、
，通过串联电容
连接到负载线路中。图中的电压电流方向均代表参考方向。与一般的全桥逆变器有所不同，所提拓扑通过增加一个电感和直流侧电容支路，便可实现对变流器两个桥臂的解耦和独立控制。无需依赖开关切换就可扩展变流器功能，实现多重控制目标。图2中
、
、
分别代表新能源输出功率、电网输出功率和负载吸收功率；US、UC、UL分别代表电网电压、MFC补偿电压和负载电压。摘要 针对微电网中突出的电压质量问题和新能源的消纳需求，提出一种可同时实现电压质量调节和并网功率调控的串并联一体化变流器，简称多功能变流器（MFC）。在单相全桥逆变器的基础上，通过构造和复用直流侧电容支路，所提拓扑便可解耦和独立控制逆变器两桥臂，从而实现对其输出电压和输出电流的独立控制，同时实现多种功能。根据电网状况将其分为两种工作模式：电网电压正常时，工作于并网功率调控模式，实现对新能源发电的充分利用；电网电压波动时，工作于功率调控兼电压调节模式，可同时实现对功率的调控和对电压波动的补偿。该文首先详细分析了不同模式下电路的导通状态，建立电路模型说明原理；然后设计了控制策略并分析稳态误差；最后利用Simulink仿真及RT-LAB硬件在环实验，验证了所提拓扑与控制方法的正确性和有效性。
关键词：电压质量调节 功率调控 多功能变流器 解耦控制
在能源危机和环境污染的时代背景下，新能源的不断接入及应用，促使现代配电网正从传统单向辐射状供电向潮流双向流动方向发展，未来电网将呈现大电网与微电网并存的格局[1-3]。然而，随着微电网中负荷种类的逐渐增多，用户对电能质量和优质服务的要求越来越高，微电网结构和运行模式如何变化、如何更高效运行得到了广泛关注[4-7]。
目前微电网技术虽能解决新能源发电的入网问题，但微电网一般处于配电网末端，极易受电网电压暂降和瞬时中断等扰动的影响，危害负荷的正常运行[8]。文献[9]分析了微电网中电能质量问题的起因，开辟了这一研究领域。文献[10]指出，当微电网中电压出现较大的谐波畸变时，可能会造成并网逆变器失稳而脱网。因此，改善微电网的电能质量具有重要意义。在这一方面，动态电压恢复器等作为有效的治理装置虽然常用，但其功能单一，且在系统正常时处于闲置状态，利用率不高[11-12]。因此，为提升逆变器性能和提高电网稳定性，具有改善电能质量能力的多功能并网逆变器（Multifunctional Grid-Connected Inverter, MFGCI）逐步受到关注[13-16]。
文献[14]提出了一种MFGCI拓扑，通过控制指令的叠加，能同时实现微网功率控制、谐波治理和无功补偿等功能。出于同样的目的，文献[15]提出一种混合储能的并网变流器多目标控制策略，有效发挥了储能在平抑功率波动方面的优势。文献[16]提出采用CPT(conservative power theory)理论提取电流谐波和不平衡分量，可简化计算和有效减少算法实现所需的存储空间。然而，由于控制指令的可叠加性，以上文献均着重于并网逆变器功率控制和电流相关问题的研究，鲜有考虑跌落等电压问题。但是，在对电动机等敏感负载的供电过程中，系统电压波动会直接影响产品质量，严重时还会损坏机器[17]。因此，进一步研究具备电压质量调节能力的多功能变流器十分必要。
文献[18]提出了一种基于光蓄发电的微电网动态电压恢复器，通过在拓扑中安装一系列功率开关以实现电压调节、新能源消纳等功能。文献[11-12]亦采用类似方法，该方法虽能扩展功能，但通过额外增加继电器等开关实现各功能的切换可能导致延时、瞬态冲击等问题。文献[19]提出了一种动态电压恢复器矢量控制方法，实现了对新能源的利用和对电压问题的治理，但这种方法随着新能源输出能量的增多，对直流侧电压的要求也越来越高。文献[20]则提出一种电力弹簧新拓扑，但重点在于通过调节和牺牲非关键负载电压，转移新能源发电的功率波动，进而降低直流侧储能系统的充放电电流以优化其存储容量。
基于以上分析，本文充分考虑应用于不同场景的变流器在结构、控制上的共性及差异，提出一种能同时实现并网功率调控和电压质量调节的多功能变流器（Multifunctional Converter, MFC）。通过对结构解耦和独立控制，MFC在电网电压正常时，工作于并网功率调控模式，根据新能源发电量进行功率调控以实现对其充分利用；在电网电压出现暂升/暂降等问题时，工作于功率调控兼电压调节模式，无需增加切换开关，便可同时且有效实现负载电压稳定和微网功率调控。接着，对所提拓扑进行了详细的模式分析，建立了电路模型说明工作原理，制定了控制策略，分析了稳态误差。最后，利用Simulink仿真及RT-LAB硬件在环实验验证了所提拓扑与控制策略的有效性。
