多功能并网逆变器研究综述_曾正

电 力 自 动 化 设 备Electric PowerAutomation EquipmentVol ．32 No． 8Aug. 2012第 32 卷第 8 期2012 年 8 月0 引言由连锁故障引起的多次大停电事故 ［ 1］ ， 以及由极端气候条件引起的大电网解列 ［ 2 - 3］ ， 给传统电网的安全稳定性问题敲响了警钟 。 此外 ， 化石能源的不断消耗 ， 导致能源危机和环境污染等问题日益加剧 ，“ 绿色 ”、“ 低碳 ” 成为电力系统发展的迫切需求 ［ 4 -5］ 。 为了解决传统电力系统遇到的问题 ， 分布式发电技术逐渐回归历史舞台 ［ 6-7］ 。 研究表明 ： 分布式发电技术不但是风能 、 光伏 PV（ PhotoVoltaic） 等可再生能源并网的重要途径 ， 而且还能在一定程度上提高传统电力系统的稳定性 ［ 8］ 。 为了更好地利用分布式发电系统将可再生能源接纳入电网 ， 整合了可再生能源 、 储能和局部负荷的微电网技术得到了广泛的探讨 ［ 8-10］ 。在分布式发电和微电网技术中 ， 各种可再生能源或储能系统一般需要将逆变器作为并网接口 ［ 11- 12］ 。 为了降低分布式发电系统和微电网中电能质量治理的成本 、 运行维护费用和装置体积 ， 提高已有并网逆变器的性价比 ， 有学者提出了多功能并网逆变器的概念 。 所谓多功能并网逆变器即是复合了并网逆变器完成可再生能源或储能等微电源并网的功能和其他一些诸如电能治理等功能的并网逆变器 。 相对于功能分离的多台电力电子装置而言 ， 这种多功能并网逆变器采用同一套装置 ， 在并网的同时即可完成电能质量调节等附加功能 ， 大幅降低了系统的投资和体积 ， 尤其适用于分布式发电系统 。本文紧随多功能并网逆变器的发展趋势 ， 从单相和三相多功能并网逆变器的角度分别阐述 、 对比和评价了现有多功能并网逆变器的优缺点 ， 并归纳总结了一些未来可能的研究方向 。1 单相多功能并网逆变器单相多功能并网逆变器主要针对家庭应用 。 现有单相系统中的多功能 并 网 逆 变 器 主 要 是 一 些 以PV 电池为基础并复合了谐波 ／ 无功电流补偿或电压跌落 ／ 骤升 ／ 中断补偿等功能的并网逆变器 。在分析多功能并网逆变器之前 ， 有必要简要介绍一下现有 PV 并网逆变器的一些基本情况 。 PV 系统中电力电子变流器的主要功能是将 PV 电池输出的直流电变换为交流电并注入电网 。 高效率和低成本是 PV 并网逆变器设计所要考虑的主要问题 。 通常 ， PV 并网逆变器主要分为两级和单级 2 类 。 两级并 网 系 统 分 别 由 DC ／ DC 和 DC ／ AC 功 率 变 换 器 组成 ， 而单级并网系统则仅含有 DC ／ AC 变换器 。 对于两级并网系统 ， DC ／ DC 功率变换器级利用 Boost 电路将 PV 电池的直流电压提升到大于并网点电压幅值的水平 ， 并实现最大功率点跟踪 MPPT（ MaximumPower Point Tracking ）。 而 DC ／ AC 逆变器级用于控制注入电网电流的幅值和波形 。 两级功率变换对直流电压的要求低 ， 只需要较低的直流电压即可实现并网功能 ， 但是需要更多的电路元件 ， 和单级并网逆变器相比存在低效率 、 高成本和大尺寸的不足 。 另一方面 ， 单级系统虽然所需元器件少 、 效率高 ， 但是需要在 DC ／ AC 控制中同时完成 MPPT、 并网逆变 、 与电网电压同步等功能 ， 控制相对复杂一些 ， 且对直流电压要求高 。 虽然两级和单级 PV 系统各具优势 ， 但是单级 PV 系统以其优良的性价比得到了更多的应用 。摘要 ： 多功能并网逆变器不但能完成常规并网逆变器实现可再生能源并网的基本功能 ， 而且还复合了治理电能质量问题的功能 ， 可以显著提高并网逆变器的性能价格比 、 降低系统的体积和成本 ， 尤其适合于微电网和分布式发电系统应用 。 针对多功能并网逆变器的拓扑进行了综述 。 从单相和三相系统的角度阐释了多种多功能并网逆变器拓扑 ， 并从系统参数 、 容量 、 开关频率 、 复合功能和应用场合等方面对各拓扑进行了比较和评价 ， 并认为新型电力电子拓扑 、 先进控制策略 、 软开关技术 、 大功率应用以及电力电子集成系统中的稳定性等将会是多功能并网逆变器未来可能的研究方向 。