先進併網逆變器

併網逆變器是分散式可再生能源接入配電網的重要接口，隨著分散式可再生能源滲透率的不斷提高，併網逆變器在傳統配電網中的地位越發突出。先進併網逆變器是為了高效完成可再生能源分散式併網，並有效降低併網逆變器對電網的衝擊，一些在裝置上、結構上和功能上更加先進的併網逆變器。先進併網逆變器在結構上能更加靈活地將可再生能源分散接入配電網。適用於可再生能源分散接入，使併網逆變器能虛擬同步發電機完成自治運行、電能質量治理、系統阻抗檢測、網路阻抗控制等輔助控制功能。

基本介紹

• 中文名：先進併網逆變器
• 外文名：Advanced grid -connected inverter
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 套用：分散式電源併網協調控制
• 特點：分散式電源接入靈活、功能集成高

背景介紹

隨著全球環境污染問題和化石能源危機的不斷加劇，清潔的可再生能源得到了越來越多的關注。近年來，風力、光伏等非水電可再生能源得到了快速發展，國內建立了大量的大型風力、光伏電站。然而，我國幅員遼闊，風光可再生能源富集區與負荷中心區之間呈逆向分布，使得這些大型風光電站必須通過高壓遠距離輸電走廊才能送達負荷端。由於風速和光照強度的非線性、隨機性和不可控性等特徵，大型風光電站的接入給電力系統的穩定帶來了不小的挑戰。近年來，頻繁出現的風電場事故使得大型風電場的併網小時數偏低，大量棄風不但影響投資成本的回收，還造成巨大的資源浪費。因此，光伏、風機等分散式電源的“分散接入、就近接納、就地產銷”引起了廣泛的關注，國網公司也針對分散式電源併網推出了相關的服務舉措。可以預見，在不久的將來，配電網將從原來的純無源的受端系統逐漸轉變為含有分散式發電系統和微電網的有源系統，有源配電網的概念將更加符合第3代電網中配電網的特徵。總之，在可再生能源從集中併網轉為分散接納的過程中，配電網也將逐步從無源網路轉變為有源網路；同時，還將在配電網側增加大量的分散式併網單元，這些併網單元數量眾多，物理、電氣距離分散，給配電網的安全、穩定、優質、高效運行帶來了巨大的挑戰。

為了應對大量分散式併網發電單元對配電網的衝擊，併網逆變器作為其中的關鍵環節，其地位和作用顯得十分重要。一方面，在可再生能源分散接入的背景下，配電網中將會新增大量的併網逆變器，且這些併網逆變器在物理和電氣上相對分散，使得傳統的集中通信、控制和調度的運行模式面臨巨大的挑戰。給每台併網逆變器配備遠距離通信線，並由第3方統一進行調度和管理顯得十分困難。因此，出現了兩種不同模式的解決方案，即集中式的網路控制方案和分散式的自治運行方案。相對於繁雜的網路控制方案，獨立、自治、不需要第3方通信控制的併網逆變器自治運行方案得到了普遍的認同。另一方面，在配電網中引入大量的併網逆變器裝置，協同配電網中已經普遍存在的非線性、無功和不平衡負荷，會給配電網的電能質量、安全穩定等帶來巨大挑戰。分散式發電系統的串並聯諧振事故頻繁出現報導，三相不平衡低功率因數等電能質量問題也屢見不鮮。這些問題的出現表明：為應對分散式可再生能源的併網，傳統併網逆變器在技術上還有待跟進，一些先進的系統構架、控制策略還有待進一步的研究和開發。

典型併網逆變器介紹

右圖為一個典型的分散式電源併網系統的框圖，分散式電源的直流輸出端接入併網逆變器的直流端，在控制器的作用下由DC/DC、DC/AC變換電路和濾波網路將直流能量轉變為交流能量注入電網。該典型系統框圖適用於單相兩線、三線系統，也適用於三相三線或三相四線系統。其中，併網逆變器的直流電壓變換環節可能不是必需的，對於輸出電壓較高的分散式電源組件可直接通過DC/AC變換後接入電網。值得指出的是，為了滿足電磁兼容的需求，併網逆變器的直流和交流側可能還配置有直流和交流電磁干擾(EMI)濾波器模組。

