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随着分布式供能技术的快速发展，光伏、风能等可再生能源在电力系统中的渗透率快速增长，使得传统电力系统，特别是配电和用电系统的形态和结构发生了巨大变化。分布式电源的间歇性、不确定性对传统电力系统的规划和运行、控制和保护、电能质量等多个方面产生了巨大挑战。由多种分布式电源协调运行而形成的微电网是应对高渗透率分布式新能源发电挑战的一个重要手段。作为微电网和外部电网的纽带，微电网接口变换器通过合理控制可使得区域内供电网络呈现新能源消纳能力强、供能可靠性高、电能质量好、运行控制灵活等一系列特点。针对不同供电与并网需求，微电网接口变换器拓扑结构随之不同，可分为串联型接口变换器与并联型接口变换器。
首先，对于串联型接口变换器，其通常面向高压并网场景。其中，级联H桥变换器(CHB)由于其控制简单，扩展方便等优点得到了广泛应用。采用级联H桥变换器可实现对多个低压直流微网的灵活互连，并通过集中控制器实现对每个直流微网的协调控制。当每个变换器单元都连接LC滤波器形成独立的变换器单元时，亦可采用分散控制器实现自主控制与对等控制。遵循这一趋势，CHB变换器或串联变换器也可以直接集成到中压配电系统如6kV、10kV电网中。但有必要指出的是，以往对三相级联型变换器并网控制的研究主要集中在功率控制方面，包括采用零电压注入进行相间功率调节、在光储混合接入场景下实现功率控制。利用这种级联型变换器实现有源电力调节装置功能，来解决电压和电流谐波问题的方案未见讨论。
另一方面，级联H桥变换器由于采用了低压电力电子单元的模块化结构和输出电压多电平技术，在中压配电系统功率因数校正中得到了广泛的应用，如级联H桥变换器结构的静止同步补偿装置(CHB-STATCOM)。由于STATCOM中串联了大量的H桥模块，与电力电子器件数量较少的传统低压两电平变换器相比，级联H桥系统故障问题更加严重。在包括直流电容、IGBT、二极管和驱动器在内的各种STATCOM器件中，IGBT的故障研究最为广泛。IGBT的故障可以进一步分为短路和开路两种类型。对于短路故障，励磁涌流可立即触发整个系统的过流保护。与IGBT短路问题相比，IGBT的开路故障更为常见。开路故障往往会造成变换器在系统保护前存在短时间的输出电流和直流母线电压的畸变、跌落或陡升，这为了CHB变换器开路故障定位及容错运行提供了可能。围绕CHB故障后容错运行问题，目前已有一些开创性的研究报道。然而，对IGBT故障快速检测定位研究很少。而已有方法又通常需要高带宽高电压范围的电压传感器来捕获输出PWM电压的详细阶梯波形并进行复杂分析，这在成本敏感的应用场景中难以推广使用。
对于并联型微网接口变换器，尤其是两电平互联接口变换器，工业应用主要面向低压微电网特别是交直流混合微电网应用场合，其模块化互联结构使其很容易实现功率容量扩展。在交直流混合微电网中，互联接口变换器承担着枢纽作用，其连接着分布式发电单元接口、直流微网接口和交流子网，可以提供灵活的双向功率流动控制和主动电能质量治理。在以往的研究中，闭环电流控制由于其响应速度快、对电网电压扰动和电网阻抗变化的抗干扰能力强，已被广泛应用于逆变器的并网运行中。需要指出的是，采用虚阻抗控制可以进一步提高交直流混合微电网互联接口变换器微电网的综合表现。这主要体现在三个方面：首先，利用基本正序虚阻抗可以避免电阻馈线阻抗引起的孤岛运行不稳定问题，降低稳态无功功率分配误差。其次，谐波虚拟阻抗和基频负序虚拟阻抗可实现广义谐波和不平衡功率的共享。最后，通过对系统谐波阻抗网络优化，采用虚拟阻抗可以提高电网与微电网间的PCC电压和线路电流质量。然而，传统的虚拟阻抗参数是预设的，其在系统不同的运行条件下均保持不变，这影响了其在不同工况下的综合性能。此外，目前虚拟阻抗实现只涉及到单个变换器，使用虚拟阻抗来实现模块化变换器之间的灵活协调尚无研究。
