第1章 新能源多输入逆变器的现状与发展
　　1.1 概 述
　　1.1.1 分布式能源系统
　　目前，电力系统已经发展成为以大机组、大电网、高电压为主要特征的集中式单一供电系统。然而，随着电网规模的不断扩大，当今社会对电力能源供应的质量、安全可靠性要求越来越高，超大规模电力系统的运行难度大、投入成本高、环境污染严重等弊端也日益凸显。分布式电源在21世纪发展迅速，分布式发电(distributed generation，DG)可以弥补和完善大规模集中式电力系统发电输电的不足，近年来越来越受到各国政府的重视。
　　分布式能源(distributed energy resources，DER)系统是世界能源工业发展中的一个重要方向，专有缩略名词DG、DP(distributed power)、DER的详细定义为：①DG指原动机包括内燃机、燃气轮机、微型燃气轮机、水轮机、燃料电池及太阳能、风能、生物能等任何能发电的系统，存在于传统公共电网以外；②DP包含所有DG的技术，并且能将电能储存在蓄电池、飞轮、再生型燃料电池、超导磁力储存设备、水电储能设备等中；③DER指在用户当地或靠近用户的地点生产电或热能提供给用户使用，其包含DG与DP所有的技术，并且包含那些与公共电网相连接的系统，用户可将本地的多余电能通过连接线路出售给公共电力公司。
　　分布式能源系统主要在以下几个方面获得了深入的研究和广泛的应用。
　　(1)实现能源综合梯级利用，能源利用率高，节能效果显著。常规的集中供能方式相对单一，当用户不仅需要电力，还需要供热、供冷、生活热水等其他形式的能量时，仅通过电力来满足上述需求难以实现能量的综合梯级利用。而分布式能源系统以其规模小、灵活性强等特点，通过不同循环的有机整合，在满足用户需求的同时可以克服冷、热无法远距离传输的困难，实现能量的综合梯级利用。大型发电厂的发电效率一般为35%～55%，扣除厂用电和线损率，终端的利用效率只能达到30%～47%。而分布式能源系统的能源利用率可达到80%以上，没有输电损耗。
　　(2)弥补大电网安全稳定性方面的不足。21世纪世界上发生几次大的停电事故，特别是美国东北部发生的大停电事故，每天的经济损失高达300亿美元，充分地反映了以集中供电模式为主的现代电力系统的弊端。同时，美国“9 11”事件后，供电安全已上升至国家安全的层面，各国高度重视，而电网的快速扩张对供电安全稳定性也带来很大的威胁。在接近用户端直接安装分布式能源系统，与大电网配合，可以显著地提高供电可靠性，在电网崩溃和地震、暴风雪、人为破坏、战争等意外灾害情况下，可以维持重要用户的供电。
　　(3)装置容量小、占地面积小，初始投资少，降低了远距离输送损失和相应的输配系统投资，可以满足特殊场合的需求。与集中能源系统相比，分布式能源系统按需就近设置，尽可能地与用户配合，没有能源远距离输送引起的输配损失和相应的输配系统投资，经济性好，为终端用户提供了灵活、节能型的综合能源型服务。对于不适宜铺设电网的西部等偏远地区或分散的用户，可以发展分布式能源系统。此外，在废弃资源现场，因地制宜地就地利用转换余热、余压及可燃性废弃气体，也有重要意义。
　　(4)环境友好，燃料多元化，为可再生能源利用开辟了新方向。分布式能源系统一般采用清洁燃料做能源，同时其高效率可以实现环保效益。相对化石能源而言，太阳能、地热、风能等可再生能源的能量密度较低且分散，目前的可再生能源利用系统规模较小，能源利用率较低，集中供电难度大，适合发展小规模的分布式能源系统。
　　根据燃料的不同划分，分布式能源系统的主要形式可分为燃用化石能源、利用可再生能源、燃用二次能源等。燃用化石能源的动力装置包括微型燃气轮机、燃气轮机、内燃机、常规柴油发电机、燃料电池；利用可再生能源包括太阳能、风能、水能、海洋能、地热能、生物质能等；燃用二次能源包括氢能等。根据用户侧需求不同划分，分布式能源系统的形式可分为电力单供、热电联产方式和热电冷三联产等。分布式能源系统由发电设备(汽轮机、燃气轮机、微型涡轮机、内燃机或燃料电池)、供热或制冷设备(吸收式冷/热水机组、电制冷机组)、锅炉或蓄热系统、汽-水换热器、调节装置(使蒸汽参数符合用户要求)及建筑控制系统等组成。
