張 巍 ，汪 飛 ，阮 毅 ，趙春江 ，許德志

（1.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072；2.上海電力學(xué)院 太陽(yáng)能研究所，上海 200090）

0 引言

不同于傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電，可再生能源發(fā)電具有用之不竭、清潔無(wú)污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為電力系統(tǒng)能源的重要組成部分。并網(wǎng)逆變器作為分布式發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的關(guān)鍵接口設(shè)備，其性能直接決定著并網(wǎng)電能質(zhì)量，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。然而，隨著分布式發(fā)電單元的不斷滲透，電網(wǎng)將日益復(fù)雜，只有對(duì)分布式發(fā)電單元進(jìn)行良好的設(shè)計(jì)和管理，電網(wǎng)才不會(huì)產(chǎn)生供電質(zhì)量問(wèn)題［1-5］。

近年相關(guān)文獻(xiàn)中已經(jīng)提出電力電子變換器在用作新能源發(fā)電并網(wǎng)接口的同時(shí)亦可引入改善電能質(zhì)量的設(shè)計(jì)，諸如有源電力濾波、電壓不平衡補(bǔ)償、網(wǎng)側(cè)電壓支持等輔助功能［6-10］。然而，僅僅獨(dú)立地研究單個(gè)分布式發(fā)電單元的并網(wǎng)技術(shù)是不夠的，一方面由于獨(dú)立單元的功率容量有限，另一方面完全的分布式架構(gòu)不利于管理和控制。所以，從一定的電網(wǎng)規(guī)模角度出發(fā)進(jìn)行研究具有實(shí)際意義，而最基本的研究對(duì)象應(yīng)是微電網(wǎng)層面。

微電網(wǎng)將本地發(fā)電和用電負(fù)載視為子系統(tǒng)。在其技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，多個(gè)分布式發(fā)電單元的并聯(lián)功率共享控制得到了較多的研究和發(fā)展［11-13］。在并聯(lián)功率共享控制中，過(guò)大的下垂增益變化或參考功率的變化會(huì)引起微電網(wǎng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定［14-15］。通過(guò)引入通信技術(shù)，例如控制現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)或電力線(xiàn)通信，控制器的參數(shù)可以靈活地根據(jù)負(fù)載、傳輸線(xiàn)阻抗及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的變換等信息進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模微電網(wǎng)內(nèi)穩(wěn)定而精確的功率共享控制［16-17］。

當(dāng)前大容量的分布式發(fā)電系統(tǒng)或微電網(wǎng)仍處于應(yīng)用初期，微電網(wǎng)和其他電網(wǎng)的接口方式與控制策略仍缺乏充分的研究與突破。

因此，本文聚焦于并網(wǎng)接口架構(gòu)的研究，所設(shè)想的系統(tǒng)應(yīng)該能夠在電網(wǎng)擾動(dòng)的情況下保持微電網(wǎng)和所并聯(lián)電網(wǎng)的功率傳輸，同時(shí)在用戶(hù)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)都能盡力改善電能質(zhì)量。

從未來(lái)并網(wǎng)接口架構(gòu)的思考出發(fā)，本文以傳統(tǒng)的串-并拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了一種并網(wǎng)接口變換器系統(tǒng)。通過(guò)系統(tǒng)功能的重新配置，可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化和整體系統(tǒng)性能的改善。本文最后結(jié)合一套具體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)詳述了所提出的系統(tǒng)概念并驗(yàn)證了其合理性。

1 并網(wǎng)接口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其功能

1.1 基于串-并結(jié)構(gòu)的并網(wǎng)接口系統(tǒng)

圖1 微電網(wǎng)和公共電網(wǎng)的并網(wǎng)接口系統(tǒng)示例Fig.1 Grid-interfacing system between microgrid and grid