针对以上问题，本文围绕并联型和串联型微电网接口变换器典型结构，分别对级联H桥微网接口变换器拓扑结构、控制策略、容错运行问题与互联接口变换器的虚拟阻抗控制问题展开研究。
首先，本文提出了一种改进的CHB变换器谐波电压电流同步补偿方法。该变换器系统的下层单元配有LC输出滤波器，用于提高低压交流端口本地负荷的供电电压质量。上层单元通过LCL滤波器与高压电网连接。通过宽带宽电流调节，上层单元对谐波电流进行抑制，将所有局部负载谐波和不平衡电流推入下层单元。因此，该方法可以有效地提高电网电流质量。同时，通过对下层单元的电压控制，可以保证下层单元的供电电压。在电网阻抗变化大、功率模块输出功率变化、负荷时变等各种不利情况下，该方法均能保证系统的电能质量与功率分配。该变换器上、下单元均采用简单的双闭环控制，无需提取谐波分量，即可同时提供主动的电源电压谐波抑制和电网电流谐波补偿。
需要注意的是，当上层单元电网电流和下层单元供应电压跟踪对应的参考信号时,电网电压和本地负荷的三相不平衡问题会引起直流母线电压的不平衡，从而导致三相电网电流和供电电压无法保持平衡和正弦。为了解决这一冲突，本文将零序电压注入方法应用于上下层单元。通过零序电压控制，使得每个单元输出功率都可以灵活调节，同时不影响线路供电电压和电网电流电能质量。
对于控制参数选取问题，在该系统中，对上层单元并网电流的跟踪可以看作是对下层单元供电电压调节的干扰。同样，下层单元供电电压调节可以被认为是对上层单元电流跟踪的干扰。从该角度出发，本文详细分析了上下层单元间的相互耦合问题，证明了上下层单元间存在较弱的相互作用，几乎不影响参数的选取。因此，该系统可以根据传统参数选择准则，分别设计双闭环电压和电流控制参数。
系统仿真和实验结果分别验证了该系统控制的有效性。首先，在PSCAD/EMTDC上对一台额定功率为300kVA的大功率变换器进行了仿真。将下层单元和上层单元分别设为三相400V低压母线和690V高压母线。其中，每个直流母线接入40kVA恒定的直流电源、储能单元或直流负载。直流储能单元负责直流母线电压的调节。为了证明该方法在不利工况下的有效性，三相电网电压设为存在大量谐波且高度不平衡，而三相本地负载设为非线性谐波负荷。仿真由三个阶段组成。在第一阶段，系统没有采用零序电压注入。在第二阶段，通过零序电压注入，将上三组和下三组H桥单元分配相同功率。在第三阶段，计算上、下单元的功率参考，使A相储能单元的功率交换最小化。在该工况下，上层单元的输出功率完全由直流母线上的恒功率直流电源提供。仿真证明了系统在三个阶段均可以保持较高的并网电流和供电电压电能质量。其次，本文采用三菱IGBT构建H桥模块进行了降额实验。每个H桥单元的直流母线连接到一组直流隔离电源。采用前端带有隔离变压器的整流器对直流电源进行模拟，同时应用基于DSP+FPGA的数字控制器对系统进行实时控制。实验分别验证了系统在局部非线性负载与主电网扰动情况下的性能。在上述工况下，三相供电电压保持良好的质量，电压畸变和不平衡分量较小。同时，本地负荷和电网的突变对供电电压没有明显影响。
第二，针对基于CHB变换器的STATCOM中最常见的单IGBT开路故障，本文提出了一种在线故障诊断及相应的故障容错运行算法。该方法将故障信息映射到输出电流直流分量和直流电压的变化趋势，在系统过流/过压保护触发之前，可以快速准确地确定IGBT开路故障。然后，故障H桥模块无缝切换到半桥运行模式，从而继续提供一个较低的输出交流电压。本文对级联H桥STATCOM控制器作了简要介绍，其主要由三部分组成：首先，直流电压控制和电流控制作为系统的主控制回路。直流电压控制主要负责控制同相模块的直流平均电压调节。并网电流控制回路根据无功功率需求对三相输出电流进行调节。此外，采用直流电压二次平衡回路，以保证同相功率模块直流母线电压维持平衡。随后，本文进一步分析了基波控制中模块输出电压与输出电流之间的关系，其中在输出无功下，模块稳态输出电流与正常模块稳态输出电压相差约90度。