　　1.1.2 新能源多输入逆变器
　　由于石油、煤和天然气等不可再生的化石能源储量日益减少，环境污染日趋严重，地球气候逐渐变暖，核能的生产又会产生核废料并造成环境污染等原因，能源和环境已成为21世纪人类所面临的重大问题。太阳能、风能、氢能、潮汐能和地热能等新能源具有清洁无污染、廉价、可靠、丰富等优点，其开发和利用越来越受到世界各国的重视，对世界各国经济的可持续发展具有十分重要的意义。其中，太阳能光伏发电和风力发电是两类重要的新能源发电方式。
　　太阳能光伏发电是一种零排放的清洁能源和能够规模应用的现实能源，具有转换效率高、无污染、不受地域限制、维护方便、使用寿命长等优点，广泛地应用于国防、通信、交通、城市建设、民用设施等领域。太阳能光伏发电系统有独立运行和并网运行两种方式。独立运行的太阳能光伏发电系统需要电池作为储能装置，主要用于无电网的边远地区和人口分散地区，整个系统的成本较高。并网运行的太阳能光伏发电系统省去了储能装置，主要用于有电网的地区，可大幅地降低成本，并且有更好的环保性能。
　　2015年全球风电新增装机容量达到63467MW，同比增加22%，全球累计风电装机容量为432.9GW，同比增加17%。2015年全球风电总投资达到3286.4亿美元，比2014年3160亿美元的全球风电总投资增加4%。2015年，中国风电市场继续强劲增长，全国新增风电装机容量30.753GW，同比增长32.6%；全国累计风电装机容量达到145GW；风电发电量为1863亿kWh，占全部发电量的3.3%，是继火电、水电之后的第三大电源[1]。2016～2020年，全球风电年新增装机容量趋向稳定，风电进入一个相对稳定的发展时期，2020年累计风电装机市场达到743GW。与传统的恒频风力发电系统相比，变速恒频风力发电系统具有结构简洁、发电效率高、体积重量小、电能质量高、生产维护方便、可靠性高等优点，将成为风力发电的重要发展方向，特别是变速恒频直驱风力发电系统。
　　光伏、风力等新能源发电系统产生的能量通常是不稳定的，不可能将光伏电池或风力发电机等转化的电能直接提供给负载使用或与公共电网相连，需要在光伏电池或风力发电机与负载或电网之间配置容量适合的逆变器，将电压幅值或电压幅值与频率均随机变化的电能变换成电压、频率、谐波、相角和功率因数均符合要求的交流电能，以供负载使用或实现并网。逆变器的性能对太阳能、风能等新能源发电起到了至关重要的作用。此外，光伏、风力、燃料电池、地热等单一新能源发电通常存在电力供应不稳定、不连续、随气候条件变化等缺陷，为了提高供电系统的稳定性和灵活性，实现能源的优先利用和充分利用，需要采用有发展前景的分布式能源系统—多种新能源联合供电的分布式发电系统。
　　逆变器是新能源分布式发电系统*关键的装备，占据发电成本的1/3～1/2。2010年后，中国已成为世界上*大的风能设备制造中心，目前双馈式变速恒频风电机组是国内外风电机组的主流机型，单机容量已达5MW以上。直驱式风电机组未来将占据主导地位，国内中压直驱式风电并网逆变器产品正在研制之中，国外直驱式风电并网逆变器产品已趋于成熟。国产光伏并网逆变器已经成为主流，2013年国产并网逆变器容量突破13GW，占全球市场的26%，国内已经能够生产1～30kW组串型光伏逆变器、30～1000kW电站型光伏逆变器、200～500W的微型逆变器，但与国际一流品牌相比，在直流电压范围、变换效率、可靠性等方面，还有一定距离。
　　逆变器的种类繁多[2]，大致可按照交流输出能量的去向、功率流动的方向、输入直流电源的性质、输入与输出的电气隔离、功率电路的拓扑结构、组成功率电路的器件、占空比的控制方式、输出交流电压的电平、输出交流电压的波形、输出交流电的相数、输出交流电的频率、功率开关的工作方式及输入直流电源的路数等方面加以分类，具体如下所示。