关键词 ： 微电网 ； 分布式发电 ； 逆变器 ； 并网逆变器 ； 多功能 ； 拓扑 ； 综述中图分类号 ： TM 712； TM 727. 2； TM 61； TM 464 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1006 － 6047（ 2012） 08－ 0005－ 11多功能并网逆变器研究综述曾 正 ， 杨 欢 ， 赵荣祥 ， 汤 浩 ， 金 磊 ， 朱明磊 ， 汤胜清（ 浙江大学 电气工程学院 ， 浙江 杭州 310027）收稿日期 ： 2011 － 07 － 04； 修回日期 ： 2012－ 05 － 11基金项目 ： 国家自然科学基金资助项目 （ 50907060）； 中国博士后科学基金资助项目 （ 20090451438）Project supported by the National Natural Science Foundationof China（ 50907060） and China Postdoctoral Science Founda-tion（ 20090451438）第 32 卷电 力 自 动 化 设 备文献 ［ 13 -14 ］ 提出了一种基于单相全桥的单级多功能并网逆变器 ， 其拓扑如图 1 所示 ， 系统参数如表 1 所示 。 整个单相系统由 PV 电池 、 直流滤波环节 、 直流控制开关 S1、 直流稳压电容 Cdc、 单相全桥 、滤波电感 Ls、 单相配电网 、 负荷 、 负荷开关 S2 和控制器构成 。该拓扑能实现 PV 电池的并网和谐波电流的补偿 。 按如图 1 所示电流参考方向 ， 当负荷开关 S2 闭合后 ， 电网和并网逆变器均可向负荷供电 。 若负荷较小 ， 并网逆变器输出的过剩电力注入电网 ； 若负荷较大 ， 并网逆变器输出功率不足的部分由电网供给 。 值得指出的是 ： 当负荷为整流负荷等非线性负荷时 ， 可以通过控制器的调节作用改变并网逆变器的输出电流 ， 使其提供所需补偿的谐波电流 ， 使得电网支路的电流 is 仅为正序基波分量 ， 即并网逆变器可起到并联有源电力滤波器 APF（ Active Power Filter ） 的作用 。在图 1 所示拓扑的基础上 ， Wu T F 等做了进一步的工作 ， 利用半桥代替全桥 ， 提出了如图 2 所示的多功能并网逆变器拓扑 ［ 15- 16］ ， 该拓扑具有图 1 所示拓扑的功能 ， 系统参数同表 1。 虽然该拓扑用电容代替了功率器件 ， 降低了系统的成本 ， 但是半桥上 2个串联电容的均压却需要额外的控制策略 。从图 1 或图 2 不难发现 ： Wu T F 等提出的这类拓扑具有 3 个明显的缺陷 。a. 由于 PV 输出功率具有较大的波动性 ， 这类多功能并网逆变器只能稳定地工作于并网运行模式 。如果图 1（ 或图 2） 所示拓扑工作于离网运行模式 ， 当PV 电池输出功率大于负荷的额定功率时 ， 负荷两端电压将升高 ， 当 PV 电池输出功率小于负荷的额定功率时 ， 负荷两端电压将降低 ， 即终归难以稳定地运行在额定电压附近 。b. 还可发现图 1（ 或图 2） 所示拓扑采用的是 L滤波器 ， 滤波性能较差 ， 要求电感值 Ls 较大 ,但 Ls 越大会导致滤波电感的体积和成本相应地增加 。c. 这种拓扑没有隔离作用 ， 注入电网的直流和谐波分量容易影响电网中的其他设备 ， 尤其是可能导致变压器的直流偏磁或饱和 。Hirachi K 等提出的如图 3 所示的单级多功 能并网逆变器拓扑可有效克服以上 3 个缺陷 ， 系统参数如表 2 所示 ［ 17］ 。 该拓扑在直流侧引入储能装置并省去了直流滤波和二极管 V D1、 V D2， 用 LC 滤波器代替 L 滤波器 ， 并在滤波环节和系统之间引入隔离变压器环节 。从图 3 不难看出 ， 该系统可以并网运行也可以孤岛运行 ， 可认为图 3 所示拓扑构成了一个最简单的对象 参数直流电源 PV 电池 ， 直流母线电压 UPV = 250 V容量 ≤ 1.5 kV· A电网电压 110 V ／ 60 Hz开关频率 20 kHz拓扑参数 Lf = 2 mH ， Cf = 880 μ F， Cdc= 940 μ F， Ls = 5 mH功率器件 IGBT （ Toshiba： GT15Q101 ， 1 200 V ／ 15 A）控制策略 PI 控制 ， SPWM 调制复合功能 单相 APF 功能表 1 Wu T F 等所提单相全桥式拓扑的参数Tab.1 