圖1是一個(gè)微電網(wǎng)和公共電網(wǎng)的并網(wǎng)接口系統(tǒng)示例。圖中，左側(cè)是由多個(gè)分布式發(fā)電系統(tǒng)、能量存儲(chǔ)以及本地負(fù)載構(gòu)建的一個(gè)微電網(wǎng)；中間的雙向串聯(lián)變換器用于連接微電網(wǎng)和公共電網(wǎng)以便功率交換，同時(shí)隔離電網(wǎng)之間的電能質(zhì)量問(wèn)題。數(shù)據(jù)總線(xiàn)用于電網(wǎng)層面的信息采集與交換及指令傳送等。

圖2為一個(gè)串聯(lián)變換器和一個(gè)并聯(lián)變換器構(gòu)成的串-并型通用結(jié)構(gòu)。

圖2 串-并結(jié)構(gòu)單線(xiàn)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Single-line diagram of conventional serial-parallel structure

傳統(tǒng)的串-并結(jié)構(gòu)在電力系統(tǒng)中通常用于三相系統(tǒng)中，而本文從分布式微電網(wǎng)考慮將主要關(guān)注串-并結(jié)構(gòu)在單相系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過(guò)將圖2中的基本結(jié)構(gòu)與分布式能源和能量存儲(chǔ)進(jìn)行結(jié)合與再配置，可以適用于分布式發(fā)電系統(tǒng)。幾種并網(wǎng)接口系統(tǒng)如圖3所示。圖3（a）為一種最簡(jiǎn)單和基本的結(jié)構(gòu)，其中由一組分布式能源進(jìn)行直流供電。根據(jù)文獻(xiàn)［18］，類(lèi)似的結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用于在線(xiàn)交互式不間斷電源系統(tǒng)或分布式發(fā)電系統(tǒng)。

此外，文獻(xiàn)［19］中通過(guò)選用隔離型 DC/DC變換器技術(shù)，使得串聯(lián)和并聯(lián)變換器可以在直流側(cè)得以隔離，如圖3（b）所示。因此，可以省去昂貴和笨重的隔離變壓器。串聯(lián)和并聯(lián)變換器也可分別由獨(dú)立的分布式能源供電，如圖3（c）所示。

串-并拓?fù)渲卸鄠€(gè)變換器可并聯(lián)從而構(gòu)建一個(gè)微電網(wǎng)。此時(shí)串聯(lián)變換器可以被視作連接微電網(wǎng)至公共電網(wǎng)或者連接2個(gè)微電網(wǎng)的接口變換器，用于功率流控制和故障保護(hù)。圖3（d）為一個(gè)微電網(wǎng)和公共電網(wǎng)的串-并接口系統(tǒng)示例。

圖3 基于串-并結(jié)構(gòu)再配置的單線(xiàn)圖Fig.3 Single-line diagram of reconfigured serial-parallel structure

1.2 系統(tǒng)功能配置

圖3所述幾種用于微電網(wǎng)的并網(wǎng)接口系統(tǒng)，因?yàn)榇?lián)和并聯(lián)變換器帶來(lái)的多控制自由度，能夠根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)不同的控制功能。傳統(tǒng)串-并結(jié)構(gòu)的控制方案中，串聯(lián)部分工作在電壓控制模式，用于補(bǔ)償電網(wǎng)端電壓擾動(dòng)以保證用戶(hù)端的電壓穩(wěn)定，并聯(lián)部分工作在電流控制模式用于補(bǔ)償負(fù)載端的諧波電流或無(wú)功電流以實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)。然而本文所提出的并網(wǎng)接口系統(tǒng)，其并聯(lián)變換器工作在電壓控制模式提供當(dāng)?shù)馗哔|(zhì)量供電電壓，而串聯(lián)變換器進(jìn)行功率流的雙向控制和電能質(zhì)量問(wèn)題的相互隔離。通過(guò)這樣的功能配置，從電網(wǎng)層面看微電網(wǎng)就如同一個(gè)分布式發(fā)電的負(fù)載或供電單元，而其內(nèi)部的能量控制管理則自成體系。其并網(wǎng)端口處則由串聯(lián)變換器進(jìn)行潮流控制和電能質(zhì)量改善。

