一种微源逆变器串联连接型微网特性研究

王兴贵，杨维满

（兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州 730050）

0 引言

分布式发电在解决能源短缺和环境污染问题中发挥着重要作用。但其出力间歇性和随机性强，大量分布式电源直接并网后会对配电网注入大量谐波，使传统电网变得更加脆弱。所以如何在最大化利用可再生资源的基础上，减小分布式电源并网带来的负面影响，提高电网传输能力和安全程度成为国内外研究的一个焦点。目前，国内外学术界和产业界采用微电网技术来解决上述问题，其结构类型主要有交流型、直流型以及交直流混合型三种[1-3]。不同结构的微网中均存在一些难以解决的问题。

交流微网中环流问题严重，且只能在一定程度上进行抑制，而得不到彻底消除[4-6]。谐波成为影响输出特性的又一主要因素，各次谐波在不同时间尺度上的叠加加深了对系统的影响[7]。多个微源同时参与系统频率、电压调节，以及微源之间的差异性与逆变器参数的分散性，使交流微网稳定性控制变得十分复杂[8-10]。直流微网中母线电压等级高，安全性低[11]。同时对集中逆变器的参数要求高，开关损耗与开关频率之间的矛盾也难以消除。另外，变流器之间的环流问题仍然存在[12]。混合型微网中由于含有交流、直流两种子网，它几乎包括了上述两种微网中的所有关键性问题，且系统工况与控制变得更为复杂。为保证混合微网稳定、减少子网之间的功率流动，还需进行子网之间的协调控制[13]。

因此，文章研究了一种图1所示的微源逆变器串联连接型微电网（series micro power grids,SMPGs），旨在从结构上解决普通微网中存在的主要问题或使某些问题的解决变得简单。风、光等交直流微源经过整流、直流变换环节后，所得直流电压独立接入各微源逆变器。微源直流链接入储能装置和直流可切小负载，可提高系统供电可靠性和多样性。多个微源逆变器输出电压串联叠加后则形成正弦度较好的多电平系统电压，简单滤波后即可得到高质量的交流电。三相系统完全可由单相系统组合而实现。

图1 微源逆变器串联连接型微电网结构图Fig.1 Architecture of the SMPGS

目前存在类似结构的级联逆变器在光伏并网发电系统中有所应用[14-17]，但与串联型微网具有很大区别。本文在微电网技术的基础上，考虑串联结构的优点研究了这一新的组网方式。重点分析了系统特性以及需要解决的关键性问题，并给出相应的解决方法，为系统进一步研究奠定了基础。

1 微源及系统输出电压

微源按其输出电能形式可分为交流型和直流型。前者主要有风力、微型燃气轮机、内燃机、柴油机等；后者包括光伏电池、燃料电池和蓄电池等微源。如图2所示，光伏微源经Boost 升压斩波变换，风力微源采取不可控整流、降压斩波变换，各微源所得直流链电压Udc独立接至微源逆变器。

在正弦脉宽调制下，微源逆变器输出两电平SPWM 电压的双重傅里叶展开式为[18]

式中：调制比M(Us /Uc)≤ 1；Udc为微源直流链电压；Uc、ωc、α分别为单极性载波三角波幅值、角频率与初相位角；Us 、ωs为调制波us的幅值与角频率；载波比为n阶Bessel函数。

图2 MPS 电能输出变换拓扑图Fig.2 Network topology of the MPSs

多个微源逆变器通过串联方式连接在一起，采用载波相移SPWM(carrier phase shifted-SPWM,CPS-SPWM)技术。假设N个微源逆变器串联，载波三角波初相位角依次超前2π/N，则在同一调制波us 下微网滤波器输入电压uAN等于各逆变器输出电压之和，即