一个典型的微电网拓扑如图1所示。基于此，将新能源消纳与电压质量调节进行功能整合，形成本文所提MFC。借鉴文献[20]所提结构，不同于其应用场合和优化储能的应用目标，本文所提MFC拓扑如图2所示，可实现对微网中电网电压问题的有效治理、关键负载的可靠供电和新能源发电的充分消纳。其中，光伏发电等经过DC-DC变换连接到公共直流母线，提供直流侧电压；直流侧电容中点n接地，作为变流器的第三个桥臂；变流器输出端口安装电感、，通过串联电容连接到负载线路中。图中的电压电流方向均代表参考方向。与一般的全桥逆变器有所不同，所提拓扑通过增加一个电感和直流侧电容支路，便可实现对变流器两个桥臂的解耦和独立控制。无需依赖开关切换就可扩展变流器功能，实现多重控制目标。图2中、、分别代表新能源输出功率、电网输出功率和负载吸收功率；US、UC、UL分别代表电网电压、MFC补偿电压和负载电压。
图1 一个典型的微电网拓扑
Fig.1 A typical topology of microgrid
图2 MFC拓扑
Fig.2 Topology ofMFC
该拓扑具有两种工作模式：并网功率调控模式和功率调控兼电压调节模式。可获得如下工作性能：
1）并网功率调控模式。工作于电网电压正常时，由新能源发电和电网共同为负载供能。优先利用新能源最大发电量，缺额功率由电网补充；当新能源发电量超过负载所需时，富余功率可输送至电网。
2）功率调控兼电压调节模式。工作于电网电压出现暂升、暂降、谐波等问题时，MFC在调控功率的同时，还可以控制变流器输出相应的补偿电压，使关键负载侧电压在整个供电过程中保持正常。
为了能更好地理解所提拓扑及工作模式，首先对不同模式下开关管的导通状态进行分析。
2.1.1 并网功率调控模式
图3为该模式下，当电网和新能源发电共同为负载供能时，开关管在并网电流
正半周期内的导通状态。图3a~图3d分别对应于正半周期内的四个状态Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。其中，状态Ⅰ、Ⅱ中自S1的续流二极管流入，状态Ⅲ、Ⅳ中自S2流入。当＞0时，根据SPWM调制原理，S1的续流二极管大部分时间处于导通状态。由于补偿电压指令值为零，S3大部分时间也处于导通状态。因此该条件下开关管多处于导通状态I，变流器输出电压Uab为零，负载正常运行所需电流经
流入。在的负半周期内，电流经
流出变流器。此时，S2的续流二极管和S4大部分时间处于导通状态，开关管另有四种不同的导通状态。
图3 并网功率调控模式下开关管导通状态
Fig.3 On-state of switch in grid-connected power control mode
当新能源发电量超过负载所需，富余功率流入电网时，的波形与上述情况恰好相反，开关管导通状态同样可以在正、负半周期内做类似分析。
2.1.2 功率调控兼电压调节模式
图4为该模式下，在并网电流及补偿电压的正半周期内，开关管导通状态图。图4a~图4d分别对应于正半周期内的四个状态Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。其中状态Ⅰ、Ⅳ中补偿电压
为零，状态Ⅱ中为负，状态Ⅲ中为正。与并网功率调控模式相比，各状态持续的时间有所不同，这里重点展示并网电流和补偿电压的输出情况。此时，开关管
与
、
与
通断分别受和参考值控制。根据SPWM调制原理，此条件下，S1、S3会大部分时间处于导通状态，开关管多处于导通状态Ⅰ、Ⅲ。在补偿电压的负半周期内，开关管多处于导通状态Ⅱ、Ⅳ。由于控制上的独立，两种功能互不干扰，同时实现。
图4 功率调控兼电压调节模式下开关管导通状态
Fig.4 On-state of switch in power control and voltage adjustment mode
