一种新型多功能变流器，可同时调节电压质量和调控并网功率

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针对微电网中突出的电压质量问题和新能源的消纳需求，国家电能变换与控制工程技术研究中心（湖南大学）、长沙理工大学电气与信息工程学院的研究人员涂春鸣、李庆、郭祺、高家元、姜飞，在2020年第23期《电工技术学报》上撰文，提出了一种可同时实现电压质量调节和并网功率调控的串并联一体化变流器。

在能源危机和环境污染的时代背景下，新能源的不断接入及应用，促使现代配电网正从传统单向辐射状供电向潮流双向流动方向发展，未来电网将呈现大电网与微电网并存的格局。然而，随着微电网中负荷种类的逐渐增多，用户对电能质量和优质服务的要求越来越高，微电网结构和运行模式如何变化、如何更高效运行得到了广泛关注。

目前微电网技术虽能解决新能源发电的入网问题，但微电网一般处于配电网末端，极易受电网电压暂降和瞬时中断等扰动的影响，危害负荷的正常运行。有学者分析了微电网中电能质量问题的起因，开辟了这一研究领域。有学者指出，当微电网中电压出现较大的谐波畸变时，可能会造成并网逆变器失稳而脱网。因此，改善微电网的电能质量具有重要意义。在这一方面，动态电压恢复器等作为有效的治理装置虽然常用，但其功能单一，且在系统正常时处于闲置状态，利用率不高。

因此，为提升逆变器性能和提高电网稳定性，具有改善电能质量能力的多功能并网逆变器（MFGCI）逐步受到关注。有学者提出了一种MFGCI拓扑，通过控制指令的叠加能同时实现微网功率控制、谐波治理和无功补偿等功能。出于同样的目的，有学者提出了一种混合储能的并网变流器多目标控制策略，有效发挥了储能在平抑功率波动方面的优势。

有学者提出采用CPT(conservative power theory)理论提取电流谐波和不平衡分量，可简化计算和有效减少算法实现所需的存储空间。然而，由于控制指令的可叠加性，以上研究均着重于并网逆变器功率控制和电流相关问题的研究，鲜有考虑跌落等电压问题。但在对电动机等敏感负载的供电过程中，系统电压波动会直接影响产品质量，严重时还会损坏机器。因此，进一步研究具备电压质量调节能力的多功能变流器十分必要。

有学者提出了一种基于光蓄发电的微电网动态电压恢复器，通过在拓扑中安装一系列功率开关以实现电压调节、新能源消纳等功能。有学者亦采用类似方法，该方法虽能扩展功能，但通过额外增加继电器等开关实现各功能的切换可能导致延时、瞬态冲击等问题。

有学者提出了一种动态电压恢复器矢量控制方法，实现了对新能源的利用和对电压问题的治理，但这种方法随着新能源输出能量的增多，对直流侧电压的要求也越来越高。还有学者则提出了一种电力弹簧新拓扑，但重点在于通过调节和牺牲非关键负载电压，转移新能源发电的功率波动，进而降低直流侧储能系统的充放电电流以优化其存储容量。

基于以上分析，国家电能变换与控制工程技术研究中心（湖南大学）、长沙理工大学电气与信息工程学院的研究人员在充分考虑应用于不同场景的变流器在结构、控制上的共性及差异的基础上，提出了一种能同时实现并网功率调控和电压质量调节的多功能变流器（MFC）。在单相全桥逆变器的基础上，通过构造和复用直流侧电容支路，所提拓扑便可解耦和独立控制逆变器两桥臂，从而实现对其输出电压和输出电流的独立控制，同时实现多种功能。

图1  MFC控制策略

根据电网状况可将其分为两种工作模式：电网电压正常时，工作于并网功率调控模式，实现对新能源发电的充分利用；电网电压波动时，工作于功率调控兼电压调节模式，可同时实现对功率的调控和对电压波动的补偿。

通过对结构解耦和独立控制，MFC在电网电压正常时，工作于并网功率调控模式，根据新能源发电量进行功率调控以实现对新能源的充分利用；在电网电压出现暂升/暂降等问题时，工作于功率调控兼电压调节模式，无需增加切换开关便可同时且有效实现负载电压稳定和微网功率调控。

图2  RT-LAB硬件在环实验平台

接着，对所提拓扑进行了详细的模式分析，建立了电路模型说明工作原理，制定了控制策略，分析了稳态误差。最后，利用Simulink仿真及RT-LAB硬件在环实验验证了所提拓扑与控制策略的有效性。

基于这种可同时实现电压质量调节和并网功率调控的串并联一体化多功能变流器，得到如下结论：

1）在单相全桥逆变器的基础上，当控制指令无法叠加时，扩展变流器的功能主要有两种方式：增加切换开关进行拓扑转换和对变流器进行解耦控制。通过对变流器进行结构解耦，能有效实现对其输出电压和输出电流的独立控制，进而保证了不同工况下关键负载侧的电压稳定和对新能源的充分消纳，提升了装置利用率。

2）详细分析了不同工作模式下电路的导通状态，建立了电路模型说明原理和分析器件承受的应力。制定了控制策略及验证稳态下的零输出误差，最后利用仿真和半实物实验验证了拓扑、方法及功能的有效性。

3）目前基于单相全桥变换器的串并联一体化设计按桥臂接线方式可划分为三类，针对微电网中突出的电压质量问题和新能源的消纳需求，将MFC应用于关键负载侧，有效拓宽了装置的应用范围。此外，共用电容支路还可选择用开关管代替，为多功能变换器的研究与应用提供一定参考。

以上研究成果发表在2020年第23期《电工技术学报》，论文标题为“具备电压质量调节能力的串并联一体化多功能变流器”，作者为涂春鸣、李庆、郭祺、高家元、姜飞。

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