其中

则由式(2)～式(5)得到SMPGs 输出电压uAN的双重傅里叶展开式为

在有效控制作用下，若保证直流电压Udci相等，即Udci=Udc，i1,2,… ,N。则微源逆变器输出电压具有相同基波分量，同时由欧拉公式进一步得到

滤波器作用下，忽略输出电压谐波含量，可视其为如下形式正弦量

式中，G(jω)为LC 滤波器频率响应特性，＜G(jω)分别为滤波器幅频特性和相频特性，均跟滤波器参数、输入信号频率及负载属性密切相关。

2 串联型微网输出特性及优点

2.1 输出电压所含谐波特性

串联型微电网输出电压谐波可以表示为mNωct+nωst形式，谐波包含以下三种：

①m0、n≠ 0时，nωs为基波谐波；

②m≠0、n0时，m Nωc为等效载波谐波；

③m≠ 0、n≠ 0时，mNωc+nωs为等效载波倍数的边带谐波。

分析式（7）得知CPS-SPWM 调制技术下，N微源SMPGs 输出谐波具有以下特性。1）基波分量是单个微源逆变器CPS-SPWM 电压基波分量的N倍，且无基波损失；2）串联型微网实际载波频率提高了N倍，此时对应载波频率被称为等效载波频率feqNfc，谐波主要分布在feq附近；3）不含等效载波频率整数倍次谐波，只含其n为奇数次的边频谐波；4）不含NF±1 次以下的低次谐波，以及m=N低次载波谐波与其上下边带谐波。5）谐波幅值随着微源数增加而大幅度减小；6）在同一频谱中随着频率的增大，谐波幅值逐渐降低；7）在不同载波频率时，若功率器件开关频率足够高，则随着等效载波频率增高，谐波含量逐渐降低。

基于光伏组件和永磁直驱式风力发电系统数学模型[19-20]搭建串联型微电网Matlab/Simulink仿真平台。假设微网输出交流电压有效值220 V，频率50 Hz。选取调制比M=0.89，载波比F=40，正弦调制波角频率ωs为 100 π(rad · s -1)，各微源直流链电压均为70 V。微源逆变器及串联型微网输出电压频谱如图3所示。

图3（a）、3（b）为串联型微网中载波频率fc分别为2 kHz、10 kHz 时微源逆变器输出电压频谱，可以看出谐波主要分布在三角波频率fc及其倍频2fc、3fc、…为中心的周围，其中以fc处的谐波幅值最大。对比图3（a）、3（b）两图发现，增大载波频率fc，主要谐波频率增大，分布中心右移。若考虑谐波频率上限为25 kHz，则谐波总畸变率THD分别为64.55%、59.32%，可见单纯增大载波频率谐波幅值和含量变化不大。5 微源SMPGs 输出电压频谱如图3（c）所示，谐波主要集中于等效载波频率feq(5 × 2)kHz 及其倍频2feq、3feq、…附近，其中以feq处的谐波幅值最大，约为基波幅值的3.8%，SMPGs 中大量低次谐波相互抵消，载波谐波幅值明显减小，图3（c）显示THD为13.42%，输出谐波含量大幅度降低。

图3 单个微源逆变器、五微源串联型微电网输出电压频谱Fig.3 Output voltage and frequency spectrum of the MPS and the SMPG

2.2 输出电压、电流特性

在CPS-SPWM 调制技术下，SMPGs 输出电压具有以下特性。1）N微源串联型微网输出2N+1 电平电压，图4(a)所示为5 微源串联型微电网输出11电平电压波形，较图4(b)所示单个微源逆变器输出电压相比，其正弦度大幅度提高，电压波形得到明显改善，简单滤波后即可获得正弦度很好的电压波形。2）只要保持各直流链电压总和不变，系统输出交流电压幅值就维持不变，各微源输出电压有一个很好的互补作用。3）系统由低耐压的功率器件实现高压大功率输出，可实现无变压器并网。当微网输出电压等级一定时，可有效降低微源输出电能变换电路电压等级，故可选用耐压值较低的元器件，减小系统成本。

图4 单个微源逆变器、五微源串联型微网输出多电平电压Fig.4 Output multi-level voltage of the MPS and SMPGs

同时也可以看出，系统输出电压有效值220 V时，微源逆变器输出电压基波分量为62.48 V。对应直流环节末端电压只有70 V，各微源直流链电压等级得到有效降低。4）目前，微源多以典型清洁性风、光发电单元为主，当风速、光照强度以及温度等环境因素变化时，风力等交流型微源不可控整流输出电压UWIi、光伏等直流微源输出电压UPVi也随之波动。直流环节若不采取任何稳压措施，直流末端电压Udci则会产生随机扰动，进而影响系统交流输出幅值。所以直流环节电压波动是系统受环境变化影响的直接表现。

系统输出电流与负载大小、属性密切相关。SMPG s 的独特结构使得各微源逆变器输出电流相等，且均为流过滤波器电感的电流iL。

2.3 输出频率特性

传统交流微电网中各微源逆变器连接在交流母线上，网内产生大量环流，而且各逆变器输出频率也难以保持一致，严重影响系统稳定运行。直流微电网中虽然可以克服环流、频率差异问题，但直流母线电压等级要求高，逆变器输出电压、电流谐波含量高，功率器件高频动作与开关损耗之间的突出矛盾也难以解决。串联型微网输出等效电路如图5所示，从中可以看出SMPG s 输出等效于单个逆变器输出，保证各微源逆变器输出频率完全一致。同时，环流问题也得以解决。

