[科普中国]-先进并网逆变器

背景介绍

随着全球环境污染问题和化石能源危机的不断加剧，清洁的可再生能源得到了越来越多的关注。近年来，风力、光伏等非水电可再生能源得到了快速发展，国内建立了大量的大型风力、光伏电站。然而，我国幅员辽阔，风光可再生能源富集区与负荷中心区之间呈逆向分布，使得这些大型风光电站必须通过高压远距离输电走廊才能送达负荷端。由于风速和光照强度的非线性、随机性和不可控性等特征，大型风光电站的接入给电力系统的稳定带来了不小的挑战。近年来，频繁出现的风电场事故使得大型风电场的并网小时数偏低，大量弃风不但影响投资成本的回收，还造成巨大的资源浪费1。因此，光伏、风机等分布式电源的“分散接入、就近接纳、就地产销”引起了广泛的关注，国网公司也针对分布式电源并网推出了相关的服务举措。可以预见，在不久的将来，配电网将从原来的纯无源的受端系统逐渐转变为含有分布式发电系统和微电网的有源系统，有源配电网的概念将更加符合第3代电网中配电网的特征。总之，在可再生能源从集中并网转为分散接纳的过程中，配电网也将逐步从无源网络转变为有源网络；同时，还将在配电网侧增加大量的分布式并网单元，这些并网单元数量众多，物理、电气距离分散，给配电网的安全、稳定、优质、高效运行带来了巨大的挑战。

为了应对大量分布式并网发电单元对配电网的冲击，并网逆变器作为其中的关键环节，其地位和作用显得十分重要2。一方面，在可再生能源分散接入的背景下，配电网中将会新增大量的并网逆变器，且这些并网逆变器在物理和电气上相对分散，使得传统的集中通信、控制和调度的运行模式面临巨大的挑战。给每台并网逆变器配备远距离通信线，并由第3方统一进行调度和管理显得十分困难。因此，出现了两种不同模式的解决方案，即集中式的网络控制方案和分散式的自治运行方案3。相对于繁杂的网络控制方案，独立、自治、不需要第3方通信控制的并网逆变器自治运行方案得到了普遍的认同。另一方面，在配电网中引入大量的并网逆变器装置，协同配电网中已经普遍存在的非线性、无功和不平衡负荷，会给配电网的电能质量、安全稳定等带来巨大挑战。分布式发电系统的串并联谐振事故频繁出现报导，三相不平衡低功率因数等电能质量问题也屡见不鲜。这些问题的出现表明：为应对分布式可再生能源的并网，传统并网逆变器在技术上还有待跟进，一些先进的系统构架、控制策略还有待进一步的研究和开发4。

典型并网逆变器介绍右图为一个典型的分布式电源并网系统的框图，分布式电源的直流输出端接入并网逆变器的直流端，在控制器的作用下由DC/DC、DC/AC变换电路和滤波网络将直流能量转变为交流能量注入电网。该典型系统框图适用于单相两线、三线系统，也适用于三相三线或三相四线系统。其中，并网逆变器的直流电压变换环节可能不是必需的，对于输出电压较高的分布式电源组件可直接通过DC/AC变换后接入电网。值得指出的是，为了满足电磁兼容的需求，并网逆变器的直流和交流侧可能还配置有直流和交流电磁干扰(EMI)滤波器模块。

先进并网逆变器装置级从装置级来看，先进并网逆变器在直流电压变换环节、逆变器电路、滤波网络和功率器件上都可能存在一些不同于传统并网逆变器的地方。

1)直流电压变换环节。

从直流电压变换环节来看，一些先进并网逆变器的结构如右图所示。传统并网逆变器的直流电压变换环节主要为Boost电路，将分布式电源的直流输出电压经过泵升后接到DC/AC变换环节，以满足并网条件。然而，由于Boost电路的电压抬升能力有限，并网逆变器所能接纳的分布式电源直流电压变化范围一般比较窄。近年来，各种具有升压功能的高增益直流电压变换电路得到了广泛研究。

同时，为了消除光伏电池板可能存在的泄漏电流对人身安全的危害，一些高频链隔离的直流电压变换环节也引起了关注。

此外，为了提高DC/AC变换环节运行的灵活性和可靠性，一些先进的并网逆变器改变传统电压源变流器的模式，采用电流源、Z源或准Z源变流器结构5。

2)变流器拓扑。

从变流器拓扑环节来看，一些先进并网逆变器的结构如右图所示。为了满足一些特殊的功能，电流源型、多电平中点箱位(NPC)的变流器拓扑也开始出现在小功率的并网逆变器中，这些拓扑可有效提高并网逆变器的运行性能。需要指出的是，随着先进IGBT模块结构的出现，譬如RB-IGBT，并网逆变器的多电平实现方式变得更加灵活多样6。