Parameters of single-phase full -bridge topologyproposed by Wu T F et al对象 参数直流电源 PV 电池 、 储能电池 ， 直流母线电压 200 V容量 输入功率小于 3.4 kW ， 额定容量 3 kV· A电网电压 110 V ／ 60 Hz开关频率 40 kHz功率器件 MOSFET控制策略 PI 控制 ， SPWM 调制复合功能 单相 APF 功能表 2 Hirachi K 等所提单相全桥式拓扑的参数Tab.2 Parameters of single-phase full -bridge topologyproposed by Hirachi K et al图 1 Wu T F 等提出的单相全桥式多功能并网逆变器Fig.1 Single-phasefull -bridge topology of multi -functionalgrid-connected inverter proposedby Wu T F et al直流滤波S1Cf udcCdcV T1 VT2L sis S2usVT3 VT4控制系统 （ DSP TMS320F240 ）门极脉冲 isusudcuPVV D1VD2全桥PV电池i PVLf i a i L负荷图 2 Wu T F 等提出的单相半桥式多功能并网逆变器Fig.2 Single-phase half-bridge topology of multi -functionalgrid-connected inverter proposed by Wu T F et al直流滤波S1Cf udcCdcVT1Ls iaS2usVT3控制系统 （ DSP TMS320F240 ）门极脉冲 isusudcuPVV D1VD2半桥PV电池iPVi si LLf负荷图 3 Hirachi K 等提出的单相全桥式多功能并网逆变器Fig.3 Single-phase full-bridge multi-functional grid-connectedinverter proposed by Hirachi K et alVT1 V T2VT3 V T4PV电池…单相全桥LfCfLC 滤波隔离变压器系统控制器门极脉冲并网开关储能电池负荷单相微电网系统 。 当并网开关闭合时 ， 整个系统处于并网运行模式 ， PV 输出功率首先供给负荷 ， 过剩的功率注入电网或向储能电池充电 ； 相反 ， 不足的功率由电网或储能电池提供 。 当并网开关断开时 ， 通过控制电池的充放电 ， 可以吸收系统的过剩功率或补偿系统的不足功率 ， 使得负荷两端电压维持在额定值附近 。 此外 ， 正如前面分析的那样 ， 当系统处于并网运 行 模 式 时 ， 可 以 通 过 控 制 并 网 逆 变 器 的 输 出 电流 ， 补偿非线性负荷的谐波电流 ， 从而实现 APF 的作用 。前面所提多功能并网逆变器都是基于并联补偿的 ， 也即只能治理电流电能质量问题 。 Hosseini S H等提出了一种新颖的单级串联补偿拓扑 ， 如图 4 所示 ， 系统参数如表 3 所示 ［ 18］ 。 该并网逆变器拓扑可以调节输出电压 ， 使其具有动态电压调节 DVR （ DynamicVoltage Regulator） 功能 。该拓扑由 2 个共用直流母线电压的 Boost 电路构成 ， 通过对 2 组 Boost 电路的控制 ， 可以在串联输出端得到任意的电压 uo。 当系统电压出现跌落 、 骤升或中断时 ， 可以利用该拓扑进行补偿 ， 从而保证负荷两端具有额定的电压 。 同时 ， 该拓扑还能补偿负荷的无功电压 ， 从而保证电网单位功率因数供电 ， 也即该拓扑兼有功率因数校正 PFC（ Power Factor Correction）的功能 。前面所介绍的单相多功能并网逆变器都是基于硬开关的单级拓扑 。 Souza K C A 等提出了一种两级软开关的多功能 PV 并网逆变器拓扑 ［ 19-21］ 。 该拓扑的总体结构如图 5 所示 ， 图 6 给出了一个与之对应的简化原理图 ， 系统参数如表 4 所示 。 该拓扑由零电压半桥式 DC ／ DC 变换器和网侧并网逆变器级联而成 。 其中 ， DC ／ DC 变换器部分采用了半桥式零电压开关脉冲调制 HB ZVS - PWM（ Half - Bridge ZeroVoltage Switching Pulse Width Modulation） 同步驱动变换器 ， 如图 7 所示 。 