图5 串联型微网输出等效电路Fig.5 Output equivalent circuit of the SMPGs

2.4 串联型微网优点

与普通的三种微网相比，SMPGs 具有以下优点：1）微网输出电压、电流谐波含量低，对外电网污染小；2）等效开关频率高、损耗低，滤波器参数、尺寸小；3）微网内无环流，各微源逆变器输出频率之间无差异，频率稳定性控制易于实现；4）串联微源数目越多，输出电压电平数越多，正弦度就越好；5）微源输出电能变换电路电压等级低，进而降低电力电子开关器件的工作电压，有效降低系统成本，提高安全性。

3 系统需解决的关键性问题

3.1 电压稳定性控制问题

环境因素变化影响下，必须采取相应的措施保证直流链电压稳定。从两方面可以实现：

1）仅依靠控制手段：①直流变换环节，单向变换控制器通过检测直流输入电压UWIi、UPVi及末端电压Udci的变化即时调整占空比，将较宽范围内随机波动的直流电压变换为稳定的直流电压[21]，输出电压大小取决于参考输出电压。②逆变环节，通过检测逆变器输入侧直流电压大小，实时调整调制比M，即调制波或三角载波大小，得到期望电压幅值。仅依靠控制手段维持末端电压Udci稳定是有限的，当负载所需功率与损耗功率之和大于微源产生功率时，则该方法是无效的。

2）依靠储能单元，在直流环节配置蓄电池、超级电容、飞轮电池或由它们组成的混合储能装置，通过吸收和释放能量来维持直流电压Udci稳定，同时可增加系统惯性和供电时间。所以单向变换器恒压工作模式下可依靠斩波环节来维持电压稳定，而在MPPT 工作模式下则通过储能装置或微源逆变器控制来实现。

3.2 负载功率分配问题

SMPGs 并网运行时，尽可能保证间歇性微源运行在最大功率点状态，以提高清洁能源的利用效率。该系统中，微源输出电能变换均存在DC/DC 中间环节，光伏微源可采用扰动观察法、电导增量法以及它们的改进方法实现MPPT。而对于风力微源宜利用功率与斩波占空比D之间的关系，实时检测不可控整流输出电压来调整占空比，进而实现风力微源最大功率点跟踪[22-23]。

孤网运行时，根据天气条件和储能状态变化，交、直流微源中Boost 和Buck 单向变换器要实现MPPT 模式、恒压模式及关闭等不同工作模式之间的自由切换，工作模式切换完全依赖于上层能量管理器[24]。利用功率预测手段，当各微源均具备良好供能条件时，系统采取“均衡”分配的原则，即各微源出力相等。在部分微源产（储）能充足，而剩余微源产（储）能匮乏时，采用“能者多出”的分配原则，即电能充足的微源多出力，相反电能匮乏微源少出力甚至不出力。而在环境条件极其恶劣，储能又达不到下限标准时，则可主要依靠柴油机、燃气轮机等微源进行供电。必要时进行停机，待环境条件好转时，首先考虑储能装置充电，再逐步恢复系统运行。所以为减少、消除系统停机状况，微源配置结合能源实际分布情况，应尽量选取互补性清洁能源，并配置适度容量的常规辅助性微源。

3.3 微电源实时投切问题

串联型微网中当某个微源故障或出力严重缺乏时，能够将其切除则有利于提高系统效率和安全性[25]。否则待切除微源将以负载身份消耗能量，严重时引发整个系统瘫痪。 待微源恢复较强出力的能力时再将其投入使用。最直接的方法就是在微源直流环节末端使用固态继电器，实现无触点、无火花地接通和断开电路。同时调整各载波三角波初始相位，调制比M或直流链电压Udci 的参考输出，即可保证SMPGs 中微源的实时投切。在单相系统中该方法简单易行，但在由此组合形成的三相系统中，输出功率有限时投切工作若只在某相中进行，会引起三相电压不平衡等问题，故同时需考虑剩余两相中部分微源的投切处理。

4 系统运行仿真

依据微源模型搭建了微源逆变器串联连接型微电网的Matlab/Simulink 仿真平台，五微源SMPGs系统仿真参数设置如表1所示。系统运行仿真时，实际环境条件为：外界环境温度为25 ℃，光照强度1 100 w/m2，平均风速7.5 m/s，系统纯阻性负载R=30Ω，仿真结果如图6所示。图6（a）为环境条件未发生变化时，风、光微源直流链电压均稳定在70 V 的电压波形。图6（b）所示为系统输出的交流电压，工频50 Hz、峰值311 V。图6（c）、6（d）给出了2 s 至2.20 s 时刻,即10 个周期内电压、电流输出情况。前者为滤波前输出电压波形，从中看出系统输出11 电平电压，具有较好的正弦度。后者为输出滤波后电压、电流，可以看出系统输出与期望输出电压的幅值、频率完全一致。阻性负载R=30 Ω时，系统输出电流峰值为10 A，相位与电压相位相同。