　　因此，按照输入源路数和功率变换级数划分，新能源多输入逆变器可分为传统直流变换器型两级多输入逆变器、新颖的直流变换器型两级多输入逆变器、多输入直流变换器型准单级多输入逆变器、单级多输入逆变器四大类[3]。下面以此划分来论述新能源多输入逆变器的现状与发展。
　　1.2 新能源多输入逆变器的现状与发展
　　1.2.1 传统直流变换器型两级多输入逆变器
　　文献[3]～[5]提出了将多个单输入直流变换器在输出端串联或并联后再与一个逆变器级联，构成传统直流变换器型两级多输入逆变器及其分布式发电系统，如图1-1所示。光伏电池、风力发电机、燃料电池等不需能量存储的新能源发电
　　图1-1 传统直流变换器型两级多输入逆变器及其分布式发电系统
　　设备分别通过一个单向直流变换器进行电能变换并且在输出端串联或并联后连接到公共的直流母线上，蓄电池、超级电容器等辅助能量存储设备分别通过一个双向直流变换器进行电能变换后连接到公共的直流母线上以稳定直流母线电压Udc和实现系统的功率平衡，确保各种新能源联合供电并且能够协调工作。
　　传统直流变换器型两级多输入逆变器及其分布式发电系统，具有如下特点：①多个单输入直流变换器独立工作，控制灵活，易于实现多输入源的扩展；②前后级通过直流母线电容解耦，前后级独立控制，系统的能量管理主要由前级实现，控制简单；③存在多个单输入直流变换器，电路结构复杂，两级功率变换，体积、重量大，成本高，实用性受到很大程度的限制。
　　1.2.2 新颖的直流变换器型两级多输入逆变器
　　为了克服图1-1所示系统存在的缺陷，用一个新颖的直流变换器代替多个单输入直流变换器构成了图1-2所示新颖的直流变换器型两级多输入分布式发电系统[3， 6-14]。该系统由三部分构成：第一部分由光伏电池、风力发电机、燃料电池等新能源发电设备和单向多输入直流变换器构成；第二部分由蓄电池、超级电容等辅助能量存储设备和双向直流变换器构成；第三部分由Buck型逆变器和交流负载或交流电网构成。

目录
前言
第1章 新能源多输入逆变器的现状与发展 1
1.1 概述 1
1.1.1 分布式能源系统 1
1.1.2 新能源多输入逆变器 2
1.2 新能源多输入逆变器的现状与发展 5
1.2.1 传统直流变换器型两级多输入逆变器 5
1.2.2 新颖的直流变换器型两级多输入逆变器 6
1.2.3 多输入直流变换器型准单级多输入逆变器 12
1.2.4 单级多输入逆变器 16
1.3 新能源多输入逆变器的发展趋势 27
参考文献 27
第2章 新颖的直流变换器型两级多输入逆变器 29
2.1 概述 29
2.2 新颖的直流变换器型两级多输入逆变器电路结构与拓扑族 29
2.2.1 电路结构与拓扑族 29
2.2.2 分布式发电系统构成 36
2.3 新颖的Boost直流变换器型两级多输入逆变器能量管理控制策略 37
2.3.1 能量管理模式 37
2.3.2 能量管理控制策略 38
2.4 新颖的Boost直流变换器型两级多输入逆变器的原理特性 42
2.4.1 高频开关过程分析 42
2.4.2 Boost型多输入直流变换器的外特性 48
2.4.3 启动时储能电感的磁饱和抑制 50
2.5 新颖的Boost直流变换器型两级多输入逆变器关键电路参数设计 52
2.5.1 高频变压器匝比 52
2.5.2 输入滤波电容 52
2.5.3 储能电感 52
2.5.4 直流母线滤波电容 53
2.5.5 钳位电容 53
2.6 1kV A新颖的Boost直流变换器型两级多输入逆变器样机实验 53
2.6.1 样机构成 53
2.6.2 样机实验 55
参考文献 64
第3章 直流变换器型准单级多输入逆变器 65
3.1 概述 65
3.2 直流变换器型准单级多输入逆变器电路结构与拓扑族 65
3.2.1 Buck型电路结构与拓扑族 65
3.2.2 Buck-Boost型电路结构与拓扑族 68
3.2.3 分布式发电系统构成 71
3.3 直流变换器型准单级多输入逆变器的能量管理控制策略 72