典型的分散式電源併網系統框圖

先進併網逆變器

裝置級

從裝置級來看，先進併網逆變器在直流電壓變換環節、逆變器電路、濾波網路和功率器件上都可能存在一些不同於傳統併網逆變器的地方。

1)直流電壓變換環節。

從直流電壓變換環節來看，一些先進併網逆變器的結構如右圖所示。傳統併網逆變器的直流電壓變換環節主要為Boost電路，將分散式電源的直流輸出電壓經過泵升後接到DC/AC變換環節，以滿足併網條件。然而，由於Boost電路的電壓抬升能力有限，併網逆變器所能接納的分散式電源直流電壓變化範圍一般比較窄。近年來，各種具有升壓功能的高增益直流電壓變換電路得到了廣泛研究。

基於直流電壓變換環節的先進併網逆變器

同時，為了消除光伏電池板可能存在的泄漏電流對人身安全的危害，一些高頻鏈隔離的直流電壓變換環節也引起了關注。

此外，為了提高DC/AC變換環節運行的靈活性和可靠性，一些先進的併網逆變器改變傳統電壓源變流器的模式，採用電流源、Z源或準Z源變流器結構。

2)變流器拓撲。

從變流器拓撲環節來看，一些先進併網逆變器的結構如右圖所示。為了滿足一些特殊的功能，電流源型、多電平中點箱位(NPC)的變流器拓撲也開始出現在小功率的併網逆變器中，這些拓撲可有效提高併網逆變器的運行性能。需要指出的是，隨著先進IGBT模組結構的出現，譬如RB-IGBT，併網逆變器的多電平實現方式變得更加靈活多樣。

基於變流器結構的先進併網逆變器

為了抑制光伏併網逆變器中可能出現的共模/差模電壓，可採用上文所提到的直流側高頻隔離或交流側低頻隔離的方案，但是這些方案中的變壓器都會增加系統的體積和成本，近來一些新型變流器拓撲的相繼出現為無隔離型併網逆變器的發展奠定了堅實的基礎。同時，為了有效保證可再生能源併網和局部儲能單元的接入，有文獻發現部分變流器拓撲中的開關管可以復用，於是出現了9開關管的新型變流器拓撲。

3)電力電子器件。

從電力電子器件材料的角度來看，隨著SiC等寬禁帶材料器件的不斷發展，具有更小通態電阻、更高開關速度的電力電子器件將極大地提高併網逆變器的開關頻率和效率。對未來體積小、重量輕、效率高的先進併網逆變器提供了可靠的保障。

4)濾波網路。

逆變器的DC/AC逆變器電路將直流電壓或電流變換為開關脈衝量，為了消除開關頻率次諧波電壓、電流分量對電網的影響，一般地，併網逆變電路與電網之間都有無源低通濾波網路。常見的濾波網路主要類型有:L型、LC型、LCL型和 LCLL型，如有圖所示。一般地，L型濾波器的高頻衰減速率僅為20 dB/dec，為了獲得好的高頻紋波電流衰減性能，需要提升電感值;然而，電感值的增大會導致電感體積和成本的增加。於是，出現了LC型和LCL型濾波網路結構，其高頻衰減性能分別為40和60 dB/dec。需要說明的是，LC型濾波網路和等效的電網系統阻抗(主要為電感)一起也構成了一個LCL濾波器結構。顯然，高頻衰減率越高對紋波電流的抑制能力也越強。但是，由於LCL濾波器具有3個儲能元件，其模型是一個三階動態回響方程，存在一個天然的諧振點，這給併網逆變器的穩定和控制帶來了不小的困難。一般地，可以在濾波電容支路增加無源阻尼電阻來阻尼諧振分量，但是電阻的存在使得系統的效率降低。雖然一些具有諧振旁路的改進型LCL濾波器無源阻尼方法能在一定程度上降低阻尼電阻的損耗，但是增加了系統的複雜度。因此，基於控制器的有源阻尼方案得到了廣泛的研究。另一方面，可以通過一些特殊的控制策略來增強LCL濾波併網逆變器的控制性能，譬如：加權電流反饋控制、多環反饋控制、零極點配置控制、基於狀態空間的最佳化控制等。為了獲得更好的濾波性能，降低系統體積。