圖4給出了所采用系統(tǒng)的電路符號(hào)表征，其中下標(biāo)“1”代表基波，“h”代表諧波，“g”代表電網(wǎng)，“s”代表串聯(lián)變換器，“p”代表并聯(lián)變換器，“Ld”代表負(fù)載。

雖然公共電網(wǎng)和當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的功率傳輸取決于串聯(lián)變換器的控制，但是傳輸功率的參考指令必須基于本地系統(tǒng)的功率容量和分布式電網(wǎng)的功率需求決定。因此數(shù)據(jù)通信對(duì)于并網(wǎng)接口變換器系統(tǒng)而言至關(guān)重要，它用于采集和傳輸實(shí)時(shí)用戶(hù)與電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的數(shù)據(jù)信息［20］。然而，網(wǎng)絡(luò)層面的通信和實(shí)時(shí)參考信號(hào)的計(jì)算超出了本文的研究?jī)?nèi)容，下文僅研究該系統(tǒng)的底層電力電子變換器的控制與實(shí)現(xiàn)。

圖4 基于電壓、電流源的串-并變換器系統(tǒng)電路示意圖Fig.4 Circuit of serial-parallel converter system in terms of voltage and current sources

1.3 實(shí)驗(yàn)用并網(wǎng)接口系統(tǒng)

以單相全橋逆變器作為基本單元，整個(gè)系統(tǒng)電路配置如圖5所示（略去多并聯(lián)變換器）。為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置，本文并網(wǎng)接口系統(tǒng)中的串、并聯(lián)變換器由同一個(gè)直流電源供電，因此必須將串聯(lián)或并聯(lián)變換器中的一個(gè)用隔離方式輸出。本文選擇了在串聯(lián)變換器的輸出隔離，所以圖5的結(jié)構(gòu)更類(lèi)似于圖3（a）而非圖3（b）或圖3（d）中的結(jié)構(gòu)，但在系統(tǒng)功能的本質(zhì)上是一致的。

圖5 采用的并網(wǎng)接口系統(tǒng)Fig.5 Adopted grid-interfacing system

注意到此處沒(méi)有考慮微電網(wǎng)中的多個(gè)并聯(lián)逆變器，而只關(guān)注并網(wǎng)接口系統(tǒng)功能的控制實(shí)現(xiàn)，因此未引入多逆變器的并聯(lián)控制，僅取了接口處的一個(gè)并聯(lián)變換器進(jìn)行本地電網(wǎng)的功能實(shí)現(xiàn)。關(guān)于微電網(wǎng)內(nèi)的多逆變器并聯(lián)工作，如前言部分所述已經(jīng)有很多的前期工作。本文的主要工作是基于串-并拓?fù)涞牟⒕W(wǎng)接口概念及其控制實(shí)現(xiàn)，所以微電網(wǎng)內(nèi)的多逆變器并聯(lián)控制此處不再贅述。

2 系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.1 整體控制架構(gòu)

圖6為并網(wǎng)接口系統(tǒng)的全局控制框圖，包括參考信號(hào)的發(fā)生，2個(gè)獨(dú)立控制器和基本模塊即基波電壓檢測(cè)與同步，用于系統(tǒng)檢測(cè)網(wǎng)側(cè)電壓的基波信號(hào)和電網(wǎng)頻率［7］。

圖6（a）中將在靜止坐標(biāo)系中得到的電網(wǎng)同步電壓經(jīng)幅值轉(zhuǎn)換和信號(hào)歸一化處理后用于生成一組給定幅值的電壓參考信號(hào)給并聯(lián)變換器。因此，本地電網(wǎng)的供電電壓保持與電網(wǎng)基波電壓同相，而串聯(lián)變換器僅需較小的電壓輸出即可調(diào)整接口處的功率流。

圖6 整體控制框圖Fig.6 Block diagram of overall control

圖6（b）中串聯(lián)變換器的控制可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)控制，即模塊“功能選擇與組合”所示不同的控制目標(biāo)可以被集成到系統(tǒng)中。這樣在選取控制用參考信號(hào)時(shí)可以引入功率控制、基波電流控制或諧波電流控制。