3.3.1 能量管理控制策略 72
3.3.2 动态调节过程分析 73
3.4 直流变换器型准单级多输入逆变器的原理特性 73
3.4.1 高频开关过程分析 73
3.4.2 整流二极管关断电压尖峰抑制 76
3.5 直流变换器型准单级多输入逆变器的关键电路参数设计 76
3.5.1 控制环路设计 76
3.5.2 关键电路参数设计 84
3.6 3kW直流变换器型准单级多输入逆变器样机实验 84
3.6.1 样机实例 84
3.6.2 样机实验 85
参考文献 87
第4章 外置并联分时选择开关供电型单级多输入逆变器 89
4.1 概述 89
4.2 外置并联分时选择开关供电型单级多输入逆变器电路结构与拓扑族 89
4.2.1 Buck型电路结构与拓扑族 89
4.2.2 Buck-Boost型电路结构与拓扑族 96
4.3 外置并联分时选择开关供电型单级多输入分布式发电系统能量管理控制策略 99
4.3.1 能量管理控制策略 99
4.3.2 三种供电模式 101
4.3.3 输出电压的稳定和不同供电模式的平滑切换 102
4.4 外置并联分时选择开关供电型多输入分布式发电系统原理特性 103
4.4.1 高频开关过程分析 103
4.4.2 多路占空比的推导与外特性 112
4.4.3 关键问题讨论 115
4.5 外置并联分时选择开关供电型单级多输入分布式发电系统关键电路参数设计 118
4.5.1 控制环路设计 118
4.5.2 关键电路参数设计 124
参考文献 128
第5章 内置并联分时选择开关供电型单级多输入逆变器 130
5.1 概述 130
5.2 内置并联分时选择开关供电型单级多输入逆变器电路结构与拓扑族 130
5.2.1 Buck型电路结构与拓扑族 130
5.2.2 Buck-Boost型电路结构与拓扑族 134
5.2.3 分布式发电系统构成 134
5.3 内置并联分时选择开关供电型单级多输入逆变器能量管理控制策略 137
5.3.1 两种能量管理模式 137
5.3.2 *大功率输出能量管理SPWM控制策略 137
5.4 内置并联分时选择开关供电型单级多输入逆变器原理特性 139
5.4.1 高频开关过程分析 139
5.4.2 选择开关关断电压尖峰抑制 143
5.5 内置并联分时选择开关供电型单级多输入逆变器关键电路参数设计 144
5.5.1 输出滤波电感和变压器绕组电流 144
5.5.2 功率开关电压和电流应力 146
5.6 3kW内置并联分时选择开关供电型单级多输入逆变器仿真分析 148
5.6.1 稳态仿真 148
5.6.2 动态仿真 148
参考文献 151
第6章 并联分时选择开关直流斩波器型单级多输入逆变器 153
6.1 概述 153
6.2 并联分时选择开关直流斩波器型单级多输入逆变器电路结构与拓扑族 153
6.2.1 Buck型电路结构与拓扑族 153
6.2.2 Buck-Boost型电路结构与拓扑族 155
6.2.3 分布式发电系统构成 156
6.3 并联分时选择开关直流斩波器型单级多输入逆变器能量管理控制策略 157
6.3.1 两种能量管理模式 157
6.3.2 *大功率输出能量管理SPWM控制策略 157
6.4 并联分时选择开关直流斩波器型单级多输入逆变器原理特性 160
6.4.1 正向传递功率时的高频开关过程 160
6.4.2 反向传递功率时的高频开关过程 162
6.5 并联分时选择开关直流斩波器型单级多输入逆变器关键电路参数设计 164
6.5.1 高频变压器匝比 164
6.5.2 功率开关电压和电流应力 165
6.6 3kW并联分时选择开关直流斩波器型单级多输入逆变器仿真 167
6.6.1 设计实例 167
6.6.2 仿真分析 167
参考文献 172
第7章 串联同时选择开关Buck直流斩波器型单级多输入逆变器 173
7.1 概述 173
7.2 串联同时选择开关Buck直流斩波器型单级多输入逆变器电路结构与拓扑族 173