基於濾波網路的先進併網逆變器

功能級

從可調度能力、電能質量主動治理、電網阻抗檢測、網路阻抗重塑和雙模運行等幾個角度來闡釋先進併網逆變器的功能級控制策略。

1)可調度能力。

可調度方面，在可再生能源分散接入的背景下，國網公司要求單個台區接入容量不大於6MW的分散式電源可以接入10 kV及其以下的配電網。但是，由於在配電網內可能將出現為數眾多的分散式併網單元，使得對這些分散式併網單元進行集中通信調度顯得十分困難。

能使併網逆變器在功能上模擬發電機外特性的控制策略大致有兩種。一種是下垂控制策略，另一種是虛擬同步發電機控制技術。

傳統的下垂控制需要採樣並反饋電網電壓的幅值和頻率，並對其做出回響，來模擬發電機的下垂外特性。這種控制方法，雖然在離網運行的逆變器運行控制及功率分配中取得了不錯的效果，但是對於併網運行的逆變器，利用其模擬發電機的下垂外特性，可能會帶來較大的暫態電流衝擊且這種基於發電機下垂外特性的模擬方法，並不是真正意義地將併網逆變器與發電機做等效。因此，為系統提供慣性和阻尼、為電網提供支撐的性能也難有定論，此外下垂係數的設計對系統的穩定具有十分重要的影響。下垂係數設計不當可能直接導致併網逆變器系統的不穩定。此外，由於系統參數攝動，逆變器參數的不匹配，在離網運行時，傳統下垂控制的功率分配方面也難以實現按逆變器的容量成比例分配。

總之，簡單地利用逆變器來模擬發電機的下垂外特性，雖然能在一定程度上改善逆變器的運行性能，但是還無法從根本上和傳統發電機相比擬。於是，大量的學者開始尋求能徹底將併網逆變器等同於傳統同步發電機的控制策略，這就出現了另一種有趣的控制方案。這類控制策略在併網逆變器的控制環路中人為地引入了發電機的機械運動方程，將併網逆變器的暫態過程變慢，且系統的慣性和阻尼有了明確的物理意義。此外，通過類似勵磁調節器和調頻器的設計，使得傳統下垂控制難以設計的下垂係數變為了與傳統發電機類似的勵磁控制器和頻率調節控制器的設計，使得系統的穩定性有了保障。此類控制策略可以統稱為“虛擬同步發電機”控制。其中，以荷蘭能源研究中心和埃因霍溫理工大學等合作的虛擬同步發電機(VSG)概念、德國克勞斯塔爾工業大學的虛擬同步電機(VISMA)概念和英國謝菲爾德大學鐘慶昌教授的S ynchronverter概念最為著名。

2)電能質量主動治理。

在電能質量方面，分散式的併網發電單元普遍接入的是相對脆弱的、電能質量惡劣的配電網末端，尤其是三相電壓不平衡是配電網的典型特徵。為了保證併網逆變器在電網電壓不平衡、諧波等非理想條件下的持續、不間斷運行，近年來，關於併網逆變器對平衡/不平衡電壓跌落、電壓諧波穿越能力的研究得到了廣泛的關注。一些能在電網電壓不平衡、諧波條件下持續運行的併網逆變器控制策略相繼被提出。這些控制方法能大幅提升併網逆變器應對惡劣配電網電能質量環境的能力。