而這些參考信號(hào)的產(chǎn)生均可以采用現(xiàn)有成熟的方法生成?；谏鲜龃?、并聯(lián)變換器的功能配置，對(duì)于并聯(lián)變換器控制將從系統(tǒng)的不穩(wěn)定性改善、選擇性諧波補(bǔ)償以及擾動(dòng)敏感性改善3個(gè)方面進(jìn)行討論；對(duì)于串聯(lián)變換器將從應(yīng)對(duì)畸變電網(wǎng)下的高性能功率控制和諧波補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)角度重點(diǎn)闡述其內(nèi)部電流控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程。

2.2 并聯(lián)變換器控制

并聯(lián)變換器的控制框圖如圖7所示，其中考慮到控制中的采樣及傳輸延時(shí)表征為e-sTd。系統(tǒng)參數(shù)請(qǐng)參見(jiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果部分。簡(jiǎn)化逆變器為單位增益，則控制器的平均模型如圖8所示。

圖7 并聯(lián)變換器控制框圖Fig.7 Block diagram of parallel converter control

圖8 并聯(lián)變換器控制原理圖Fig.8 Principle diagram of parallel converter control

2.2.1 系統(tǒng)不穩(wěn)定性改善

電壓前饋控制環(huán)一方面將輸出電流在輸出阻抗上的動(dòng)態(tài)壓降引入補(bǔ)償從而提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)，另一方面可以改善空載情況下的系統(tǒng)不穩(wěn)定性。

當(dāng)并聯(lián)變換器沒(méi)有本地負(fù)載連接也沒(méi)有向電網(wǎng)供電，圖8中電流ip為零。此時(shí)，從逆變器輸出uan到濾波器輸出up的傳遞函數(shù)為：

其中，ZL=sL+RL，ZC=RC+1/（sC），RL和 RC分別為電感L和電容C的等效串聯(lián)電阻。

考慮到前饋環(huán)的采樣和傳輸延時(shí)，則圖8中的前饋環(huán)表示為：

其中，Kff為前饋增益。

為了分析前饋環(huán)的作用，令圖8中的電感電流環(huán)反饋環(huán)節(jié)Fi（s）=0，計(jì)算出圖8的系統(tǒng)傳遞函數(shù)如下：

其頻域響應(yīng)如圖9所示。

圖9 帶前饋環(huán)的系統(tǒng)傳遞函數(shù)波特圖Fig.9 Bode plots of system transfer function with feedforward loop

由圖9可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)Kff=0時(shí)，在LC諧振頻率處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)諧振尖峰，這會(huì)限制控制器的帶寬并使得控制器難以設(shè)計(jì)，因此在空載時(shí)并聯(lián)逆變器存在不穩(wěn)定問(wèn)題；當(dāng)0＜Kff＜1時(shí)，前饋環(huán)的引入可以抑制該諧振尖峰，而且Kff越接近1則前饋環(huán)引入的低頻段相移越多，繼而減少控制系統(tǒng)的相位裕度。因此，前饋環(huán)的使用需要綜合整體控制設(shè)計(jì)考慮。

2.2.2 選擇性諧波補(bǔ)償

因?yàn)樗捎玫牟⒕W(wǎng)接口系統(tǒng)在當(dāng)?shù)刎?fù)載中會(huì)出現(xiàn)非線(xiàn)性負(fù)載，所以為改善并聯(lián)輸出電壓質(zhì)量，采用多重比例諧振 PR（Proportional and Resonant）控制器［21］進(jìn)行選擇性諧波頻率段的電壓調(diào)整，控制器表達(dá)式如下：