表1 五微源串联型微电网仿真参数设置Table 1 Parameter settings of the simulation of SMPGs

图6 系统仿真输出情况Fig.6 Output situation of the SMPGs

表2所示为SMPGs 含有不同微源数目时的输出情况。设微网具有相同输出要求。选取额定调制比m0.8，载波频率fc=1 kHz。从表2仿真结果可以看出随着微源数目N的增多，SMPGs 输出电压电平数按2N+1 关系增加，各微源直流链电压Udci降至（311/NM）V，直流环节电压等级明显减小。随着微源逆变器数目增加，等效载波频率增至N·fc。当交流输出要求相同时，谐波幅值随着输出电压电平数的增加而减少，并消除了NF±1 次以下的谐波，以及m=N以下的载波谐波及其上下边频。微网输出电压、电流中低次谐波含量大大减少，对比单微源逆变器和5 微源串联型微网输出电压谐波总畸变率THD，当考虑谐波频率上限为10 kHz 时，THD由74.17%减小至12.05%，谐波含量明显降低。

表2 串联型微网含有不同数目微源时系统输出情况Table 2 Output situation of the SMPGs with different numbers of MPS

5 结论

微电网在解决传统电网传输能力有限、供电可靠性低以及边防哨所难以供电等问题中具有很大潜力。文章所提出的串联型微电网可进一步降低输出谐波含量，减少对配电网和负载的影响作用，同时有效解决了交、直流微网中环流、谐波、频率等诸多问题。SMPGs 是一个随机多变量系统，今后还需做更全面、更深层次的研究，如特定模型建立、稳定性分析、微源出力协调控制等研究。它是一种新型的微网结构，能够对微电网今后更好、更全面的发展提供新思路和新方向。

[1] Alexis Kwasinski,Chimaobi N,Onwuchekwa.Dynamic Behavior and stabilization of DC microgrids with instantaneous constant-power loads[J].IEEE Trans on Power Electronics,2011,26(3): 822-834.

[2] 刘文,杨慧霞,祝斌.微电网关键技术研究综述[J].电力系统保护与控制,2012,40(14): 153-155.LIU Wen,YANG Hui-xia,ZHU Bin.Survey on key technologies of microgrid[J].Power System Protection and Control,2012,40(14): 153-155.

[3] 鲁宗相,王彩霞,闵勇.微电网研究综述[J].电力系统自动化,2007,31(19): 100-107.LU Zong-xiang,WANG Cai-xia,MIN Yong.Overview on micro-grid research[J].Automation of Electric Power Systems,2007,31(19): 100-107.

[4] 吕志鹏,罗安,蒋雯倩,等.多逆变器环境微网环流控制新方法[J].电工技术学报,2012,27(1): 40-47.Lü Zhi-peng,LUO An,JIANG Wen-qian,et al.New circulation control method for micro-grid with multi-inverter micro-sources[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2012,27(1): 40-47.

[5] 姚玮,陈敏,牟善科,等.基于改进下垂法的微电网逆变器并联控制技术[J].电力系统自动化,2009,33(6):77-80.YAO Wei,CHEN Min,MOU Shan-ke,et al.Paralleling control technique of microgrid inverters based on improved droop method[J].Automation of Electric Power Systems,2009,33(6): 77-80.

[6] 王文军,汤钰鹏,张晔.逆变器并联运行的环流反馈控制[J].电力系统保护与控制,2009,37(17): 16-19.WANG Wen-jun,TANG Yu-peng,ZHANG Ye.Feedback control strategy of circle current in parallel inverters[J].Power System Protection and Control,2009,37(17):16-19.

[7] 费万民,吕征宇,姚文熙.三电平逆变器特定谐波消除脉宽调制方法的研究[J].中国电机工程学报,2003,23(9): 11-15.FEI Wan-min,Lü Zheng-yu,YAO Wen-xi.Research on selected harmonic elimination PWM technique applicable to three-level voltage inverters[J].Proceedings of the CSEE,2003,23(9): 11-15.

[8] Alvaro Llaria,Octavian Curea,Jaime Jiméne.Survey on microgrids: unplanned islanding and ralated inverter control techniques[J].Renewable Energy,2011,36(8):2052-2061.