在直流侧电压均为UB的条件下，将本文与文献[11]提出的半桥逆变器和文献[20-21]提出的全桥逆变器进行对比，表1总结了它们在应用场景、多功能目标、串联电容接入的输出侧电压、是否增加切换开关、桥臂开关管数目和多功能能否同时实现六个方面的差异。可见，一般地，在控制指令无法叠加和多目标的控制要求下，对单台变换器进行功能扩展主要有两种方式，即依靠增加切换开关实现拓扑的物理转换和进行变换器结构解耦与独立控制。所提MFC便是通过结构解耦同时实现两种预设功能，装置利用率高，变流器输出侧电压高、输出功率大，具有良好的工作性能。
表1 方案的对比
Tab.1 Comparison of several schemes
文献[11]文献[20]文献[21]本文拓扑 应用场景关键、非线性负载非关键负载侧非线性负载侧关键负载侧 多目标谐波滤除/电压调节并网控制/储能优化谐波滤除/电压调节功率调控/电压调节 输出侧0.5UBUB0.5UBUB 是否切换是否是否 桥臂开关/个2444 同时实现否能能能
根据等效受控源法，建立系统的等效电路模型，如图5所示。为分析方便，定义二值逻辑开关函数sk，k=a,b。当上管导通、下管关断时，sk=1；上管关断，下管导通时，sk=0。
图5 等效电路模型
Fig.5 Equivalent circuit model
2.2.1 并网电流和补偿电压推导分析
基于上述sk，得出桥臂等效电压源电压Uk
（1）式中，U1为电容C1电压；UB为直流侧电压。
化简式（1）可得
（2）下面分析在两个桥臂等效输出电压Ua和Ub的共同作用下，电感
电流与电容C电压产生的响应。将
做短路处理，则其简化电路模型如图6所示。
图6 简化电路模型
Fig.6 Simplified circuit model
根据图6，结合叠加定理和基尔霍夫定律可得
（3）同理可以得出
式中，
和R分别为负载电感和电阻；G(s)为Ub前的系数，即补偿电压的传递函数。
由式（3）和式（4）可得：与半桥臂输出电压Ua有关，即与开关、的导通状态sa有关；与半桥臂输出电压Ub有关，即与开关与的导通状态sb有关。因此，可以分别对两个桥臂进行控制，从而达到独立控制和的效果。
同时，式（4）表明：补偿电压对应的传递函数是一个三阶系统，可能存在串联与并联谐振问题。在L2=4mH，R=10Ω，L0=10mH,，C=100μF的条件下画出其伯德图，如图7所示。图7表明该系统只存在一个并联谐振点，故不会额外产生串联谐振问题。而对于并联谐振，可采用无源阻尼或有源阻尼法进行尖峰抑制，提高系统稳定性[22]。由于本文重点在于功能实现，对此不做深入研究。
图7 补偿电压传递函数的伯德图
Fig.7 Bode diagram of compensation voltage transfer function
对于节点p，存在
（5）式（5）表明，与电网电流
间相差电容C电流
，直接控制便可以间接控制。因此，本文通过对和的有效控制，可以同时达到功率调控和电压质量调节的双重效果。
当电网电压正常时，为零，此时控制可实现对的无差控制，进而实现对功率的精确调控。当电网电压波动时，电容C因承载补偿电压而有一定电流流过。但由于C容值很小，该电流一般也很小，故此时若仍采用替代进行功率调控，有功、无功功率与其参考值之间会存在轻微差异。但当对电压采取同相补偿策略[23]时，便只会影响到与之间无功分量的大小，此时二者的有功分量相等。鉴于此，为简化计算和方便控制，本文在控制时选择二者相等，直接控制便能实现对MFC有功的精确控制和无功的近似控制。同时，大小及相位可控确保了无功的波动范围可控以及可进行实时修正。
2.2.2 并网电流和补偿电压参考值计算
根据系统中的功率平衡，可得
（6）对于电网输出的有功功率，存在
（7）式中，
、
、
分别为电网电压有效值、电网电流有效值、L1电流有效值；
为电网功率因数角。
由式（6）、式（7）得到参考值
为
（8）对于补偿电压的参考值
，不同的补偿策略下，计算公式有所不同[23]。本文选用同相补偿策略，
可由式（9）得到。
（9）式中，
为补偿后负载电压幅值；
、USmref分别为电网电压幅值测量值和参考值；
为电网电压实时相位；
和
分别为
的幅值和相位。
2.2.3 直流侧电容电压波动计算分析
对于电容中点n流向地端的电流in，将整个变流器视作一个广义节点，可得
（10）
此外，对于节点n，存在
（11）直流侧选取同样规格的电容，则