为了抑制光伏并网逆变器中可能出现的共模/差模电压，可采用上文所提到的直流侧高频隔离或交流侧低频隔离的方案，但是这些方案中的变压器都会增加系统的体积和成本，近来一些新型变流器拓扑的相继出现为无隔离型并网逆变器的发展奠定了坚实的基础。同时，为了有效保证可再生能源并网和局部储能单元的接入，有文献发现部分变流器拓扑中的开关管可以复用，于是出现了9开关管的新型变流器拓扑。

3)电力电子器件。

从电力电子器件材料的角度来看，随着SiC等宽禁带材料器件的不断发展，具有更小通态电阻、更高开关速度的电力电子器件将极大地提高并网逆变器的开关频率和效率。对未来体积小、重量轻、效率高的先进并网逆变器提供了可靠的保障。

4)滤波网络。

逆变器的DC/AC逆变器电路将直流电压或电流变换为开关脉冲量，为了消除开关频率次谐波电压、电流分量对电网的影响，一般地，并网逆变电路与电网之间都有无源低通滤波网络。常见的滤波网络主要类型有:L型、LC型、LCL型和 LCLL型，如有图所示。一般地，L型滤波器的高频衰减速率仅为20 dB/dec，为了获得好的高频纹波电流衰减性能，需要提升电感值;然而，电感值的增大会导致电感体积和成本的增加。于是，出现了LC型和LCL型滤波网络结构，其高频衰减性能分别为40和60 dB/dec。需要说明的是，LC型滤波网络和等效的电网系统阻抗(主要为电感)一起也构成了一个LCL滤波器结构。显然，高频衰减率越高对纹波电流的抑制能力也越强。但是，由于LCL滤波器具有3个储能元件，其模型是一个三阶动态响应方程，存在一个天然的谐振点，这给并网逆变器的稳定和控制带来了不小的困难7。一般地，可以在滤波电容支路增加无源阻尼电阻来阻尼谐振分量，但是电阻的存在使得系统的效率降低。虽然一些具有谐振旁路的改进型LCL滤波器无源阻尼方法能在一定程度上降低阻尼电阻的损耗，但是增加了系统的复杂度。因此，基于控制器的有源阻尼方案得到了广泛的研究。另一方面，可以通过一些特殊的控制策略来增强LCL滤波并网逆变器的控制性能，譬如：加权电流反馈控制、多环反馈控制、零极点配置控制、基于状态空间的优化控制等。为了获得更好的滤波性能，降低系统体积。

功能级从可调度能力、电能质量主动治理、电网阻抗检测、网络阻抗重塑和双模运行等几个角度来阐释先进并网逆变器的功能级控制策略。

1)可调度能力。

可调度方面，在可再生能源分散接入的背景下，国网公司要求单个台区接入容量不大于6MW的分布式电源可以接入10 kV及其以下的配电网。但是，由于在配电网内可能将出现为数众多的分布式并网单元，使得对这些分布式并网单元进行集中通信调度显得十分困难8。

能使并网逆变器在功能上模拟发电机外特性的控制策略大致有两种。一种是下垂控制策略，另一种是虚拟同步发电机控制技术。

传统的下垂控制需要采样并反馈电网电压的幅值和频率，并对其做出响应，来模拟发电机的下垂外特性。这种控制方法，虽然在离网运行的逆变器运行控制及功率分配中取得了不错的效果，但是对于并网运行的逆变器，利用其模拟发电机的下垂外特性，可能会带来较大的暂态电流冲击且这种基于发电机下垂外特性的模拟方法，并不是真正意义地将并网逆变器与发电机做等效。因此，为系统提供惯性和阻尼、为电网提供支撑的性能也难有定论，此外下垂系数的设计对系统的稳定具有十分重要的影响。下垂系数设计不当可能直接导致并网逆变器系统的不稳定。此外，由于系统参数摄动，逆变器参数的不匹配，在离网运行时，传统下垂控制的功率分配方面也难以实现按逆变器的容量成比例分配。