其中，KP=0.55， KI1=50，KI3，5，7，9=20，ωb1=10 rad /s，ωb3，5，7，9=6 rad /s，ωc=314 rad /s。

圖10繪制出圖8中開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖，設(shè)定 Fi（s）=0，Gi（s）=1，暫時(shí)未引入電流環(huán)。 從圖中可以看出，在所選擇頻率處的開(kāi)環(huán)增益都被增強(qiáng)，以便能夠在這些頻率點(diǎn)對(duì)電壓諧波進(jìn)行控制補(bǔ)償。同時(shí)，前饋環(huán)增益Kff對(duì)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的影響也在圖中做了比較，可以發(fā)現(xiàn)前饋環(huán)能夠改變低頻段的頻率響應(yīng)特性。綜合考慮諧振抑制效果與系統(tǒng)的相位裕度，選定 Kff=0.8。

圖10 系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)（不含內(nèi)環(huán)）波特圖Fig.10 Bode plots of system open-loop transfer function without inner current loop

2.2.3 擾動(dòng)敏感性改善

電流內(nèi)環(huán)用于改善系統(tǒng)對(duì)輸出電流擾動(dòng)信號(hào)的敏感性。從圖10可知通過(guò)電壓補(bǔ)償和前饋控制已經(jīng)使系統(tǒng)具備1.2 kHz的帶寬和20°的相位裕度，而通過(guò)電流內(nèi)環(huán)補(bǔ)償器Gi（s）幾乎很難再提高系統(tǒng)帶寬。因此為了維持系統(tǒng)在低階諧波頻率段的控制特性，僅僅采樣電感電流的高頻段成分，并設(shè)計(jì)電流內(nèi)環(huán)補(bǔ)償增益為1，即Gi（s）=1。因此，電流反饋環(huán)設(shè)計(jì)為：

其中，KfI為電流反饋系數(shù)；fhp為高通濾波帶寬。在此，系數(shù)KfI其實(shí)等效為一個(gè)內(nèi)環(huán)比例調(diào)節(jié)。

基于圖8的控制框圖，計(jì)算系統(tǒng)對(duì)于電流擾動(dòng)的敏感性關(guān)系，可以表示為：

即輸出電壓對(duì)于負(fù)載電流變化的響應(yīng)特性。如圖11所示為 Gd（s）的幅頻響應(yīng)圖，其中 fhp=1 kHz。

圖11 系統(tǒng)對(duì)于電流擾動(dòng)的敏感特性Fig.11 System sensitivity to current disturbance

由圖11可見(jiàn)：當(dāng)未引入電流內(nèi)環(huán)時(shí)（即KfI=0），Gd（s）在LC諧振頻率點(diǎn)有較高的幅值，意味著任何在這個(gè)頻率點(diǎn)附近的電流擾動(dòng)會(huì)引起較大輸出電壓振蕩；而通過(guò)引入電流內(nèi)環(huán)，該諧振可以得到很好的衰減，但在低頻段會(huì)有輕微的幅值增加。在實(shí)際系統(tǒng)中，該電流反饋系數(shù)KfI選定為4。

2.3 串聯(lián)變換器控制

假設(shè)并聯(lián)變換器是一個(gè)理想電壓源，圖5中的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為連接到一個(gè)等效電網(wǎng)的并聯(lián)系統(tǒng)。如圖12所示，該等效電網(wǎng)的電壓usp=us-up，其中傳輸線(xiàn)阻抗和變壓器漏感一起等效為L(zhǎng)g。

圖12 串聯(lián)變換器控制框圖Fig.12 Block diagram of serial converter control

基于圖11的敏感性分析，并聯(lián)變換器在電網(wǎng)頻率和低階諧波頻率段表現(xiàn)為一個(gè)非常小內(nèi)阻的電壓源。因此，為了簡(jiǎn)化串聯(lián)變換器在大約1 kHz以?xún)?nèi)的頻率段控制器設(shè)計(jì)，這里可以合理地假設(shè)并聯(lián)變換器為一個(gè)理想的電壓源。圖12描述了串聯(lián)變換器的控制結(jié)構(gòu)，其對(duì)應(yīng)的平均模型如圖13（a）所示。注意到圖中的若干傳遞函數(shù)使用了并聯(lián)變換器控制描述中相同的符號(hào)，這樣做只是為了簡(jiǎn)化描述。