（12）由式（10）~式（12）可化简得
（13）结合两电容电压之和为直流侧电压
得
（14）式（14）表明每个周期内两直流侧电容电压略有周期性波动，其波动量为
。由于、
同属于一个数量级且数值不大，同时直流侧电容的容值较大，故该电压波动量很小。因此，直流侧电容支路不会引起单个电容电压的大幅变化而损坏电容。
2.2.4 元器件电流应力分析
由模式分析可知：开关管、和电感L1流过电流，开关管、和电感L2流过电流。根据式（8）可得：当0＜
＜
时，＜
，即
（15）当＞时，为新能源富余功率对应的电流值。一般地，除满足负荷使用外，接入的新能源不会向电网输入过多能量。当＜2，此时也不会超过负载电流，则
（16）对于电流，其与满足
（17）由于串联电容C的电流很小，因此有
（18）以上说明，流过桥臂开关管以及两电感的电流水平一般不超过负载电流。
对于电容支路电流in，由式（10）可得：当新能源发电量小于负载所需时，其电流水平为负载电流和电网电流的差值；当新能源发电量充裕，额外向电网输送功率时，其电流水平为二者之和。电网电流水平一般不超出负载电流，因此该支路电流水平在以负载电流为基准的上、下浮动范围内。
综上，相比于常规串联型变换器流过负载电流，所提拓扑在功能扩展时不会额外增加元器件的电流应力。
所提MFC具有功率调控和电压质量调节双重功能。考虑到故障发生的概率比较低，电网常运行于正常状态。因此，为实现变流器的最大化利用，无论电网电压是否出现波动，MFC都在进行并网功率调控。一旦系统检测到电网发生暂升/暂降等电压质量问题，控制环便会立即生成补偿电压的参考信号。此时，MFC便可同时进行功率调控和电压质量调节，确保关键负载侧仍能保持额定电压运行，实现变流器的一机多用。其中，定义电压跌落因子dsag为
（19）当dsag＞10%，认定电网电压发生暂升或暂降故障[17]。
具体的控制策略如图8所示。其中，对新能源的利用可采用最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking, MPPT）算法使其最大功率输出，经过DC-DC变换环节为直流侧提供稳定的直流电压。这部分不是本文研究的重点，控制时选择直流电压源代替[14]。在进行并网功率调控时，根据新能源发电能提供的最大功率和负载所需功率得到期望电网输出的有功功率和无功功率缺额，进而得到并网电流的参考值。再采用电流闭环控制进行SPWM调制，驱动开关管与。参考电流的相位
可根据期望电网输出的有功功率PS、无功功率QS及电网电压相位计算得到，如式（20）所示。对于电压质量调节控制，根据期望的负载电压、实时采样的电网电压及锁相环获取的计算得到补偿电压参考值。再采用电压闭环控制进行SPWM调制，驱动开关管与。
（20）所提方法在一个拓扑里同时实现两种独立控制，控制策略下，并网电流与补偿电压的输出结果是否会互相产生影响。图9为系统的等效控制框图，可据其进行讨论。根据控制框图可得
式中，Kpwm为桥路SPWM等效增益；ZL为负载阻抗；G1、G2分别为电压和电流控制器的传递函数。
图8 MFC控制策略
Fig.8 Control strategy of MFC
图9 MFC等效控制框图
Fig.9 Equivalent control block diagram of MFC
3.2.1 并网电流输出对补偿电压输出的影响
此情况下，将补偿电压作为输出量进行研究，化简式（21）得
式中，ZL为负载阻抗；GC、G1、G2分别为
（23）因此，并网电流对补偿电压输出的干扰量E(s)为
（24）根据拉氏变换的终值定理，可以得出补偿电压在并网电流作用下的稳态误差
为
3.2.2 补偿电压输出对并网电流输出的影响
此情况下，将并网电流作为输出量进行研究，根据式（21）可得
（26）同理，补偿电压对并网电流输出的干扰量E(s)为
（27）则并网电流在补偿电压作用下的稳态误差为
（28）式（25）、式（28）充分验证了在控制策略下，MFC实现两种功能的同时，其输出结果互不影响。
为验证所提拓扑及控制策略的有效性，根据图2在Matlab/Simulink仿真环境中搭建了220V单相MFC仿真模型，仿真参数见表2。
表2 MFC仿真参数
Tab.2 Simulation parameters of MFC