总之，简单地利用逆变器来模拟发电机的下垂外特性，虽然能在一定程度上改善逆变器的运行性能，但是还无法从根本上和传统发电机相比拟。于是，大量的学者开始寻求能彻底将并网逆变器等同于传统同步发电机的控制策略，这就出现了另一种有趣的控制方案。这类控制策略在并网逆变器的控制环路中人为地引入了发电机的机械运动方程，将并网逆变器的暂态过程变慢，且系统的惯性和阻尼有了明确的物理意义。此外，通过类似励磁调节器和调频器的设计，使得传统下垂控制难以设计的下垂系数变为了与传统发电机类似的励磁控制器和频率调节控制器的设计，使得系统的稳定性有了保障。此类控制策略可以统称为“虚拟同步发电机”控制。其中，以荷兰能源研究中心和埃因霍温理工大学等合作的虚拟同步发电机(VSG)概念、德国克劳斯塔尔工业大学的虚拟同步电机(VISMA)概念和英国谢菲尔德大学钟庆昌教授的S ynchronverter概念最为著名8。

2)电能质量主动治理。

在电能质量方面，分布式的并网发电单元普遍接入的是相对脆弱的、电能质量恶劣的配电网末端，尤其是三相电压不平衡是配电网的典型特征。为了保证并网逆变器在电网电压不平衡、谐波等非理想条件下的持续、不间断运行，近年来，关于并网逆变器对平衡/不平衡电压跌落、电压谐波穿越能力的研究得到了广泛的关注。一些能在电网电压不平衡、谐波条件下持续运行的并网逆变器控制策略相继被提出。这些控制方法能大幅提升并网逆变器应对恶劣配电网电能质量环境的能力。

虽然上述非理想电网电压穿越控制能有效提升并网逆变器在恶劣配电网电能质量环境下的持续运行能力，但是这种策略相对而言是被动的适应策略，无法从根本上改善或提升配电网的电能质量。因此，在配电网内安装有源或无源滤波装置就显得十分必要。一般地，无源滤波装置结构简单、成本低、可靠性高，然而，由于有源电能质量治理装置运行更加灵活、性能更高，近来得到了越来越多的应用。值得指出的是，一方面，并网逆变器具有和有源滤波器(APF)、动态电压调节器(DVR)等有源电能质量治理装置一致的变流器拓扑，即并网逆变器具有治理其接入点配电网电能质量的潜力。另一方面，由于风能、光伏的随机性、波动性和不可控性，使得风力发电机和光伏电池的出力不可能一直处于满发状态，且并网逆变器的安装容量本身也较安装的风力发电机或光伏电池的容量之间存在一定的裕量。故并网逆变器也有能力完成对其接入点电能质量的治理。因此，集成了可再生能源并网和电能质量治理的多功能并网逆变器概念得到了广泛的关注。因为这种并网逆变器具有一机多职的能力，在无需引入额外电能质量治理装置的同时即可改善配电网的电能质量，明显降低系统的投资成本、体积和运行维护费用，提高系统的可靠性。

3)电网阻抗检测。

电网阻抗对并网逆变器并网电流的电能质量具有较大的影响。系统阻抗越大，对并网逆变器稳定性的影响也越大、电能质量的恶化也越严重。此外，大量研究表明，在大规模分布式可再生能源通过并网逆变器接入配电网后，由于系统阻抗网络的不匹配，可能会引起系统的串/并联谐振，导致并网逆变器的无故障跳闸，危及系统的安全稳定运行。因此，系统阻抗对分布式可再生能源并网单元具有重要的意义。欧洲和德国的一些并网技术标准明确要求并网逆变器检测系统阻抗，并在系统阻抗急剧变化时停机或切换至孤岛运行模式，可见系统阻抗的检测也应成为分布式并网发电单元的一个重要组成部分。

一般地，系统阻抗的检测方法可分为测量法和估计法两大类。在测量法中，直接利用额外的测量装置检测系统的阻抗，该方法简洁可行，但是会引入额外的硬件投入。相反，估计法则直接利用并网逆变器已有的数字控制器来完成对系统阻抗的检测，这类方法又分为有源法和无源法。一般地，有源法即通过向系统施加间歇性的扰动，来识别系统阻抗，比较常见的是向系统注入间谐波电流。右图(a)可知，当假设电网电压不含有间谐波时，由叠加原理可知，当逆变器向电网注入间谐波时系统的等效框图如右图 (b)所示。因此，此时只需要检查并网逆变器出口电压和电流的间谐波含量、即可检查出系统阻抗。

