多功能併網逆變器

多功能併網逆變器不但能完成常規併網逆變器實現可再生能源併網的基本功能，而且還複合了治理電能質量問題的功能，可以顯著提高併網逆變器的性能價格比、降低系統的體積和成本，尤其適合於微電網和分散式發電系統套用。新型電力電子拓撲、先進控制策略、軟開關技術、大功率套用以及電力電子集成系統中的穩定性等將會是多功能併網逆變器未來可能的研究方向。

基本介紹

• 中文名：多功能併網逆變器
• 外文名：Multi-functionalgrid inverter

背景

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解列，給傳統電網的安全穩定性問題敲響了警鐘。 此外，化石能源的不斷消耗，導致能源危機和環境污染等問題日益加劇，“綠色”、“低碳”成為電力系統發展的迫切需求。 為了解決傳統電力系統遇到的問題，分散式發電技術逐漸回歸歷史舞台。 研究表明：分散式發電技術不但是風能、光伏 PV（PhotoVoltaic）等可再生能源併網的重要途徑，而且還能在一定程度上提高傳統電力系統的穩定性。 為了更好地利用分散式發電系統將可再生能源接納入電網，整合了可再生能源、儲能和局部負荷的微電網技術得到了廣泛的探討。在分散式發電和微電網技術中，各種可再生能源或儲能系統一般需要將逆變器作為併網接口。 為了降低分散式發電系統和微電網中電能質量治理的成本、運行維護費用和裝置體積，提高已有併網逆變器的性價比，有學者提出了多功能併網逆變器的概念。 所謂多功能併網逆變器即是複合了併網逆變器完成可再生能源或儲能等微電源併網的功能和其他一些諸如電能治理等功能的併網逆變器。 相對於功能分離的多台電力電子裝置而言，這種多功能併網逆變器採用同一套裝置，在併網的同時即可完成電能質量調節等附加功能，大幅降低了系統的投資和體積，尤其適用於分散式發電系統。

單相多功能併網逆變器

單相多功能併網逆變器主要針對家庭套用。 現有單相系統中的多功能 並 網 逆 變 器 主 要 是 一 些 以PV 電池為基礎並複合了諧波 / 無功電流補償或電壓跌落 / 驟升 / 中斷補償等功能的併網逆變器。

在分析多功能併網逆變器之前，有必要簡要介紹一下現有 PV 併網逆變器的一些基本情況。 PV 系統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並注入電網。 高效率和低成本是 PV 併網逆變器設計所要考慮的主要問題。 通常，PV 併網逆變器主要分為兩級和單級 2 類。 兩級並 網 系 統 分 別 由 DC / DC 和 DC / AC 功 率 變 換 器 組成，而單級併網系統則僅含有 DC / AC 變換器。 對於兩級併網系統，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於併網點電壓幅值的水平，並實現最大功率點跟蹤 MPPT（MaximumPower Point Tracking）。 而 DC / AC 逆變器級用於控制注入電網電流的幅值和波形。 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現併網功能，但是需要更多的電路元件，和單級併網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、併網逆變、與電網電壓同步等功能，控制相對複雜一些，且對直流電壓要求高。 雖然兩級和單級 PV 系統各具優勢，但是單級 PV 系統以其優良的性價比得到了更多的套用。

有研究提出了一種基於單相全橋的單級多功能併網逆變器。 整個單相系統由 PV 電池、直流濾波環節、直流控制開關 S1、直流穩壓電容 Cdc、單相全橋、濾波電感 Ls、單相配電網、負荷、負荷開關 S2 和控制器構成。