参数数值 电网额定电压有效值US/ V220 直流侧额定电压UB/ V直流侧电容C1, C2/mF80030 滤波电感L1/mH滤波电感L2/mH64 滤波电容C/μF100 负载电阻R/Ω负载电感L0/mH1010
4.1.1 并网功率调控模式仿真
当电网电压正常时，MFC工作于并网功率调控模式，由新能源与电网共同为负载供能。其中新能源最大有功功率输出，电网提供有功功率缺额及无功功率支撑。此模式下，仿真波形如图10所示。当新能源发电量超过负载所需时，富余功率将流入电网，如图中0.20~0.30s所示。由并网电流波形可见，电流的变化规律与功率一致。0.20~0.30s时控制功率的流动方向变化，并网电流将相应地反相。综上，仿真结果表明功率调控符合控制目标，控制策略有效。
图10 并网功率调控模式下仿真波形
Fig.10 Simulation waveform in grid-connected power control mode
4.1.2 功率调控兼电压调节模式仿真
图11是功率调控兼电压调节模式下的仿真波形。工况如下：0.05~0.10s时，电网电压正常，MFC先工作于并网功率调控模式；0.10~0.20s时，电网电压发生幅度为20%的暂升，MFC工作于功率调控兼电压调节模式；0.20~0.30s时，新能源发电量增加并超过负载所需，富余功率流入电网，并网电流反向；0.30~0.40s时，电网电压发生幅度为30%的暂降，变流器再次工作于功率调控兼电压调节模式；0.40s以后，电网电压恢复正常，变流器重新工作于并网功率调控模式。
图11 功率调控兼电压调节模式下电压和电流波形
Fig.11 Voltage and current waveforms in power control and voltage adjustment mode
从电压波形来看，当电网电压出现暂升/暂降问题时，MFC总能快速准确地输出相应的补偿电压，使得负载电压在整个运行区间内保持稳定，验证了电压调节功能的有效性。
由并网电流波形可见，各工况下并网电流总能得到有效控制。0.10s电网电压暂升时，在同等利用新能源的条件下，电网输出功率不变，并网电流相应减小。同理，0.30s电网电压暂降时，并网电流相应增大。0.20s新能源富余功率流入电网时，并网电流相应反向。上述仿真结果验证了在电压波动时MFC仍能实现对功率的有效调控。图12是上述工况下的功率波形。可见，电压波动期间MFC有功出力与功率调控模式下基本一致，无功功率略有波动，与理论分析一致。综上，仿真结果证明了该模式下电压调节与功率调控两种功能的有效性。
基于上述仿真模型，搭建了RT-LAB硬件在环半实物实验平台，如图13所示，对所提MFC的功能进行了实验验证。RT-LAB作为一套基于模型的工程设计和测试应用平台，近年来已广泛应用于国内外相关科研机构[24-25]。其中，主电路由主控制器和下位机构建，控制部分由DSP控制器（TI公司的TMS320F2812型DSP）完成，信号的采集和输出由自制的转换板卡完成。
图12 功率调控兼电压调节模式下功率波形
Fig.12 Power waveforms in power control and voltage adjustment mode
图13 RT-LAB硬件在环实验平台
Fig.13 RT-LAB hardware in-loop experimental platform
4.2.1 并网功率调控模式实验
图14是MFC工作在并网功率调控模式下的实验波形。可见，在充分利用新能源发电的情况下，电网补充缺额功率，可有效满足负载正常运行所需。并网电流的变化规律与功率一致，验证了功率调控功能的有效性。
图14 并网功率调控模式下实验波形
Fig.14 Experiment waveforms in grid-connected power control mode
4.2.2 功率调控兼电压调节模式实验
图15是MFC工作在功率调控兼电压调节模式下的电压调节实验波形。可见，当电网电压波动时，MFC的补偿作用有效保障了负载电压的稳定，验证了电压调节功能有效。
图15 电压调节实验波形
Fig.15 Experiment waveform of voltage adjustment
图16是该模式下功率调控的实验波形。同样地，并网电流的变化规律与功率一致。这表明：在电网电压暂升/暂降过程中，MFC实现电压调节的同时，还可实现对功率的有效调控。
