- 頭條一種新型多功能變流器，可同時調節電壓質量和調控并網功率2021-11-20 作者：涂春鳴 李慶 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語針對微電網中突出的電壓質量問題和新能源的消納需求，國家電能變換與控制工程技術研究中心（湖南大學）、長沙理工大學電氣與信息工程學院的研究人員涂春鳴、李慶、郭祺、高家元、姜飛，在2020年第23期《電工技術學報》上撰文，提出了一種可同時實現電壓質量調節和并網功率調控的串并聯一體化變流器。
在能源危機和環境污染的時代背景下，新能源的不斷接入及應用，促使現代配電網正從傳統單向輻射狀供電向潮流雙向流動方向發展，未來電網將呈現大電網與微電網并存的格局。然而，隨著微電網中負荷種類的逐漸增多，用戶對電能質量和優質服務的要求越來越高，微電網結構和運行模式如何變化、如何更高效運行得到了廣泛關注。
目前微電網技術雖能解決新能源發電的入網問題，但微電網一般處于配電網末端，極易受電網電壓暫降和瞬時中斷等擾動的影響，危害負荷的正常運行。有學者分析了微電網中電能質量問題的起因，開辟了這一研究領域。有學者指出，當微電網中電壓出現較大的諧波畸變時，可能會造成并網逆變器失穩而脫網。
因此，改善微電網的電能質量具有重要意義。在這一方面，動態電壓恢復器等作為有效的治理裝置雖然常用，但其功能單一，且在系統正常時處于閑置狀態，利用率不高。
因此，為提升逆變器性能和提高電網穩定性，具有改善電能質量能力的多功能并網逆變器（MFGCI）逐步受到關注。有學者提出了一種MFGCI拓撲，通過控制指令的疊加能同時實現微網功率控制、諧波治理和無功補償等功能。出于同樣的目的，有學者提出了一種混合儲能的并網變流器多目標控制策略，有效發揮了儲能在平抑功率波動方面的優勢。
有學者提出采用CPT(conservative power theory)理論提取電流諧波和不平衡分量，可簡化計算和有效減少算法實現所需的存儲空間。然而，由于控制指令的可疊加性，以上研究均著重于并網逆變器功率控制和電流相關問題的研究，鮮有考慮跌落等電壓問題。但在對電動機等敏感負載的供電過程中，系統電壓波動會直接影響產品質量，嚴重時還會損壞機器。因此，進一步研究具備電壓質量調節能力的多功能變流器十分必要。
有學者提出了一種基于光蓄發電的微電網動態電壓恢復器，通過在拓撲中安裝一系列功率開關以實現電壓調節、新能源消納等功能。有學者亦采用類似方法，該方法雖能擴展功能，但通過額外增加繼電器等開關實現各功能的切換可能導致延時、瞬態沖擊等問題。
有學者提出了一種動態電壓恢復器矢量控制方法，實現了對新能源的利用和對電壓問題的治理，但這種方法隨著新能源輸出能量的增多，對直流側電壓的要求也越來越高。還有學者則提出了一種電力彈簧新拓撲，但重點在于通過調節和犧牲非關鍵負載電壓，轉移新能源發電的功率波動，進而降低直流側儲能系統的充放電電流以優化其存儲容量。
基于以上分析，國家電能變換與控制工程技術研究中心（湖南大學）、長沙理工大學電氣與信息工程學院的研究人員在充分考慮應用于不同場景的變流器在結構、控制上的共性及差異的基礎上，提出了一種能同時實現并網功率調控和電壓質量調節的多功能變流器（MFC）。在單相全橋逆變器的基礎上，通過構造和復用直流側電容支路，所提拓撲便可解耦和獨立控制逆變器兩橋臂，從而實現對其輸出電壓和輸出電流的獨立控制，同時實現多種功能。
圖1 MFC控制策略
根據電網狀況可將其分為兩種工作模式：電網電壓正常時，工作于并網功率調控模式，實現對新能源發電的充分利用；電網電壓波動時，工作于功率調控兼電壓調節模式，可同時實現對功率的調控和對電壓波動的補償。
通過對結構解耦和獨立控制，MFC在電網電壓正常時，工作于并網功率調控模式，根據新能源發電量進行功率調控以實現對新能源的充分利用；在電網電壓出現暫升/暫降等問題時，工作于功率調控兼電壓調節模式，無需增加切換開關便可同時且有效實現負載電壓穩定和微網功率調控。
圖2 RT-LAB硬件在環實驗平臺
接著，對所提拓撲進行了詳細的模式分析，建立了電路模型說明工作原理，制定了控制策略，分析了穩態誤差。最后，利用Simulink仿真及RT-LAB硬件在環實驗驗證了所提拓撲與控制策略的有效性。
基于這種可同時實現電壓質量調節和并網功率調控的串并聯一體化多功能變流器，得到如下結論：
1）在單相全橋逆變器的基礎上，當控制指令無法疊加時，擴展變流器的功能主要有兩種方式：增加切換開關進行拓撲轉換和對變流器進行解耦控制。通過對變流器進行結構解耦，能有效實現對其輸出電壓和輸出電流的獨立控制，進而保證了不同工況下關鍵負載側的電壓穩定和對新能源的充分消納，提升了裝置利用率。
2）詳細分析了不同工作模式下電路的導通狀態，建立了電路模型說明原理和分析器件承受的應力。制定了控制策略及驗證穩態下的零輸出誤差，最后利用仿真和半實物實驗驗證了拓撲、方法及功能的有效性。
3）目前基于單相全橋變換器的串并聯一體化設計按橋臂接線方式可劃分為三類，針對微電網中突出的電壓質量問題和新能源的消納需求，將MFC應用于關鍵負載側，有效拓寬了裝置的應用范圍。此外，共用電容支路還可選擇用開關管代替，為多功能變換器的研究與應用提供一定參考。
以上研究成果發表在2020年第23期《電工技術學報》，論文標題為“具備電壓質量調節能力的串并聯一體化多功能變流器”，作者為涂春鳴、李慶、郭祺、高家元、姜飛。