圖13 串聯(lián)變換器控制原理圖Fig.13 Principle diagram of serial converter control

串聯(lián)變換器與電網(wǎng)之間形成的LCL的濾波器結(jié)構(gòu)，作為一個(gè)三階系統(tǒng)容易引起控制設(shè)計(jì)上的不穩(wěn)定問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，相關(guān)文獻(xiàn)中有很多控制方法［22-26］，例如通過(guò)引入額外的控制環(huán)或采取有源阻尼等方式進(jìn)行諧振抑制。考慮到串聯(lián)變換器設(shè)計(jì)用于基波和低頻諧波電流的控制，為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性同時(shí)簡(jiǎn)化低頻段的補(bǔ)償器設(shè)計(jì)，本文選用了文獻(xiàn)［24］中提出的電容分裂法，即同時(shí)采樣并組合網(wǎng)側(cè)電流和電感電流作為反饋電流。使用該方法可以有效地將系統(tǒng)從三階降為一階。

此外，圖13（a）中也引入了電壓前饋環(huán)和電流反饋控制環(huán)。電壓前饋環(huán)用來(lái)減少電網(wǎng)電壓擾動(dòng)對(duì)輸出電流的影響，起到改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的作用，這里設(shè)定Fu（s）=1。下面僅敘述電流反饋控制環(huán)的設(shè)計(jì)。

圖13（b）為小信號(hào)模型［27］。 忽略電感和網(wǎng)側(cè)阻抗的寄生電阻，分析得到逆變器輸出電壓到電感電流和網(wǎng)側(cè)電流的傳遞函數(shù)表達(dá)式：

通過(guò)引入如圖13所示的權(quán)重因子wi進(jìn)行電流組合可以得到逆變器輸出電壓ubm到反饋電流if的傳遞函數(shù)：

(6)穩(wěn)定運(yùn)行8 h后，對(duì)液硫外輸泵(P-303)出口的液硫和氣相分別取樣，分析液硫中硫化氫含量、酸度以及氣相中硫化氫含量。

圖13（b）中，當(dāng)wi=0為電網(wǎng)電流反饋控制，當(dāng)wi=1為電感電流反饋控制。

定義 Lsum=L+Lg，wi=L /Lsum，代入式（9）得：

因此，三階系統(tǒng)簡(jiǎn)化成一階系統(tǒng)，從理論上消除了諧振問(wèn)題。

為了控制諧波電流，電流補(bǔ)償器Gi（s）也設(shè)計(jì)成式（4）中的多PR控制器。實(shí)驗(yàn)中，諧振項(xiàng)包含了1、3、5、7 次諧波，相應(yīng)的參數(shù)分別為 KP=10，KI1=200，KI3=150，KI5，7=120，其他 PR 控制參數(shù)與式（4）中相同。

圖14繪制了系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)在不同wi值下的波特圖。從中可見(jiàn)當(dāng)wi取0或1時(shí)諧振峰值最高。而當(dāng)wi=0.474時(shí)，諧振基本完全抑制。盡管電感寄生電阻的匹配差異會(huì)使得完全消除該諧振很困難，但是該控制方法仍然可以有效地抑制LCL結(jié)構(gòu)濾波器引起的諧振問(wèn)題。

圖14 系統(tǒng)對(duì)于電流擾動(dòng)的敏感特性Fig.14 System sensitivity to current disturbance

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提出的并網(wǎng)接口系統(tǒng)及其控制設(shè)計(jì)，基于圖5所示電路搭建實(shí)際系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。系統(tǒng)參數(shù)如下：電網(wǎng)電壓有效值Ug=230 V，電網(wǎng)頻率fg=50 Hz，電網(wǎng)電感Lg=2 mH，輸出電感L=1.8 mH，濾波電容 C=5 μF，串聯(lián)變壓器變比 TN=1∶1，直流母線(xiàn)電壓Udc=750 V，直流母線(xiàn)電容Cdc=4400 μF，開(kāi)關(guān)頻率fsw=16 kHz，采樣頻率fsp=8 kHz。