图16 功率调控兼电压调节模式下实验波形
Fig.16 Experiment waveforms in power control and voltage adjustment mode
综上，仿真与实验结果验证了所提MFC双重功能的有效性，表明了理论分析的正确性以及控制策略的有效性。
本文提出了一种可同时实现电压质量调节和并网功率调控的串并联一体化多功能变流器。
1）在单相全桥逆变器的基础上，当控制指令无法叠加时，扩展变流器的功能主要有两种方式：增加切换开关进行拓扑转换和对变流器进行解耦控制。本文通过对变流器进行结构解耦，能有效实现对其输出电压和输出电流的独立控制，进而保证了不同工况下关键负载侧的电压稳定和对新能源的充分消纳，提升了装置利用率。
2）详细分析了不同工作模式下电路的导通状态，建立了电路模型说明原理和分析器件承受的应力。制定了控制策略及验证稳态下的零输出误差，最后利用仿真和半实物实验验证了拓扑、方法及功能的有效性。
3）目前基于单相全桥变换器的串并联一体化设计按桥臂接线方式可划分为三类，具体如文献[20-21, 26]中所述。本文针对微电网中突出的电压质量问题和新能源的消纳需求，将MFC应用于关键负载侧，有效拓宽了装置的应用范围。此外，共用电容支路还可选择用开关管代替，本文为多功能变换器的研究与应用提供一些参考。
参考文献
[1] 张建华, 曾博, 张玉莹, 等. 主动配电网规划关键问题与研究展望[J]. 电工技术学报, 2014, 29(2): 13-23. Zhang Jianhua, Zeng Bo, Zhang Yuying, et al. Key issues and research prospects of active distribution network planning[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(2): 13-23.
[2] 王成山, 武震, 李鹏. 微电网关键技术研究[J]. 电工技术学报, 2014, 29(2): 1-12. Wang Chengshan, Wu Zhen, Li Peng. Research on key technologies of microgrid[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(2): 1-12.
[3] 马钊, 周孝信, 尚宇炜, 等. 未来配电系统形态及发展趋势[J]. 中国电机工程学报, 2015, 35(6): 1289-1298. Ma Zhao, Zhou Xiaoxin, Shang Yuwei, et al. Future distribution system configuration and development trend[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(6): 1289-1298.
[4] 马艺玮, 杨苹, 王月武, 等. 微电网典型特征及关键技术[J]. 电力系统自动化, 2015, 39(8): 168-175. Ma Yiwei, Yang Ping, Wang Yuewu, et al. Typical characteristics and key technologies of microgrid[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(8): 168-175.
[5] 曾正, 赵荣祥, 汤胜清, 等. 可再生能源分散接入用先进并网逆变器研究综述[J]. 中国电机工程学报, 2013, 33(24): 1-12, 21. Zeng Zheng, Zhao Rongxiang, Tang Shengqing, et al. Review of advanced grid-connected inverters for distributed renewable energy access[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(24): 1-12, 21.