雖然上述非理想電網電壓穿越控制能有效提升併網逆變器在惡劣配電網電能質量環境下的持續運行能力，但是這種策略相對而言是被動的適應策略，無法從根本上改善或提升配電網的電能質量。因此，在配電網內安裝有源或無源濾波裝置就顯得十分必要。一般地，無源濾波裝置結構簡單、成本低、可靠性高，然而，由於有源電能質量治理裝置運行更加靈活、性能更高，近來得到了越來越多的套用。值得指出的是，一方面，併網逆變器具有和有源濾波器(APF)、動態電壓調節器(DVR)等有源電能質量治理裝置一致的變流器拓撲，即併網逆變器具有治理其接入點配電網電能質量的潛力。另一方面，由於風能、光伏的隨機性、波動性和不可控性，使得風力發電機和光伏電池的出力不可能一直處於滿髮狀態，且併網逆變器的安裝容量本身也較安裝的風力發電機或光伏電池的容量之間存在一定的裕量。故併網逆變器也有能力完成對其接入點電能質量的治理。因此，集成了可再生能源併網和電能質量治理的多功能併網逆變器概念得到了廣泛的關注。因為這種併網逆變器具有一機多職的能力，在無需引入額外電能質量治理裝置的同時即可改善配電網的電能質量，明顯降低系統的投資成本、體積和運行維護費用，提高系統的可靠性。

3)電網阻抗檢測。

電網阻抗對併網逆變器併網電流的電能質量具有較大的影響。系統阻抗越大，對併網逆變器穩定性的影響也越大、電能質量的惡化也越嚴重。此外，大量研究表明，在大規模分散式可再生能源通過併網逆變器接入配電網後，由於系統阻抗網路的不匹配，可能會引起系統的串/並聯諧振，導致併網逆變器的無故障跳閘，危及系統的安全穩定運行。因此，系統阻抗對分散式可再生能源併網單元具有重要的意義。歐洲和德國的一些併網技術標準明確要求併網逆變器檢測系統阻抗，並在系統阻抗急劇變化時停機或切換至孤島運行模式，可見系統阻抗的檢測也應成為分散式併網發電單元的一個重要組成部分。

一般地，系統阻抗的檢測方法可分為測量法和估計法兩大類。在測量法中，直接利用額外的測量裝置檢測系統的阻抗，該方法簡潔可行，但是會引入額外的硬體投入。相反，估計法則直接利用併網逆變器已有的數字控制器來完成對系統阻抗的檢測，這類方法又分為有源法和無源法。一般地，有源法即通過向系統施加間歇性的擾動，來識別系統阻抗，比較常見的是向系統注入間諧波電流。右圖(a)可知，當假設電網電壓不含有間諧波時，由疊加原理可知，當逆變器向電網注入間諧波時系統的等效框圖如右圖 (b)所示。因此，此時只需要檢查併網逆變器出口電壓和電流的間諧波含量、即可檢查出系統阻抗。

基於間諧波注入的系統阻抗檢測方法

4)阻抗重塑。

以上分析表明，系統的阻抗對併網逆變器的運行具有十分重要的影響，也有部分方法能有效檢測出系統阻抗的大小。但是，為了改善系統阻抗，尤其是向系統提供必要的阻尼，以抑制可能出現的串/並聯諧振現象，需要對已有的系統阻抗進行重塑。也即，改變併網逆變器的外特性，使得併網逆變器更多地呈現電阻特性，向原本電感和電容因素複雜的電網提供更多的阻尼。