设计 HB ZVS- PWM 的主要目在于降低系统的电磁容量和损耗 。 文献 ［ 19 -21］ 给出了确定电容 Ce1 ／ Ce2、 谐振电感 Lr 和变压器变比最佳取值的策略 。 图 8 给出了并网逆变器级的框图 ， 和单相全桥式多功能并网逆变器的拓扑相似 ， 在该级可实现逆变器的复合功能 。该拓扑不仅能将 PV 的功率注入系统 ， 而且还能充当 APF 的作用 ， 补偿负荷谐波和无功功率 ， 因此能确保系统与电网之间的单位功率因数运行 。 其运行规律简要介绍如下 。 DC ／ DC 变换器用于将 PV 电池电压提升到一个更高的水平 ， 以达到其值大于电网电压峰值的目的 ， 从而实现无需升压隔离变压器即可曾 正 ， 等 ： 多功能并网逆变器研究综述第 8 期对象 参数直流电源 PV 电池容量 PL= 2 ~ 2.4 kW （ RL = 20 ~ 25 Ω ）电网电压 220 V ／ 50 Hz开关频率 20 kHz拓扑参数 L 1= L2 = 0.2 mH， Cf = 1 000 μ F， C1 = C2 = 20 μ F，Lf = 2.5 mH， Ldc= 1 mH控制策略 PI 控制 ， SPWM 调制复合功能 单相 DVR 和 PFC 功能表 3 Hosseini S H 等所提单相串联式拓扑的参数Tab.3 Parameters of single-phase series topologyproposed by Hosseini S H et al图 4 Hosseini S H 等所提单相串联式多功能并网逆变器Fig.4 Single-phase series topology of multi -functionalgrid-connected inverter proposed by Hosseini S H et al（ b ） 实际电路图iL2i inL 2iL1L1uinC1uoC2Boost2 Boost1（ a） 原理图配网 usBoost 逆变器Lf CfuIuLRLiPVuPVLdc负荷图 5 两级多功能 PV 并网逆变器拓扑结构图Fig.5 Topology of two-stage multi-functional grid-connected inverter for PV applicationUref Cu PLLLfHFCin CfHFS1S2MPPTS1 S2L fLFCfLFCok uS3 S5S4 S6iinvS3 S4 S5 S6KpwmGcdCikii oiL负荷配网idcPV 电池--++-+×并网 。 同时 ， DC ／ DC 变换器还负担着 PV 模块 MPPT的功能 。 负荷功率的不足部分可以由电网提供 ， 而过剩的 PV 功率可以注入到电网 。 功率流的平衡由控制器来完成 。 此外 ， 逆变器同样起到了 APF 的作用 ，补偿负荷谐波和无功功率 ， 满足功率因数为单位 1。在强光日 ， 系统利用 PV 模块提供负荷所需的全部功率 ， 过剩的功率注入电网 。 相反 ， 在弱光日 ， 如果 PV的功率不够大 ， PV 系统提供负荷所需的无功功率 ，其余部分功率由电网提供 。2 三相多功能并网逆变器虽然单相系统在民用电中应用比较广泛 ， 但是这种单相多功能并网逆变器系统的功率往往较低 ， 且单相 APF 中谐波电流的检测也较三相系统复杂 。 此外 ， 这种单相并网发电系统对于电网而言 ， 是典型的不对称源 ， 加重了电网的不平衡负担 。 因此 ， 三相多功能并网逆变器较单相逆变 器 具 有 更 高 的 应 用 价值 。 现有三相多功能并网逆变器主要是一些单级或两级逆变器拓扑 ， 复合的功能主要有 APF、 PFC、 DVR或统一电能质量调节器 （ UPQC） 等 。为了拓宽多功能并网逆变器的应用范围 ， Wu TF 等在图 1 所示单相多功能并网逆变器的基础上 ，进一步给出了一种应用于三相系统的多功能并网逆变器拓扑 ， 如图 9 所示 ， 系统参数如表 5 所示 ［ 22- 23］ 。