首先測(cè)試并網(wǎng)接口系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓畸變下的工作情況。通過(guò)可編程交流電源設(shè)定電網(wǎng)電壓畸變率為6.7%，其中含5%的3次諧波、4%的5次諧波和2%的7次諧波。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖15所示，從上到下分別為電網(wǎng)電壓ug、本地電網(wǎng)電壓（即并聯(lián)逆變器輸出電壓）up、串聯(lián)逆變器輸出電壓usp以及并網(wǎng)輸出電流is。分析可見(jiàn)，在連接到畸變電網(wǎng)情況下并聯(lián)逆變器能夠保證本地輸出電壓的高供電質(zhì)量，而此時(shí)串聯(lián)逆變器通過(guò)注入畸變電壓，來(lái)保證本地電網(wǎng)向公共電網(wǎng)側(cè)所輸出的電流質(zhì)量，其中電流THD=3.3%。

圖15 電網(wǎng)電壓畸變下的實(shí)驗(yàn)波形Fig.15 Experimental waveforms for distorted grid voltage

為了驗(yàn)證并網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)電網(wǎng)電壓跌落的實(shí)驗(yàn)效果，編程設(shè)定電網(wǎng)電壓突然跌至原有電壓的80%。圖16、圖17分別為由本地電網(wǎng)向公共電網(wǎng)輸出電流有效值為2 A和5 A的測(cè)試結(jié)果。

圖16 電網(wǎng)電壓跌落下的實(shí)驗(yàn)波形（情況1）Fig.16 Experimental waveforms for grid voltage sag（case 1）

圖17 電網(wǎng)電壓跌落下的實(shí)驗(yàn)波形（情況2）Fig.17 Experimental waveforms for grid voltage sag（case 2）

在給本地電網(wǎng)加非線(xiàn)性負(fù)載情況下進(jìn)行應(yīng)對(duì)電網(wǎng)電壓跌落的測(cè)試，并對(duì)系統(tǒng)各處電流性能進(jìn)行觀察。圖18所示為串聯(lián)逆變器輸出電壓usp、網(wǎng)側(cè)輸出電流is、本地負(fù)載電流iLd及并聯(lián)逆變器輸出電流ip?？梢?jiàn)，當(dāng)本地負(fù)載為非線(xiàn)性負(fù)載時(shí)，并聯(lián)逆變器輸出電流既提供向電網(wǎng)傳輸?shù)挠泄β孰娏?，也提供向本地?fù)載傳輸?shù)姆蔷€(xiàn)性電流。此時(shí)系統(tǒng)通過(guò)串聯(lián)逆變器注入電網(wǎng)的電流仍為正弦波。可見(jiàn)，這樣既確保了本地電網(wǎng)與公共電網(wǎng)的功率傳輸，也實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)與本地電能質(zhì)量問(wèn)題的相互隔離。

圖18 電網(wǎng)電壓跌落下的實(shí)驗(yàn)波形（情況3）Fig.18 Experimental waveforms for grid voltage sag（case 3）

4 結(jié)論

a.本文提出了基于串-并拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的并網(wǎng)接口系統(tǒng)概念，并詳細(xì)闡述其功能設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，其適用于單相微電網(wǎng)與公共電網(wǎng)的對(duì)接；

b.通過(guò)系統(tǒng)功能的解耦及合理配置，所提出的系統(tǒng)能夠可靠連接本地微電網(wǎng)和公共電網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量干擾的應(yīng)對(duì)，保證本地電網(wǎng)供電質(zhì)量的同時(shí)完成2個(gè)電網(wǎng)之間的靈活功率傳輸；

c.通過(guò)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)有效地驗(yàn)證了所提接口系統(tǒng)的功能有效性以及串、并聯(lián)逆變器控制器設(shè)計(jì)的合理性。