当发生IGBT开路故障，输出电压中低频率成分会存在谐波和直流分量，这导致输出电流存在直流偏置和畸变，而故障模块的直流母线电压将会升高。基于不同位置IGBT故障对应的电压和电流变化情况，本文提出了一种故障诊断和容错运行方法，该方法可分为三个阶段，在第一阶段，提取三相输出电流直流分量，通过检测直流分量电流极性，确定故障IGBT所在的相。随后，在第二阶段，通过识别瞬态直流母线电压的变化趋势，可以确定该相的故障模块。最后，在第三阶段，根据故障模块的输出电流直流分量极性，可以进一步指定开路故障所发生的模块。最后，在第四阶段，通过将故障模块由全桥运行模式变为半桥运行模式，同时调整正常模块调制参考信号，可实现级联H桥变换器STATCOM的容错运行。
第三，针对并联型接口变换器运行控制问题，本文将耦合虚阻抗协调控制策略应用于交直流混合微电网互联接口变换器。该系统由两台三相变换器互联组成，其中一台变换器采用自适应串联虚阻抗下垂控制，另一台进行电流控制。对于面向交直流混合微电网的双变换器互联单元，在稳态运行时，两台额定功率相同的变换器具有相同的输出功率。然而，当参考功率瞬间发生变化时，基于电流控制接口变换器通常比基于电压控制接口变换器具有更快的动态功率响应特性。为使互联单元获得良好的功率控制，电流控制变换器可以通过对电压控制变换器的电流控制误差进行修正来补偿其暂态功率控制误差。利用两台变换器有功功率和无功功率控制差异，本文对并网模式下工作于电压模式变换器的虚拟阻抗进行动态调整。从而有效地解决了下垂控制系统的无功动态响应慢的问题。对于传统的并网和孤岛双模式变换器，通常在并网运行条件下使用电流跟踪控制模式，在孤岛运行条件下使用电压跟踪控制模式。对于从并网运行到孤岛运行的切换问题，逆变器从电流控制直接转移到电压控制很容易引起涌流和输出LCL/LC滤波器谐振。然而，在包括无计划断网在内工况下，并离网切换前避免冲击的准备工作通常并无实施条件。而在所提方案中，通过两台变换器的协调，可以方便地实现此类工况下运行模式的无缝转换。本文同时建立一个小信号模型对所提互联接口变换器的稳定性和瞬态响应进行了分析。最后，该方案的有效性经过不同工况下的仿真得到验证。仿真结果表明，该方法在本地负荷供电电压、并网电流、功率分配和并离网无缝切换等方面均具有较好的性能。
首先，对于串联型接口变换器，其通常面向高压并网场景。其中，级联H桥变换器(CHB)由于其控制简单，扩展方便等优点得到了广泛应用。采用级联H桥变换器可实现对多个低压直流微网的灵活互连，并通过集中控制器实现对每个直流微网的协调控制。当每个变换器单元都连接LC滤波器形成独立的变换器单元时，亦可采用分散控制器实现自主控制与对等控制。遵循这一趋势，CHB变换器或串联变换器也可以直接集成到中压配电系统如6kV、10kV电网中。但有必要指出的是，以往对三相级联型变换器并网控制的研究主要集中在功率控制方面，包括采用零电压注入进行相间功率调节、在光储混合接入场景下实现功率控制。利用这种级联型变换器实现有源电力调节装置功能，来解决电压和电流谐波问题的方案未见讨论。
另一方面，级联H桥变换器由于采用了低压电力电子单元的模块化结构和输出电压多电平技术，在中压配电系统功率因数校正中得到了广泛的应用，如级联H桥变换器结构的静止同步补偿装置(CHB-STATCOM)。由于STATCOM中串联了大量的H桥模块，与电力电子器件数量较少的传统低压两电平变换器相比，级联H桥系统故障问题更加严重。在包括直流电容、IGBT、二极管和驱动器在内的各种STATCOM器件中，IGBT的故障研究最为广泛。IGBT的故障可以进一步分为短路和开路两种类型。对于短路故障，励磁涌流可立即触发整个系统的过流保护。与IGBT短路问题相比，IGBT的开路故障更为常见。开路故障往往会造成变换器在系统保护前存在短时间的输出电流和直流母线电压的畸变、跌落或陡升，这为了CHB变换器开路故障定位及容错运行提供了可能。围绕CHB故障后容错运行问题，目前已有一些开创性的研究报道。然而，对IGBT故障快速检测定位研究很少。而已有方法又通常需要高带宽高电压范围的电压传感器来捕获输出PWM电压的详细阶梯波形并进行复杂分析，这在成本敏感的应用场景中难以推广使用。