第 32 卷电 力 自 动 化 设 备表 5 Wu T F 等所提三相全桥式拓扑的参数Tab.5 Parameters of three-phase full -bridgetopology proposed by Wu T F et al对象 参数直流电源 PV 电池 ， 直流母线电压 400 V容量 光伏输入功率 1.1 kW电网电压 110 V ／ 60 Hz开关频率 20 kHz拓扑参数 Cdc = 2200 μ F， L s= 5 mH控制策略 PI 控制 ， SPWM 调制复合功能 三相 APF 功能PV 系统电流电网电流单相 PV 系统PV 电池PV 电流非线性负荷负荷电流PCC图 6 两级多功能 PV 并网逆变器原理图Fig.6 Schematic diagram of two-stage multi-functionalgrid-connected inverter for PV application对象 参数直流电源 PV 电池容量 1 kV· A电网电压 220 V ／ 60 Hz拓扑参数PV 模块数 20 ； 额定电压 83.5 V；额定电流 12 A； 短路电流 Is= 12.4 A；开路电压 Uoc = 107 VDC ／ DC 变换器 ： 输出电压 400 V；开关频率 100 kHz ； Cin = CfHF = 1000 μ F；Ce1= 10 μ F， Ce2= 5 μ F； L fHF= 50 μ H；L r= 680 nH ； Co= 1000 μ F逆变器 ： 开关频率 20 kHz ； CfLF = 1 000 μ F；L fLF= 1.6 mH； Lo1 = L o2= 1.2 mH功率器件 MOSFET 和 IGBT控制策略 PI 控制 ， SPWM 调制复合功能 单相 APF 功能表 4 Souza K C A 等所提两级零电压式拓扑的参数Tab.4 Parameters of two-stage zero-voltage-switchingtopology proposed by Souza K C A et al图 8 逆变器级框图Fig.8 Block diagram of inverter stage输入逆变器电流+400 VGNDVT1 VT2VT3 VT4连接电感Lo1Lo2io单相非线性负荷触发脉冲控制系统 PLLiLisudc图 7 半桥零电压开关式 DC ／ DC 变换器框图Fig.7 Block diagram of half-bridge zero-voltage-switching DC ／ DC converteri pupLfHF Ce1Ce2L o1LfLFCo1电容电流CfLF +400 VGNDLfLFCo2CfLFL o2LrMPPTS1 S2udci PVCinCfHFS1S2输入逆变器电流TPV 电池图 10 所示逆变器拓扑在图 9 所示拓扑的基础上增加了直流侧的 DC／ DC 变换环节 ， 可以实现对 PV出力的 MPPT 功能 。 同时 ， 在直流侧增加了储能电池 ， 故整个系统可稳定地工作于离网运行模式 ， 也即具有不间断电源 UPS（ Uninterrupted Power Supply）功能 。 此外 ， 滤波环节采用了 LC 结构 ， 滤波效果更好 ， 相对于 L 滤波器可降低滤波电感的体积和成本 。当并网开关闭合时 ， PV 的出力首先供给局部非线性负荷 ， 同时补偿非线性负荷的谐波和无功电流 ，电网提供不足的或吸收过剩的有功功率 ； 当并网开关断开时 ， 多功能并网逆变器向负荷提供功率恒定的电能 ， 起 UPS作用 。为了抑制并网逆变器向系统灌入直流或谐波电流分量 ， 有时需要在并网逆变器的输出端和三相系统输出端引入隔离变压器进行隔离 。 Cheng L 等提出了一种类似于图 10 所示的三相并网多功能并网逆变器拓扑 ， 如图 11 所示 ［ 25］ ， 系统参数如表 7 所示 。从图 11 可以发现 ， 在并网逆变器的输出端与负荷之间 、 三相系统与负荷之间都引入了三相隔离变压器 ，系统成本必然增加 。 同时 ， 对比图 10 和图 11 可以发现 ： 图 11 所示拓扑取消了直流侧的储能装置 。值得指出的是 ， 前面所提拓扑的直流侧给出的都是 PV 电池的应用 ， 当然这些拓扑也适用于其他形式的可再生能源或储能装置 。 对于电池 、 超级电容或超导等可以等效为输出直流电压源的储能装置 ， 可以直接替换以上拓扑的直流环节 ； 对于直驱风力发电机 、 微型燃气轮机或飞轮储能等可等效为输出交流电压源的分布式发电机或储能装置 ， 在其与多功能并网逆变器主拓扑之间一般还存在一个可控或不控整流环节 ， 整流输出可等效为以上拓扑的直流环节 。