7.2.1 电路结构 173
7.2.2 电路拓扑族 174
7.2.3 分布式发电系统构成 176
7.3 串联同时选择开关Buck直流斩波器型单级多输入逆变器能量管理控制策略 177
7.3.1 两种能量管理模式 177
7.3.2 能量管理控制策略 177
7.4 串联同时选择开关Buck直流斩波器型单级多输入逆变器原理特性 179
7.4.1 uo＞0、iLf＞0时高频开关过程分析 179
7.4.2 uo＞0、iLf＜0时高频开关过程分析 184
7.5 串联同时选择开关Buck直流斩波器型单级多输入逆变器关键电路参数设计 187
7.5.1 输入源共模干扰及抑制 187
7.5.2 功率开关电压应力 187
7.6 3kVA串联同时选择开关Buck直流斩波器型单级多输入逆变器样机实验 189
7.6.1 样机实例 189
7.6.2 样机实验 189
参考文献 192
第8章 串联同时选择开关Buck-Boost直流斩波器型单级多输入逆变器 193
8.1 概述 193
8.2 串联同时选择开关Buck-Boost直流斩波器型单级多输入逆变器电路结构与拓扑族 193
8.2.1 电路结构 193
8.2.2 电路拓扑族 196
8.2.3 分布式发电系统构成 196
8.3 串联同时选择开关Buck-Boost直流斩波器型单级多输入逆变器能量管理控制策略 197
8.3.1 两种能量管理模式 197
8.3.2 主从功率分配能量管理控制策略 197
8.4 串联同时选择开关Buck-Boost直流斩波器型单级多输入逆变器原理特性 199
8.4.1 一个低频输出周期内的稳态原理 199
8.4.2 高频开关过程分析 201
8.4.3 输出外特性 206
8.5 串联同时选择开关Buck-Boost直流斩波器型单级多输入逆变器关键电路参数设计 211
8.5.1 储能式变压器匝比 211
8.5.2 功率开关电压和电流应力 211
参考文献 215
第9章 多绕组同时供电Boost型单级多输入逆变器 216
9.1 概述 216
9.2 多绕组同时供电Boost型单级多输入逆变器电路结构与拓扑族 216
9.2.1 电路结构 216
9.2.2 电路拓扑族 222
9.2.3 分布式发电系统构成 222
9.3 多绕组同时供电Boost型单级多输入逆变器能量管理控制策略 223
9.3.1 能量管理控制策略 223
9.3.2 供电模式 226
9.4 多绕组同时供电Boost型单级多输入高频环节逆变器原理特性 226
9.4.1 低频输出周期内的稳态原理 226
9.4.2 高频开关过程分析 230
9.4.3 多路占空比推导及外特性 246
9.4.4 储能电感电流限定值讨论 248
9.5 多绕组同时供电Boost型单级多输入逆变器关键电路参数设计 249
9.5.1 控制环路设计 249
9.5.2 关键电路参数设计 251
参考文献 252
第10章 新能源单级多输入分布式发电系统的研制 253
10.1 概述 253
10.2 3kVA并联分时供电Buck型单级多输入分布式发电系统研制 253
10.2.1 系统构成与功率电路 253
10.2.2 控制电路 254
10.2.3 功率电路参数设计与选取 256
10.2.4 样机实验 261
10.3 1kVA串联同时供电Buck-Boost型单级多输入分布式发电系统研制 271
10.3.1 系统构成与功率电路 271
10.3.2 控制电路 272
10.3.3 机内辅助电源 275
10.3.4 功率电路参数设计与选取 275
10.3.5 样机实验 278
10.4 3kW多绕组同时供电Boost型单级多输入分布式发电系统研制 280
10.4.1 系统构成与功率电路 280
10.4.2 控制电路 281
10.4.3 功率电路参数设计与选取 284
10.4.4 样机实验 288
参考文献 290