对于并联型微网接口变换器，尤其是两电平互联接口变换器，工业应用主要面向低压微电网特别是交直流混合微电网应用场合，其模块化互联结构使其很容易实现功率容量扩展。在交直流混合微电网中，互联接口变换器承担着枢纽作用，其连接着分布式发电单元接口、直流微网接口和交流子网，可以提供灵活的双向功率流动控制和主动电能质量治理。在以往的研究中，闭环电流控制由于其响应速度快、对电网电压扰动和电网阻抗变化的抗干扰能力强，已被广泛应用于逆变器的并网运行中。需要指出的是，采用虚阻抗控制可以进一步提高交直流混合微电网互联接口变换器微电网的综合表现。这主要体现在三个方面：首先，利用基本正序虚阻抗可以避免电阻馈线阻抗引起的孤岛运行不稳定问题，降低稳态无功功率分配误差。其次，谐波虚拟阻抗和基频负序虚拟阻抗可实现广义谐波和不平衡功率的共享。最后，通过对系统谐波阻抗网络优化，采用虚拟阻抗可以提高电网与微电网间的PCC电压和线路电流质量。然而，传统的虚拟阻抗参数是预设的，其在系统不同的运行条件下均保持不变，这影响了其在不同工况下的综合性能。此外，目前虚拟阻抗实现只涉及到单个变换器，使用虚拟阻抗来实现模块化变换器之间的灵活协调尚无研究。
针对以上问题，本文围绕并联型和串联型微电网接口变换器典型结构，分别对级联H桥微网接口变换器拓扑结构、控制策略、容错运行问题与互联接口变换器的虚拟阻抗控制问题展开研究。
首先，本文提出了一种改进的CHB变换器谐波电压电流同步补偿方法。该变换器系统的下层单元配有LC输出滤波器，用于提高低压交流端口本地负荷的供电电压质量。上层单元通过LCL滤波器与高压电网连接。通过宽带宽电流调节，上层单元对谐波电流进行抑制，将所有局部负载谐波和不平衡电流推入下层单元。因此，该方法可以有效地提高电网电流质量。同时，通过对下层单元的电压控制，可以保证下层单元的供电电压。在电网阻抗变化大、功率模块输出功率变化、负荷时变等各种不利情况下，该方法均能保证系统的电能质量与功率分配。该变换器上、下单元均采用简单的双闭环控制，无需提取谐波分量，即可同时提供主动的电源电压谐波抑制和电网电流谐波补偿。
需要注意的是，当上层单元电网电流和下层单元供应电压跟踪对应的参考信号时,电网电压和本地负荷的三相不平衡问题会引起直流母线电压的不平衡，从而导致三相电网电流和供电电压无法保持平衡和正弦。为了解决这一冲突，本文将零序电压注入方法应用于上下层单元。通过零序电压控制，使得每个单元输出功率都可以灵活调节，同时不影响线路供电电压和电网电流电能质量。
对于控制参数选取问题，在该系统中，对上层单元并网电流的跟踪可以看作是对下层单元供电电压调节的干扰。同样，下层单元供电电压调节可以被认为是对上层单元电流跟踪的干扰。从该角度出发，本文详细分析了上下层单元间的相互耦合问题，证明了上下层单元间存在较弱的相互作用，几乎不影响参数的选取。因此，该系统可以根据传统参数选择准则，分别设计双闭环电压和电流控制参数。
系统仿真和实验结果分别验证了该系统控制的有效性。首先，在PSCAD/EMTDC上对一台额定功率为300kVA的大功率变换器进行了仿真。将下层单元和上层单元分别设为三相400V低压母线和690V高压母线。其中，每个直流母线接入40kVA恒定的直流电源、储能单元或直流负载。直流储能单元负责直流母线电压的调节。为了证明该方法在不利工况下的有效性，三相电网电压设为存在大量谐波且高度不平衡，而三相本地负载设为非线性谐波负荷。仿真由三个阶段组成。在第一阶段，系统没有采用零序电压注入。在第二阶段，通过零序电压注入，将上三组和下三组H桥单元分配相同功率。