表 7 Cheng L 等所提三相全桥式拓扑的参数Tab.7 Parameters of three-phase full -bridgetopology proposed by Cheng L et al曾 正 ， 等 ： 多功能并网逆变器研究综述第 8 期V T1V T4V T3V T6DC ／ DC 全桥PV电池V T5V T2L fCdc电池及电池充电器LC 滤波图 10 Kim S 等提出的三相多功能并网逆变器Fig.10 Three-phase full -bridge topology of multi-functional grid-connected inverter proposed by Kim S et al表 6 Kim S 等所提三相全桥式拓扑的参数Tab.6 Parameters of three-phase full -bridgetopology proposed by Kim S et al对象 参数直流电源 PV 电池 、 储能电池 ， PV 输出电压 260 V电网电压 110 V ／ 60 Hz开关频率 20 kHz拓扑参数 Cdc= 3500 μ F， L f = 7 mH控制策略 滞环复合功能 PFC 和 UPS 功能Cf图 9 Wu T F 等提出的三相多功能并网逆变器Fig.9 Three-phase full -bridge topology of multi -functional grid-connected inverter proposed by Wu T F et al直流滤波S1CfudcCdcV T1VT4VT3VT6VD1V D2全桥PV电池LfVT5VT2 滤波电感Ls负荷配网该拓扑和图 1 所示拓扑比较相近 ， 输出滤波仍然沿用 L 滤波器 ， 区别在于利用三相全桥替换了单相全桥 。类似地 ， 在完成 PV 并网逆变基本功能的同时 ， 通过对负荷电流谐波 、 无功分量的检测 ， 将谐波和无功补偿分量引入到并网指令电流信号中 ， 使并网逆变器供给负荷的谐波和无功电流分量 ， 以保证流过电网的电流为基波有功分量 ， 实现电网的单位功率因数供电 。正如前面分析的那样 ， 由于 PV 等可再生能源具有随机性和不确定性 ， 其输出功率具有较大的波动性 。 如果在直流侧没有储能装置 ， 那么整个系统难以稳定地运行于离网模式 。Kim S 等提出了一种新的三相多功能并网逆变器拓扑如图 10 所示 ， 系统参数如表 6 所示 ［ 24］ 。对象 参数直流电源 PV 电池容量 5 kV· A复合功能 PFC 和 UPS 功能另一方面 ， 还应注意到 ， 前面所提拓扑都是基于三相全桥结构的 。 这类拓扑没有对中线电流调节能力 ， 难以实现对不对称负荷的补偿 。 若要实现分相控制 ， 可采用直流侧分裂电容法来实现 。 此时 ， 需要将直流电容一分为二 ， 且将两电容的中点连接到系统和负荷的中性线上 。 然而 ， 这种带分裂电容的拓扑存在的最大问题是两电容参数及电压的不平衡 ， 故需要大而昂贵的电容和额外的控制来保证 2 个电容电压的平衡 。 此外 ， 中性线电流大也是这种拓扑的一大弊病 。 另一种实现三相系统分相补偿的拓扑结构为三相四桥臂拓扑 ， 这种拓扑增加了第四桥臂用于控制中性线 ， 虽然增加了一个桥臂 ， 增加了成本 ， 但是也提高了整个系统控制器设计的自由度 。Sawant R R 等针对风力发电机的并网与系统谐波 、 不平衡电流的治理提出如图 12 所示的多功能并网逆变器拓扑 ， 系统参数如表 8 所示 ［ 26-27］ 。 可以看出 ： 这里的多功能并网逆变器由 AC ／ DC 和 DC ／ AC共同完成 。 并网逆变器功能的复合化体现在 DC ／ AC的三相四桥臂变流器中 。Pinto J G 提出了一种类似于图 12 所示系统的多功能并网逆变器 ［ 28］ ， 如图 13 所示 ， 系统参数如表9 所示 。 在瞬时功率理论的基础上 ， 该拓扑能实现对谐波和不平衡电流的补偿 。在前面 所 介 绍 的 三 相 多 功 能 并 网 逆 变 器 拓 扑中 ， 谐波电流完全由具有 APF 功能的并网逆变器承担 。 然而 ， 除 APF 外 ， 谐波电流的治理还可由无源滤波器 （ PF） 完成 。 虽然 APF 具有动态响应能力强 、 鲁棒性好等优点 ， 但是价格昂贵也是其不可回避的一大缺憾 。 相反 ， 虽然 PF 易随系统参数和运行条件的变化而变化 ， 但是成本低廉 。 