[6] 王鲁浩, 李歧强, 丁然, 等. 可再生能源微网鲁棒多目标优化调度[J]. 电工技术学报, 2017, 32(5): 184-192. Wang Luhao, Li Qiqiang, Ding Ran, et al. Robust multi-objective optimal scheduling for renewable energy microgrids[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(5): 184-192.
[7] 邓杰, 姜飞, 涂春鸣. 美国NIST互操作性智能电网框架分析与启示[J]. 电力系统保护与控制, 2020, 48(3): 9-21. Deng Jie, Jiang Fei, Tu Chunming. Study of NIST’s interoperable smart grid technology architecture[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(3): 9-21.
[8] 李建林, 袁晓冬, 郁正纲, 等. 利用储能系统提升电网电能质量研究综述[J].电力系统自动化, 2019, 43(8): 15-25. Li Jianlin, Yuan Xiaodong, Yu Zhenggang, et al. A review of studies on using energy storage systems to improve power quality of power grids[J]. Automation of Electric Power Systems, 2019, 43(8): 15-25.
[9] Twining E, Holmes D G. Grid current regulation of a three-phase voltage source inverter with an LCL input filter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2003, 18(3): 888-895.
[10] 刘宏达, 周磊. 多功能并网逆变器及其在接入配电系统的微电网中的应用[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(16): 2649-2658. Liu Hongda, Zhou Lei. Multifunctional grid-connected inverter and its application in the microgrid connected to the distribution system[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34 (16): 2649-2658.
[11] Ye Jian, Gooi H B, Wang Benfei, et al. A new flexible power quality conditioner with model predictive control[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2019, 15(5): 2569-2579.
[12] Choi W, Lee W, Han Di, et al. New configuration of multifunctional grid-connected inverter to improve both current-based and voltage-based power quality[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2018, 54(6): 6374-6382.
[13] 肖朝霞, 樊世军, 杨庆新. 基于分层控制策略的光伏-蓄电池系统动态提高并网点功率因数[J]. 电工技术学报, 2016, 31(7): 107-117. Xiao Zhaoxia, Fan Shijun, Yang Qingxin. Photovoltaic-battery system based on hierarchical control strategy to dynamically improve the power factor of grid connection point[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(7): 107-117.
[14] 曾正, 赵荣祥, 杨欢, 等. 多功能并网逆变器及其在微电网电能质量定制中的应用[J]. 电网技术, 2012, 36(5): 58-67. Zeng Zheng, Zhao Rongxiang, Yang Huan, et al. Multifunctional grid-connected inverters and their application in power quality customization of micro-grid[J]. Power System Technology, 2012, 36(5): 58-67.
[15] 李彦林, 王明彦, 郑载满. 微网运行条件下储能并网VSC多目标控制策略[J]. 电网技术, 2013, 37(7): 1792-1798. Li Yanlin, Wang Mingyan, Zheng Zaiman. Energy storage grid-connected VSC multi-objective control strategy under microgrid operating conditions[J]. Power System Technology, 2013, 37 (7): 1792-1798.
[16] 靳伟, 李永丽, 卜立之, 等. 基于CPT理论和重复控制的多功能并网逆变器研究[J]. 电工技术学报, 2018, 33(18): 4345-4356. Jin Wei, Li Yongli, Bu Lizhi, et al. Research on multi-function grid-connected inverter based on CPT theory and repeated control[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(18): 4345-4356.
[17] 涂春鸣, 孙勇, 郭祺, 等. 适用于动态电压恢复器的最小能量柔性切换控制策略[J]. 电工技术学报,2019, 34(14): 3035-3045. Tu Chunming, Sun Yong, Guo Qi, et al. Minimum energy flexible switching control strategy for dynamic voltage restorer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(14): 3035-3045.
[18] 成瑞芬, 韩肖清, 王鹏, 等. 微电网动态电压恢复器运行模式研究[J]. 电网技术, 2013, 37(3): 610-615. Cheng Ruifen, Han Xiaoqing, Wang Peng, et al. Study on the operation mode of dynamic voltage restorer in microgrid [J]. Power System Technology, 2013, 37(3): 610-615.