在第三阶段，计算上、下单元的功率参考，使A相储能单元的功率交换最小化。在该工况下，上层单元的输出功率完全由直流母线上的恒功率直流电源提供。仿真证明了系统在三个阶段均可以保持较高的并网电流和供电电压电能质量。其次，本文采用三菱IGBT构建H桥模块进行了降额实验。每个H桥单元的直流母线连接到一组直流隔离电源。采用前端带有隔离变压器的整流器对直流电源进行模拟，同时应用基于DSP+FPGA的数字控制器对系统进行实时控制。实验分别验证了系统在局部非线性负载与主电网扰动情况下的性能。在上述工况下，三相供电电压保持良好的质量，电压畸变和不平衡分量较小。同时，本地负荷和电网的突变对供电电压没有明显影响。
第二，针对基于CHB变换器的STATCOM中最常见的单IGBT开路故障，本文提出了一种在线故障诊断及相应的故障容错运行算法。该方法将故障信息映射到输出电流直流分量和直流电压的变化趋势，在系统过流/过压保护触发之前，可以快速准确地确定IGBT开路故障。然后，故障H桥模块无缝切换到半桥运行模式，从而继续提供一个较低的输出交流电压。本文对级联H桥STATCOM控制器作了简要介绍，其主要由三部分组成：首先，直流电压控制和电流控制作为系统的主控制回路。直流电压控制主要负责控制同相模块的直流平均电压调节。并网电流控制回路根据无功功率需求对三相输出电流进行调节。此外，采用直流电压二次平衡回路，以保证同相功率模块直流母线电压维持平衡。随后，本文进一步分析了基波控制中模块输出电压与输出电流之间的关系，其中在输出无功下，模块稳态输出电流与正常模块稳态输出电压相差约90度。当发生IGBT开路故障，输出电压中低频率成分会存在谐波和直流分量，这导致输出电流存在直流偏置和畸变，而故障模块的直流母线电压将会升高。基于不同位置IGBT故障对应的电压和电流变化情况，本文提出了一种故障诊断和容错运行方法，该方法可分为三个阶段，在第一阶段，提取三相输出电流直流分量，通过检测直流分量电流极性，确定故障IGBT所在的相。随后，在第二阶段，通过识别瞬态直流母线电压的变化趋势，可以确定该相的故障模块。最后，在第三阶段，根据故障模块的输出电流直流分量极性，可以进一步指定开路故障所发生的模块。最后，在第四阶段，通过将故障模块由全桥运行模式变为半桥运行模式，同时调整正常模块调制参考信号，可实现级联H桥变换器STATCOM的容错运行。
第三，针对并联型接口变换器运行控制问题，本文将耦合虚阻抗协调控制策略应用于交直流混合微电网互联接口变换器。该系统由两台三相变换器互联组成，其中一台变换器采用自适应串联虚阻抗下垂控制，另一台进行电流控制。对于面向交直流混合微电网的双变换器互联单元，在稳态运行时，两台额定功率相同的变换器具有相同的输出功率。然而，当参考功率瞬间发生变化时，基于电流控制接口变换器通常比基于电压控制接口变换器具有更快的动态功率响应特性。为使互联单元获得良好的功率控制，电流控制变换器可以通过对电压控制变换器的电流控制误差进行修正来补偿其暂态功率控制误差。利用两台变换器有功功率和无功功率控制差异，本文对并网模式下工作于电压模式变换器的虚拟阻抗进行动态调整。从而有效地解决了下垂控制系统的无功动态响应慢的问题。对于传统的并网和孤岛双模式变换器，通常在并网运行条件下使用电流跟踪控制模式，在孤岛运行条件下使用电压跟踪控制模式。对于从并网运行到孤岛运行的切换问题，逆变器从电流控制直接转移到电压控制很容易引起涌流和输出LCL/LC滤波器谐振。然而，在包括无计划断网在内工况下，并离网切换前避免冲击的准备工作通常并无实施条件。而在所提方案中，通过两台变换器的协调，可以方便地实现此类工况下运行模式的无缝转换。本文同时建立一个小信号模型对所提互联接口变换器的稳定性和瞬态响应进行了分析。最后，该方案的有效性经过不同工况下的仿真得到验证。仿真结果表明，该方法在本地负荷供电电压、并网电流、功率分配和并离网无缝切换等方面均具有较好的性能。