拓撲能實現 PV 電池的併網和諧波電流的補償。當負荷開關 S2 閉合後，電網和併網逆變器均可向負荷供電。 若負荷較小，併網逆變器輸出的過剩電力注入電網；若負荷較大，併網逆變器輸出功率不足的部分由電網供給。 值得指出的是：當負荷為整流負荷等非線性負荷時，可以通過控制器的調節作用改變併網逆變器的輸出電流，使其提供所需補償的諧波電流，使得電網支路的電流 is 僅為正序基波分量，即併網逆變器可起到並聯有源電力濾波器 APF（Active Power Filter）的作用。有研究利用半橋代替全橋，多功能併網逆變器拓撲。雖然該拓撲用電容代替了功率器件，降低了系統的成本，但是半橋上 2個串聯電容的均壓卻需要額外的控制策略。但這類拓撲具有 3 個明顯的缺陷：

a. 由於 PV 輸出功率具有較大的波動性，這類多功能併網逆變器只能穩定地工作於併網運行模式。拓撲工作於離網運行模式，當PV 電池輸出功率大於負荷的額定功率時，負荷兩端電壓將升高，當 PV 電池輸出功率小於負荷的額定功率時，負荷兩端電壓將降低，即終歸難以穩定地運行在額定電壓附近。

b.拓撲採用的是 L濾波器，濾波性能較差，要求電感值 Ls 較大,但 Ls 越大會導致濾波電感的體積和成本相應地增加。c. 這種拓撲沒有隔離作用，注入電網的直流和諧波分量容易影響電網中的其他設備，尤其是可能導致變壓器的直流偏磁或飽和。

有研究提出的單級多功能併網逆變器拓撲可有效克服以上3個缺陷。該拓撲在直流側引入儲能裝置並省去了直流濾波和二極體 VD1、VD2，用 LC 濾波器代替 L 濾波器，並在濾波環節和系統之間引入隔離變壓器環節。單相微電網系統。 當併網開關閉合時，整個系統處於併網運行模式，PV 輸出功率首先供給負荷，過剩的功率注入電網或向儲能電池充電；相反，不足的功率由電網或儲能電池提供。 當併網開關斷開時，通過控制電池的充放電，可以吸收系統的過剩功率或補償系統的不足功率，使得負荷兩端電壓維持在額定值附近。 此外，正如前面分析的那樣，當系統處於併網運行模式時 ，可以通過控制併網逆變器的輸出電流，補償非線性負荷的諧波電流，從而實現APF的作用。

三相多功能併網逆變器

雖然單相系統在民用電中套用比較廣泛，但是這種單相多功能併網逆變器系統的功率往往較低，且單相 APF 中諧波電流的檢測也較三相系統複雜。 此外，這種單相併網發電系統對於電網而言，是典型的不對稱源，加重了電網的不平衡負擔。 因此，三相多功能併網逆變器較單相逆變器具有更高的套用價值。 現有三相多功能併網逆變器主要是一些單級或兩級逆變器拓撲，複合的功能主要有 APF、PFC、DVR或統一電能質量調節器（UPQC）等。

多功能併網逆變器的控制策略

多功能併網逆變器作為一種特殊的併網逆變器，其控制策略一般沿用了常規併網逆變器的方法。

從觸發脈衝生成方式或稱調製方式來看，多功能併網逆變器的控制策略主要有 3 種，即：滯環比較、正弦脈衝寬度調製 SPWM（Sine Pulse Width Modulation） 和 空 間 矢 量 調 制 SVM （Space Vector Modulation）。 其中，滯環比較控制技術雖然具有動態回響快的優點，但是由於功率器件的開關頻率不恆定，給濾波器的設計帶來了困難，而恆定開關頻率的滯環控制又顯得比較複雜。 此外，滯環控制控制器的設計不夠靈活。相反，SPWM 技術具有恆定的開關頻率和靈活多樣的控制方案，例如：PI（Proportion Integrate）控制、PR（Proportion Resonant）控制、加權電流反饋控制、無差拍控制、重複控制等。但是，SPWM 控制的一個最大的缺點在於直流電壓利用率不高。 SVM 是另外一種常用的調製方式，SVM與 SPWM 之間的區別在於，SVM 用一系列的電壓空間矢量去逼近旋轉電壓矢量，而非 SPWM 中的三角載波調製。 SVM 的開關頻率固定，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 控制算法的實現較 SPWM 稍複雜。按是否直接對輸出電流進行控制，多功能併網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併網電流，這種控制方式動態回響好，但是對系統參數敏感，控制方式也不夠靈活。實際套用中，直接電流控制得到了更多的套用。由於多功能併網逆變器在實現基本的併網功能的同時，還要完成對系統無功、諧波或不平衡電流的補償，為了便於指令信號的生成，多功能併網逆變器一般採用直接電流控制。 然而，從調製方式的角度來看，3 種調製方式都得到了利用，這主要取決於 3 種調製方式出現的時間和控制技術的歷史水平。