一般地，併網逆變器呈現感性，系統的線路也呈現感性，而濾波電容等呈現容性，當系統電阻分量的阻尼不足時，很容易在這些電感、電容之間形成串並聯諧振。若通過併網逆變器向系統注入必要的阻性成分，即可有效地抑制串並聯諧振，這就是阻抗重塑的概念。特別地，出於物理完備性的考慮，在有L型、R型逆變器的基礎上，也應該存在C型逆變器。因此，謝菲爾德大學的鐘慶昌教授給出了C型併網逆變器在離網運行模式下能有效降低輸出電壓諧波的實驗驗證。R型和C型併網逆變器的附加控制策略如右圖所示。

基於逆變器的系統阻抗重塑

5)併網逆變器的雙模運行。

在雙模運行方面，為了提高分散式可再生能源併網的高效性和靈活性，越來越多的併網逆變器要求具有孤島、併網雙模式運行能力。即在電網正常模式下，併網逆變器併網運行;當電網故障時，併網逆變器應該能孤島運行，向本地關鍵負荷提供高質量的電能供給，雙模併網逆變器的概念由此而生。為了保證不同運行模式切換過程中對本地關鍵負荷的不間斷供電，併網逆變器在不同運行模式之

間的無縫切換技術顯得十分必要。

電流控制級

為了保證對併網電流的有效、精確跟蹤，併網電流的跟蹤控制也是先進併網逆變器中必不可少的環節。本文以併網同步和併網電流調節兩部分作詳細闡述，如右圖所示。

基於電流控制級的先進併網逆變器

1)併網同步。

為了實現精確的併網功率跟蹤，電網電壓的相位信息對於併網逆變器十分重要，其在併網參考電流的計算中顯得十分關鍵。雖然存在一些無鎖相環的參考電流生成算法，但是，其應對電網頻率變化的能力較差。

為了獲得電網電壓的頻率和相位，一般有硬體鎖相環和軟體鎖相環兩種方法。在硬體鎖相環中，需要利用過零比較來完成對電網電壓相位的跟蹤。但是，這種方法回響速度慢，精度受到感測器、過零比較器和AD精度的限制，且無法克服電網電壓諧波和不平衡的干擾。因此，基於軟體的數字鎖相環近來得到了越來越多的關注。

2)併網電流調節。

為了獲得更好的併網電流跟蹤性能及更快的回響速度和跟蹤精度，併網電流調節控制顯得十分重要，除PI控制器之外的一些先進併網電流跟蹤控制策略，得到了越來越多的關注。

分析與討論

從上文的基於裝置級、功能級和電流控制級的先進併網逆變器研究綜述來看，適合於分散式電源併網的、先進的併網逆變器在傳統併網逆變器基本框架的基礎上通過對系統硬體和軟體的改造，使得這些先進併網逆變器的結構更加最佳化、功能更加多樣、性能更加提升。然而，從大規模分散式可再生能源分散接入的角度來看，硬體改造可能需要更多的技術、經濟投入和更長的開發周期。如果在軟體上對傳統併網逆變器進行改造，使其適應並主動改善配電網複雜的運行環境，其投入成本會大大降低，不僅能在一定程度上減輕併網逆變器對配電網的衝擊，還能提升配電網對分散式可再生電源的接納能力。

基於以上分析，可以發現:一個完善的先進併網逆變器在傳統硬體電路框架的基礎上，可能還應具備強大的功能級和電流調節級的先進控制策略。這些策略包括:先進的數字鎖相技術和並/離網運行模式無縫切換技術，包含虛擬同步發電機技術、系統阻抗線上辨識及孤島保護技術、諧波和無功電流補償功能、低電壓/諧波電壓穿越技術、系統阻抗重塑技術等一系列的軟體控制模組。

結語

針對先進併網逆變器，從硬體裝置、輔助功能和電流調節的角度進行了綜述，探討了先進併網逆變器在降低大規模可再生能源分散接入對配電網衝擊，提升配電網接納分散可再生能源能力方面可能採取的措施。分析了先進併網變流器應具備的控制功能和控制策略的研究方向，對併網變流器的研究具有一定的指導意義。