为了充分发挥 APF 和PF 各自的优点 ， 复合化了并网和电流电能质量调节的多功能并网逆变器出现了有源滤波加分散无源滤波的结构 。 Chen Z 首先提出了这样一种结构 ， 如图14 所示 ， 系统参数如表 10 所示 ［ 29］ 。 具有有源滤波功能的多功能并网逆变器和 配 电 网 是 整 个 系 统 的 电源 ， 系统电感为 Ls， 多功能并网逆变器并网点与公共表 9 Pinto J G等所提三相全桥式拓扑的参数Tab.9 Parameters of three-phase four-legtopology proposed by Pinto J G et al对象 参数电网电压 75 V ／ 50 Hz开关频率 10 kHz拓扑参数 不平衡负荷 ： 200 mH 、 200 mH、 0 mH非线性负荷 ： 60 Ω 、 68 mH功率器件 IGBT复合功能 三相 APF 和不平衡负荷电流补偿功能第 32 卷电 力 自 动 化 设 备表 8 Sawant R R 等所提三相全桥式拓扑的参数Tab.8 Parameters of three-phase four-legtopology proposed by Sawant R R et al对象 参数直流电源 风力发电机 ， 直流母线电压 Udc= 800 V电网电压 220 V ／ 50 Hz开关频率 10 kHz拓扑参数 Ls= 1.2 mH ； Rs= 10 mΩ ； Ri = 20 mΩ ， Li = 2.4 mH（ i = a， b， c）； Rn= 20 mΩ ； Ln = 30 mH控制策略 3D 空间矢量调制复合功能 三相 APF 功能 ， 不平衡补偿UdcLi Ri电网（ b） 三相四桥臂 DC ／ AC 并网变流器图 12 Sawant R R 等提出的三相多功能并网逆变器Fig.12 Three-phase four-leg topology of multi-functionalgrid-connected inverter proposed by Sawant R R et al电网电网阻抗Rs Ls平衡 ／ 不平衡负荷 ， 线性 ／ 非线性负荷 ， 三相 ／ 单相负荷风力发电机多功能并网逆变器（ a） 系统整体结构图PCCV T1V T4VT3VT6全桥PV电池VT5VT2LsDC ／ DCCf隔离变压器图 11 Cheng L 等提出的三相多功能并网逆变器Fig.11 Three-phase full -bridge topology of multi -functional grid-connected inverter proposed by Cheng L et al表 11 Han B 等所提 UPQC 功能拓扑的参数Tab.11 Parameters of UPQC topologyproposed by Han B et al对象 参数直流电源 分布式发电机 （ DG）， 直流母线电压 700 V电网电压 220 V ／ 60 Hz开关频率 10 kHz拓扑参数直流稳压电容 ： C1= C2 = 6 600 μ F并 联 逆 变 器 ： 滤 波 器 Lf = 600 μ H ， Cf = 40 μ F， 开 关频率 10 kHz串 联 逆 变 器 ： 滤 波 器 Lf = 600 μ H ， Cf = 40 μ F， 开 关频率 10 kHz ， 串联逆变器用变压器变比 500:100 ，容量 6 kV· A负荷 ： 非线性负荷功率 17.54 kV· A， 线性负荷功率3.27 kV· A分 布 式 发 电 机 ： 交 流 发 电 机 30 kW ， 变 压 器 变 比380:500， 整流器输出电压 700 V系统阻抗 ： R=1 mΩ ， L = 0.01 mH控制策略复合功能SPWM 调制 ， PI 控制UPQC 功能 （ APF 、 电压跌落 ／ 中断补偿 ）L f可再生能源或储能系统三相四桥臂非线性负荷不平衡负荷三相系统图 13 Pinto J G等提出的三相多功能并网逆变器Fig.13 Three-phase four-leg topology of multi -functional grid-connected inverter proposed by Pinto J G et alPMGLs L tPF1Load1PF2Load2PF3Load3LCL 