現有多功能併網逆變器的控制方法，從電流控制方式來看主要是一些基於直接電流控制的方法；從控制器及其調製方式來看主要是一些基於 PI 控制的 SPWM 方法。 正如前面分析的，滯環控制雖然動態性能好，但是開關頻率不固定，不便於濾波器的設計，且 THD 較大，在實際中套用得比較少。 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算負擔，故套用得也不多。

多功能併網逆變器的發展與展望

a. 從現有多功能併網逆變器容量來看，多數逆變器的容量不大，基本上還停留在實驗室樣機階段。

b. 現有的多功能併網逆變器功能比較單一，複合功能主要集中在諧波電流、無功電流或不平衡電流補償，電壓補償主要為電壓跌落/中斷補償。 複合補償電網電壓不平衡和諧波的多功能併網逆變器還有待進一步研究。
c. 現有單相多功能 並 網 逆 變 器 的 功 率 普 遍 較小，主要套用於小型 PV 併網發電系統。 而三相多功能併網逆變器的功率普遍比單相系統高，可適用於中大型風力發電場和 PV 電站。
d. 小功率多功能併網逆變器的開關頻率普遍較高，如何利用軟開關技術降低多功能併網逆變器損耗，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。

對於多功能併網逆變器方面的研究，許多學者提出了多種不同容量、不同功率等級和複合了不同功能的多功能併網逆變器拓撲及其控制策略，開闢了多功能併網逆變器這一全新的研究領域。 然而，現有多功能併網逆變器的容量還普遍偏小，複合功能還不夠完善，各拓撲之間相對獨立，還沒有一種統一的多功能併網逆變器拓撲理論產生。 對於多功能併網逆變器未來的研究，還可以朝以下幾個方面繼續努力。
a. 電力電子拓撲。 建立一種能兼作並聯補償和串聯補償的通用多功能併網逆變器拓撲。 當用作並聯補償時，能同時補償諧波電流、無功電流和不平衡電流；當用作串聯補償時，能同時補償電壓諧波、電壓不平衡、電壓跌落或中斷。 此外，現有拓撲中直流側的電壓普遍要求較高，這就使得對 PV 等微電源輸出側電壓要求高，有時甚至需要前級 DC / DC 變換，增加了系統成本，降低了系統效率。 從這個角度來看也需要在原有電力電子拓撲的基礎上提出新的拓撲結構。
b. 大功率套用。現有多功能併網逆變器試驗樣機的容量普遍偏小，離真正的工業套用還有一定的距離。 由於功率器件耐壓、耐流能力的限制，要真正實現大功率套用可能還需要依賴多電平技術，或者是多台多功能併網逆變器的並聯和串聯。c. 軟開關技術。 當多功能併網逆變器的容量較小時，功率管的開關損耗大幅降低了整個系統的效率；當其容量足夠大時，開關損耗還會給系統的散熱帶來嚴重的挑戰。 故有必要研究多功能併網逆變器的軟開關技術。
d. 新型控制策略。由於多功能併網逆變器控制策略的發展是隨著控制理論和控制技術的發展而發展，先後經歷了滯環控制、SPWM 控制和 SVM 控制，現在套用最多的還是基於 SPWM 的 PI 控制策略。 為了獲得更好的動態和靜態性能，需要研究新的控制策略，如：PR 控制、線性最優控制、魯棒控制、、反饋線性化控制等。 多功能併網逆變器的並聯：在一個分散式發電系統或微電網中，併網逆變器的數量一般不止一台，若每台併網逆變器均具有複合功能 ，如何實現多台多功能併網逆變器的並聯運行也值得深入研究。

e. 電力電子系統集成穩定性。多功能併網逆變器和常規併網逆變器等一系列電力電子裝置集成到一個統一的分散式發電系統或微電網中，在很大程度上會改變整個系統的穩定性。 如何高效、準確地分析含有多功能併網逆變器的分散式發電系統或微電網的穩定性也值得進一步探討。