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在能源危機和環(huán)境污染的時代背景下，新能源的不斷接入及應(yīng)用，促使現(xiàn)代配電網(wǎng)正從傳統(tǒng)單向輻射狀供電向潮流雙向流動方向發(fā)展，未來電網(wǎng)將呈現(xiàn)大電網(wǎng)與微電網(wǎng)并存的格局。然而，隨著微電網(wǎng)中負荷種類的逐漸增多，用戶對電能質(zhì)量和優(yōu)質(zhì)服務(wù)的要求越來越高，微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運行模式如何變化、如何更高效運行得到了廣泛關(guān)注。

目前微電網(wǎng)技術(shù)雖能解決新能源發(fā)電的入網(wǎng)問題，但微電網(wǎng)一般處于配電網(wǎng)末端，極易受電網(wǎng)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(xué)者分析了微電網(wǎng)中電能質(zhì)量問題的起因，開辟了這一研究領(lǐng)域。有學(xué)者指出，當微電網(wǎng)中電壓出現(xiàn)較大的諧波畸變時，可能會造成并網(wǎng)逆變器失穩(wěn)而脫網(wǎng)。

因此，改善微電網(wǎng)的電能質(zhì)量具有重要意義。在這一方面，動態(tài)電壓恢復(fù)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(tǒng)正常時處于閑置狀態(tài)，利用率不高。

因此，為提升逆變器性能和提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，具有改善電能質(zhì)量能力的多功能并網(wǎng)逆變器（MFGCI）逐步受到關(guān)注。有學(xué)者提出了一種MFGCI拓撲，通過控制指令的疊加能同時實現(xiàn)微網(wǎng)功率控制、諧波治理和無功補償?shù)裙δ?。出于同樣的目的，有學(xué)者提出了一種混合儲能的并網(wǎng)變流器多目標控制策略，有效發(fā)揮了儲能在平抑功率波動方面的優(yōu)勢。

有學(xué)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(xiàn)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(wǎng)逆變器功率控制和電流相關(guān)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(tǒng)電壓波動會直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴重時還會損壞機器。因此，進一步研究具備電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)能力的多功能變流器十分必要。

有學(xué)者提出了一種基于光蓄發(fā)電的微電網(wǎng)動態(tài)電壓恢復(fù)器，通過在拓撲中安裝一系列功率開關(guān)以實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)、新能源消納等功能。有學(xué)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(guān)實現(xiàn)各功能的切換可能導(dǎo)致延時、瞬態(tài)沖擊等問題。

有學(xué)者提出了一種動態(tài)電壓恢復(fù)器矢量控制方法，實現(xiàn)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(cè)電壓的要求也越來越高。還有學(xué)者則提出了一種電力彈簧新拓撲，但重點在于通過調(diào)節(jié)和犧牲非關(guān)鍵負載電壓，轉(zhuǎn)移新能源發(fā)電的功率波動，進而降低直流側(cè)儲能系統(tǒng)的充放電電流以優(yōu)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(shù)研究中心（湖南大學(xué)）、長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院的研究人員在充分考慮應(yīng)用于不同場景的變流器在結(jié)構(gòu)、控制上的共性及差異的基礎(chǔ)上，提出了一種能同時實現(xiàn)并網(wǎng)功率調(diào)控和電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)的多功能變流器（MFC）。在單相全橋逆變器的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)造和復(fù)用直流側(cè)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(xiàn)對其輸出電壓和輸出電流的獨立控制，同時實現(xiàn)多種功能。

圖1 MFC控制策略

根據(jù)電網(wǎng)狀況可將其分為兩種工作模式：電網(wǎng)電壓正常時，工作于并網(wǎng)功率調(diào)控模式，實現(xiàn)對新能源發(fā)電的充分利用；電網(wǎng)電壓波動時，工作于功率調(diào)控兼電壓調(diào)節(jié)模式，可同時實現(xiàn)對功率的調(diào)控和對電壓波動的補償。

通過對結(jié)構(gòu)解耦和獨立控制，MFC在電網(wǎng)電壓正常時，工作于并網(wǎng)功率調(diào)控模式，根據(jù)新能源發(fā)電量進行功率調(diào)控以實現(xiàn)對新能源的充分利用；在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)暫升/暫降等問題時，工作于功率調(diào)控兼電壓調(diào)節(jié)模式，無需增加切換開關(guān)便可同時且有效實現(xiàn)負載電壓穩(wěn)定和微網(wǎng)功率調(diào)控。

圖2 RT-LAB硬件在環(huán)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(wěn)態(tài)誤差。最后，利用Simulink仿真及RT-LAB硬件在環(huán)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(xiàn)電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)和并網(wǎng)功率調(diào)控的串并聯(lián)一體化多功能變流器，得到如下結(jié)論：

1）在單相全橋逆變器的基礎(chǔ)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(guān)進行拓撲轉(zhuǎn)換和對變流器進行解耦控制。通過對變流器進行結(jié)構(gòu)解耦，能有效實現(xiàn)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(guān)鍵負載側(cè)的電壓穩(wěn)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(dǎo)通狀態(tài)，建立了電路模型說明原理和分析器件承受的應(yīng)力。制定了控制策略及驗證穩(wěn)態(tài)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(lián)一體化設(shè)計按橋臂接線方式可劃分為三類，針對微電網(wǎng)中突出的電壓質(zhì)量問題和新能源的消納需求，將MFC應(yīng)用于關(guān)鍵負載側(cè)，有效拓寬了裝置的應(yīng)用范圍。此外，共用電容支路還可選擇用開關(guān)管代替，為多功能變換器的研究與應(yīng)用提供一定參考。

以上研究成果發(fā)表在2020年第23期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標題為“具備電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)能力的串并聯(lián)一體化多功能變流器”，作者為涂春鳴、李慶、郭祺、高家元、姜飛。