[19] Dasgupta S, Sahoo S K, Panda S K, et al. Single-phase inverter-control techniques for interfacing renewable energy sources with microgrid—part II: Series-connected inverter topology to mitigate voltage-related problems along with active power flow control[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2011, 26(3): 732-746.
[20] Wang Minghao, Yang Tianbo, Tan S, et al. Hybrid electric springs for grid-tied power control and storage reduction in AC microgrids[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 34(4): 3214-3225.
[21] Cheung V S, Yeung R S, Chung H S, et al. A transformer-less unified power quality conditioner with fast dynamic control[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2018, 33(5): 3926-3937.
[22] 陈新, 韦徵, 胡雪峰, 等. 三相并网逆变器LCL滤波器的研究及新型有源阻尼控制[J]. 电工技术学报, 2014, 29(6): 71-79. Chen Xin, Wei Zheng, Hu Xuefeng, et al. Research on LCL filter of three-phase grid-connected inverter and new active damping control [J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(6): 71-79.
[23] 克长宾, 李永丽. 动态电压恢复器的电压跌落综合补偿策略研究[J]. 电力系统保护与控制, 2012, 40(17): 94-99. Ke Changbin, Li Yongli. Study on the comprehensive compensation strategy of voltage drop of dynamic voltage restorer[J]. Power System Protection and Control, 2012, 40(17): 94-99.
[24] 钟佩军, 孙建军, 司学振, 等. 基于电压扰动源的并网逆变器输出阻抗测量方法[J]. 电工技术学报, 2019, 34(22): 4739-4750. Zhong Peijun, Sun Jianjun, Si Xuezhen, et al. Measurement method of output impedance of grid-connected inverter based on voltage disturbance source[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(22): 4739-4750.
[25] Ye Jian, Gooi H B, Wu Fengjiang. Optimal design and control implementation of UPQC based on variable phase angle control method[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2018, 14(7): 3109-3123.
[26] Abdalaal R M, Ho C N M, Leung C K, et al. A remotely central dimming system for a large-Scale LED lighting network providing high quality voltage and current[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2019, 55(5): 5455-5465.
Research on Series-Parallel Integrated Multifunctional Converter with Voltage Quality Adjustment
Abstract Aiming at the prominent voltage quality problems and the demand for new energy consumption in microgrid, a series-parallel integrated converter, which can realize both voltage quality adjustment and grid-connected power regulation, is proposed, and referred to as multifunctional converter (MFC). Based on the single-phase full-bridge inverter, by constructing and reusing the DC-side capacitor branch, the proposed topology can decouple and independently control the two bridge arms of the inverter, so as to realize the independent control of the output voltage and output current, and realize multiple functions at the same time. According to the grid conditions, it can be divided into two working modes: when the grid voltage is normal, it works in the grid-connected power regulation mode to realize the full utilization of new energy generation; when the grid voltage fluctuates, it works in the power regulation and voltage adjustment mode to realize the regulation of power and the compensation of voltage fluctuation at the same time. In this paper, firstly, conduction state of the circuit in different modes is analyzed in detail, and the circuit model is established to explain its principle; then the control strategy is designed and the steady-state error is analyzed; finally, the correctness and effectiveness of the proposed topology and control method are verified by Simulink simulation and RT-LAB hardware in the loop experiment.
keywords：Voltage quality adjustment, power regulation, multifunctional converter, decoupling control
中图分类号：TM464
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191696
国家自然科学基金青年基金（52007059）和湖南省科技领军人才计划（2019RS3014）资助项目。
收稿日期 2019-12-05
改稿日期 2020-06-26
涂春鸣 男，1976年生，教授，博士生导师，研究方向为电力电子在电力系统中的应用、智能配电网、分布式能源与微电网等。E-mail：chunming_tu@263.net
郭 祺 男，1993年生，博士研究生，研究方向为电力电子变换器、分布式发电与电能质量先进控制。E-mail：qguo_215@163.com（通信作者）
（编辑 赫蕾）