[9] 孙孝峰,吕庆秋.低压微电网逆变器频率电压协调控制[J].电工技术学报,2012,27(8): 77-84.SUN Xiao-feng,Lü Qing-qiu.Improved PV control of grid-connected inverter in low voltage micro-grid[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2012,27(8): 77-84.

[10] 肖朝霞,方红伟.含多分布式电源的微网暂态稳定分析[J].电工技术学报,2011,26(S1): 253-261.XIAO Zhao-xia,FANG Hong-wei.Transient stability analysis of microgrids containing multiple micro sources[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2011,26(S1): 253-261.

[11] 黄文焘,邰能灵,范春菊,等.微电网结构特性分析与设计[J].电力系统保护与控制,2012,40(18): 149-155.HUANG Wen-tao,TAI Neng-ling,FAN Chun-ju,et al.Study on structure characteristics and designing of microgrid[J].Power System Protection and Control,2012,40(18): 149-155.

[12] Karlsson P,Svensson J.DC bus voltage control for a distributed power system[J].IEEE Trans on Power Electronics,2003,18(6): 1405-1412.

[13] LIU Xiong,WANG Peng,Poh Chiang Loh.A hybrid AC/DC microgrid and its coordination control[J].IEEE Trans on Smart Grid,2011,2(2): 278-286.

[14] Calais M,Agelidis V.Multilevel converters for single-phase grid connected photovoltaic systems—an overview[C] // Proc IEEE ISIE,1998(1): 224-229.

[15] Elena Villanueva,Pablo Correa,José Rodríguez.Control of a single-phase cascaded H-bridge multilevel inverter for grid-connected photovoltaic systems[J].IEEE Trans on Industrial Electronics,2009,56(11): 4399-4406.

[16] 黄立培,马毅为,孙凯.高效级联式光伏并网逆变器的控制[J].高电压技术,2011,37(3): 680-686.HUANG Li-pei,MA Yi-wei,SUN Kai.Control of high efficiency cascaded photovoltaic grid-connected inverter[J].High Voltage Engineering,2011,37(3):680-686.

[17] 陈元娣,夏敏学,朱忠尼.基于阶梯波与瞬时值反馈混合控制的光伏并网级联逆变器[J].电力系统自动化,2012,36(14): 172-176.CHEN Yuan-di,XIA Min-xue,ZHU Zhong-ni.Photovoltaic grid-connected cascaded inverter based on stepped waveforms and instantaneous value feedback hybrid control[J].Automation of Electric Power Systems,2012,36(14): 172-176.

[18] 刘凤君.环保节能型H 桥及SPWM 直流电源式逆变器[M].北京: 电子工业出版社,2010: 68-71.

[19] SU Jian-hui,YU Shi-jie,ZHAO Wei,et al.Investigation on engineering analytical model of silicon solar cells[J].Acta Energiae Solaris Sinica,2001,22(4): 409-412.

[20] 郭天勇,赵庚申,赵耀.基于风光互补的微网系统建模与仿真[J].电力系统保护与控制,2010,38(21):104-108.GUO Tian-yong,ZHAO Geng-shen,ZHAO Yao.Modeling and simulation of microgrid system based on wind-solar hybrid[J].Power System Protection and Control,2010,38(21): 104-108.

[21] 刘青,张东来.抑制输入扰动的Buck 变换器控制方法[J].电工技术学报,2011,26(4): 93-99.LIU Qing,ZHANG Dong-lai.An improved control method of buck converter to reject input-disturbance[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2011,26(4): 93-99.

[22] Eftichios Koutroulis,Kostas Kalaitzakis.Design of a maximum power tracking system for wind energy conversion applications[J].IEEE Trans on Industrial Electronics,2006,53(2): 486-494.

[23] Kesraoui M,Korichi N,Belkadi A.Maximum power point tracker of wind energy conversion system[J].Renewable Energy,2011,36: 2655-2662.

[24] 廖志凌,阮新波.独立光伏发电系统能量管理控制策略[J].中国电机工程学报,2009,29(21): 46-52.LIAO Zhi-ling,RUAN Xin-bo.Energy management control strategy for stand-alone photovoltaic power system[J].Proceedings of the CSEE,2009,29(21):46-52.

[25] 王旭,臧义,徐彬,等.基于开关管的级联H 桥逆变器故障处理方法[J].中国电机工程学报,2007,27(7):76-81.WANG Xu,ZANG Yi,XU Bin,et al.Research on switch based control method for cascaded H-bridge inverter failure[J].Proceedings of the CSEE,2007,27(7): 76-81.