式都得到了利用，这主要取决于 3 种调制方式出现的时间和控制技术的历史水平 。

现有多功能并网逆变器的控制方法，从电流控制方式来看主要是一些基于直接电流控制的方法；从控制器及其调制方式来看主要是一些基于 PI 控制的 SPWM 方法。 正如前面分析的，滞环控制虽然动态性能好，但是开关频率不固定，不便于滤波器的设计，且 THD 较大，在实际中应用得比较少。 虽然 SVM 能提高直流电压利用率，但是这样会加重控制器的计算负担，故应用得也不多 。

a. 从现有多功能并网逆变器容量来看，多数逆变器的容量不大，基本上还停留在实验室样机阶段 。

b. 现有的多功能并网逆变器功能比较单一，复合功能主要集中在谐波电流、无功电流或不平衡电流补偿，电压补偿主要为电压跌落/中断补偿。 复合补偿电网电压不平衡和谐波的多功能并网逆变器还有待进一步研究。

c. 现有单相多功能 并 网 逆 变 器 的 功 率 普 遍 较小，主要应用于小型 PV 并网发电系统。 而三相多功能并网逆变器的功率普遍比单相系统高，可适用于中大型风力发电场和 PV 电站 。

d. 小功率多功能并网逆变器的开关频率普遍较高，如何利用软开关技术降低多功能并网逆变器损耗，提高其效率具有重要的研究价值，然而这方面的研究还不多见 。

对于多功能并网逆变器方面的研究，许多学者提出了多种不同容量、不同功率等级和复合了不同功能的多功能并网逆变器拓扑及其控制策略，开辟了多功能并网逆变器这一全新的研究领域。 然而，现有多功能并网逆变器的容量还普遍偏小，复合功能还不够完善，各拓扑之间相对独立，还没有一种统一的多功能并网逆变器拓扑理论产生。 对于多功能并网逆变器未来的研究，还可以朝以下几个方面继续努力 。

a. 电力电子拓扑。 建立一种能兼作并联补偿和串联补偿的通用多功能并网逆变器拓扑。 当用作并联补偿时，能同时补偿谐波电流、无功电流和不平衡电流；当用作串联补偿时，能同时补偿电压谐波、电压不平衡、电压跌落或中断。 此外，现有拓扑中直流侧的电压普遍要求较高，这就使得对 PV 等微电源输出侧电压要求高，有时甚至需要前级 DC / DC 变换，增加了系统成本，降低了系统效率。 从这个角度来看也需要在原有电力电子拓扑的基础上提出新的拓扑结构 。

b. 大功率应用。 现有多功能并网逆变器试验样机的容量普遍偏小，离真正的工业应用还有一定的距离。 由于功率器件耐压、耐流能力的限制，要真正实现大功率应用可能还需要依赖多电平技术，或者是多台多功能并网逆变器的并联和串联。c. 软开关技术。 当多功能并网逆变器的容量较小时，功率管的开关损耗大幅降低了整个系统的效率；当其容量足够大时，开关损耗还会给系统的散热带来严重的挑战。 故有必要研究多功能并网逆变器的软开关技术 。

d. 新型控制策略。 由于多功能并网逆变器控制策略的发展是随着控制理论和控制技术的发展而发展，先后经历了滞环控制、SPWM 控制和 SVM 控制，现在应用最多的还是基于 SPWM 的 PI 控制策略。 为了获得更好的动态和静态性能，需要研究新的控制策略，如：PR 控制、线性最优控制、鲁棒控制、、反馈线性化控制等。 多功能并网逆变器的并联：在一个分布式发电系统或微电网中，并网逆变器的数量一般不止一台，若每台并网逆变器均具有复合功能 ，如何实现多台多功能并网逆变器的并联运行也值得深入研究 。

e. 电力电子系统集成稳定性。 多功能并网逆变器和常规并网逆变器等一系列电力电子装置集成到一个统一的分布式发电系统或微电网中，在很大程度上会改变整个系统的稳定性。 如何高效、准确地分析含有多功能并网逆变器的分布式发电系统或微电网的稳定性也值得进一步探讨 。