5ZL5S5Load4Load5PCC ZL1ZL2ZL3ZL4图 14 Chen Z 等提出的混合滤波式多功能并网逆变器Fig.14 Hybrid topology of multi-functional grid-connectedinverter proposed by Chen Z et al表 10 Chen Z 等所提多功能并网逆变器系统的参数Tab.10 Parameters of hybrid topology proposedby Chen Z et al对象 参数直流电源 风力发电机 ， 直流母线电压 960 V开关频率 3.15 kHz拓扑参数Load1 为 三 相 可 控 整 流 ， 触 发 角 58 ° ， 无 源 滤 波PF1， 负荷功率 P = 290 kW ， Q= - 457 kvarLoad2 为不平衡单相二极管整流 ， 无源滤波 PF2，负荷功率 P=-134 kW， Q=-167 kvar， 负荷不平衡度8.2%Load3 为三相可控硅整流 ， 触发延迟 10° ， 无源滤波 PF3， 负荷功率 P =-110 kW， Q=-8 kvarLoad4 为三相二极 管 整 流 ， 无 源 滤 波 LCL 4， 负 荷功率 P = - 60 kW ， Q= - 0.4 kvarLoad5 为三相二极管整流 ， 无源滤波 LCL 5， 负荷功率 P=-30 kW ， Q=75 kvar系统电感为 Ls=0.01 mH、 Lt =0.16 mH控制策略 PI 控制 ， SPWM 调制复合功能 APF 功能 ， 补偿不平衡电流和谐波电流曾 正 ， 等 ： 多功能并网逆变器研究综述第 8 期电网LCL 4耦 合 点 PCC（ Point of Common Coupling） 之 间 的 电感为 Lt 。 5 条负荷支路均挂在 PCC 处 ， 其中线路阻抗分别为 ZLi（ i = 1， 2，…， 5）， 前 3 组负荷采用并联 PF，第 4、 5 组负荷采用串联 PF。到目前为止 ， 所介绍多功能并网逆变器的复合功能主要为电流质量治理 。 这些附加功能能补偿电流谐波或无功功率 ， 起到 APF 或 PFC 作用 ， 抑或能在离网模式下持续对负荷供电以达到 UPS作用 。为进一步扩展并网逆变器的复合功能 ， Han B等提出了一种能同时治理电流电能质量和电压电能质量的多功能并网逆变器 ［ 30］ ， 如图 15 所示 ， 参数如表 11 所示 。 这种多功能并网逆变器复合了常规并网逆变器的并网功能和 UPQC 的电能质量调节功能 。从图 15 所示拓扑容易看出 ， 其和传统 UPQC 不同之处仅在于串并联逆变器直流环节所接电源形式的不同 。 传统 UPQC 直接向待补偿系统取电 ， 而这种多功能并网逆变器为了实现对可再生能源的利用 ，必然将其直流侧连接到可再生能源或储能系统的直流输出端 。 串联补偿逆变器仅在电压出现跌落或不平衡时通过串联变压器在补偿点注入补偿电压 ， 当不需要补偿时 ， 旁通开关将其短接 。 并联补偿逆变器一直处于并网工作模式 ， 当局部负荷电流出现谐波 、负荷串联逆变器控制器串联逆变器并联逆变器控制器并联逆变器MDG 控制器UPQC 控制部分电网图 15 Han B 等提出的三相多功能并网逆变器Fig.15 Three-phase full -bridge topology of multi-functionalgrid-connected inverter proposed by Han B et al分布式发电系统控制部分无功或不平衡等需要补偿的分量时 ， 通过控制器向并联补偿点注入补偿电流 ， 从而使得流过电网支路的电流始终为正序基波分量 。 图 16 给出了带 UPQC 功能的多功能并网逆变器中的串联或并联逆变器部分结构图 ， 和常见三相全桥并网逆变器没有太大区别 。国内也有部分高校开展了多功能并网逆变器的研究 。 合肥工业大学在这方面的起步较早 ， 提出了如图 17 所示的基于 PV 的多功能并网逆变器拓扑 ［ 31- 32］ ， 参数 如 表 12 所 示 ， 随 后 又 给 出 了 图 18 所 示 的 具 有UPQC 功能的多功能并网逆变器 ［ 33］ ， 参数见表 13。3 多功能并网逆变器的控制策略多功能并网逆变器作为一 种 特 殊 的 并 网 逆 变器 ， 其控制策略一般沿用了常规并网逆变器的方法 。从触发脉冲生成方式或称调制方式来看 ， 多功