4)阻抗重塑。

以上分析表明，系统的阻抗对并网逆变器的运行具有十分重要的影响，也有部分方法能有效检测出系统阻抗的大小。但是，为了改善系统阻抗，尤其是向系统提供必要的阻尼，以抑制可能出现的串/并联谐振现象，需要对已有的系统阻抗进行重塑。也即，改变并网逆变器的外特性，使得并网逆变器更多地呈现电阻特性，向原本电感和电容因素复杂的电网提供更多的阻尼。

一般地，并网逆变器呈现感性，系统的线路也呈现感性，而滤波电容等呈现容性，当系统电阻分量的阻尼不足时，很容易在这些电感、电容之间形成串并联谐振。若通过并网逆变器向系统注入必要的阻性成分，即可有效地抑制串并联谐振，这就是阻抗重塑的概念。特别地，出于物理完备性的考虑，在有L型、R型逆变器的基础上，也应该存在C型逆变器。因此，谢菲尔德大学的钟庆昌教授1给出了C型并网逆变器在离网运行模式下能有效降低输出电压谐波的实验验证。R型和C型并网逆变器的附加控制策略如右图所示。

5)并网逆变器的双模运行。

在双模运行方面，为了提高分布式可再生能源并网的高效性和灵活性，越来越多的并网逆变器要求具有孤岛、并网双模式运行能力。即在电网正常模式下，并网逆变器并网运行;当电网故障时，并网逆变器应该能孤岛运行，向本地关键负荷提供高质量的电能供给，双模并网逆变器的概念由此而生。为了保证不同运行模式切换过程中对本地关键负荷的不间断供电，并网逆变器在不同运行模式之

间的无缝切换技术显得十分必要。

电流控制级为了保证对并网电流的有效、精确跟踪，并网电流的跟踪控制也是先进并网逆变器中必不可少的环节。本文以并网同步和并网电流调节两部分作详细阐述9，如右图所示。

1)并网同步。

为了实现精确的并网功率跟踪，电网电压的相位信息对于并网逆变器十分重要，其在并网参考电流的计算中显得十分关键。虽然存在一些无锁相环的参考电流生成算法，但是，其应对电网频率变化的能力较差。

为了获得电网电压的频率和相位，一般有硬件锁相环和软件锁相环两种方法。在硬件锁相环中，需要利用过零比较来完成对电网电压相位的跟踪。但是，这种方法响应速度慢，精度受到传感器、过零比较器和AD精度的限制，且无法克服电网电压谐波和不平衡的干扰。因此，基于软件的数字锁相环近来得到了越来越多的关注。

2)并网电流调节。

为了获得更好的并网电流跟踪性能及更快的响应速度和跟踪精度，并网电流调节控制显得十分重要，除PI控制器之外的一些先进并网电流跟踪控制策略，得到了越来越多的关注。

分析与讨论从上文的基于装置级、功能级和电流控制级的先进并网逆变器研究综述来看，适合于分布式电源并网的、先进的并网逆变器在传统并网逆变器基本框架的基础上通过对系统硬件和软件的改造，使得这些先进并网逆变器的结构更加优化、功能更加多样、性能更加提升。然而，从大规模分布式可再生能源分散接入的角度来看，硬件改造可能需要更多的技术、经济投入和更长的开发周期。如果在软件上对传统并网逆变器进行改造，使其适应并主动改善配电网复杂的运行环境，其投入成本会大大降低，不仅能在一定程度上减轻并网逆变器对配电网的冲击，还能提升配电网对分散式可再生电源的接纳能力。

基于以上分析，可以发现:一个完善的先进并网逆变器在传统硬件电路框架的基础上，可能还应具备强大的功能级和电流调节级的先进控制策略。这些策略包括:先进的数字锁相技术和并/离网运行模式无缝切换技术，包含虚拟同步发电机技术、系统阻抗在线辨识及孤岛保护技术、谐波和无功电流补偿功能、低电压/谐波电压穿越技术、系统阻抗重塑技术等一系列的软件控制模块。

结语针对先进并网逆变器，从硬件装置、辅助功能和电流调节的角度进行了综述，探讨了先进并网逆变器在降低大规模可再生能源分散接入对配电网冲击，提升配电网接纳分散可再生能源能力方面可能采取的措施。分析了先进并网变流器应具备的控制功能和控制策略的研究方向，对并网变流器的研究具有一定的指导意义。