在突出的全球能源与环境问题背景下,世界各国将眼光投向丰富、清洁、可持续利用的可再生能源,大力开发可再生能源逐渐成为各国能源战略共识。其中以光伏、风电为代表的可再生能源并网发电技术发展迅猛,至今仍广受关注。除此之外,为应对可再生能源发电固有的功率波动问题,电网侧储能技术已受到重点关注,具有广阔的发展前景。并网逆变器是可再生能源发电单元和储能单元与电网间的重要接口装置,不可或缺,其成本、效率是决定可再生能源发电与储能等系统经济效益的重要因素。相较于相同容量的传统发电装备,并网逆变器中包含功率开关器件、高频滤波器等,导致其成本高、效率低。与此同时,功率开关器件的开通、关断导致逆变器的输出电流中含有大量谐波,为满足各标准对谐波的约束,需改进拓扑结构、提高开关频率、提升滤波能力等,但以上措施往往导致成本增加、效率降低。因此,在满足并网约束前提下降本增效一直是并网逆变器的主要发展思路。经过数十年的探索,并网逆变器的技术方案日趋成熟,受制于功率开关器件的性能极限,近年来降本增效速度放缓。另一方面,新一代宽禁带高频开关器件虽具有开关频率高、损耗低等优势,但其成本依然居高不下,短期内难以应用于可再生能源发电与储能系统的并网逆变器。因此,并网逆变器进一步降本增效遭遇瓶颈。相较于传统电力装备,可再生能源发电与储能的单机容量较低,这导致实际应用中并网逆变器数量众多,且多以集群并网方式运行,其特征是数量多、范围广、并网点单一。利用并网逆变器群的协调潜力,不失为一种扩大单台逆变器约束边界并进一步降本增效的新思路。随着主从控制、下垂控制、虚拟同步发电机控制等方法的引入,并网逆变器群逐步具有协调运行功能,但现有理论、技术仅限于针对中低频谐波、有功功率、无功功率等的协调控制,虽有助于电网运行,却对并网逆变器降本增效无明显改善效果,其根本原因是无法协调逆变器群的高频脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)信号。PWM的协调技术在高压、大功率场合已经较为成熟。其中,载波移相技术已广泛应用于多桥臂并联逆变器,该技术显著降低了输出高频谐波,进而可降低开关频率、减小输出滤波器体积,是大功率逆变器降本增效的重要技术方案之一。因此,将PWM协调技术应用于并网逆变器群同样具有降本增效的巨大潜力,颇具研究价值。然而,总结现有PWM协调技术应用场景,不难发现,其特点多为“共交流、共直流”连接方式,即多台逆变器的直流输入端与交流输出端均为并联结构,且多台逆变器位置集中,由中央控制器统一控制。而并网逆变器群虽交流侧并联,但直流侧相互独立,且其分布范围较广,多由自身控制器独立控制。对于并网逆变器群而言,一方面,控制器内部时钟不统一,不具备载波同步的基础,更无法实现精确的移相控制;另一方面,并网逆变器群运行参数存在差异,其载波移相角度难以确定。本文从协调并网逆变器群PWM载波移相角的全新角度出发,以降低逆变器成本、提升逆变器效率为宗旨,开展了全局同步脉冲宽度调制(Global Synchronous Pulse Width Modulation,GSPWM)原理及应用技术的研究,具体研究内容如下:(1)全局同步脉冲宽度调制的基本原理。首先,以最小化总并网电流的谐波畸变率(Total Harmonics Distortion,THD)为目标,提出GSPWM的基本运行原理,即利用全局同步单元(Global Synchronization Unit,GSU)发送低频同步信号将PWM载波的实际移相角同步至最佳移相角。然后,充分考虑并网逆变器群的差异化参数特性,在频域上建立了总电流谐波的通用表达式,并提出了基于粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)的PWM载波最佳移相角、同步信号发送频率计算方法,提升GSPWM方法的通用性。最后,利用逆变器群实验平台验证了 GSPWM基本原理的正确性。(2)全局同步脉冲宽度调制的快速计算方法。首先,提出了针对大规模并网逆变器群的分组方法,通过将数量众多的逆变器分为多个逆变器组,降低GSPWM中待求模型的维度,降低了计算难度。然后,提出了迭代初始值优化选取方法,利用历史计算数据选取迭代初始值,代替原有的随机选取方式,提升了迭代收敛速度。GSPWM的快速计算方法可使GSPWM摆脱对于额外计算单元的依赖,降低GSPWM的应用成本。最后,利用逆变器群实验平台和仿真软件共同验证了快速计算方法的计算时间。(3)全局同步脉冲宽度调制的载波同步技术。首先,提出了同步信号补偿方法和自同步技术,利用在线的通讯通道时延测量方法解决了同步信号时延问题,利用历史同步信号数据在线推算后期同步时刻,解决了通讯中断带来的载波相位偏移问题。然后,提出了基于电网电压锁相环的PWM载波同步方法(Phase Locked Loop based Carrier Synchronization,PLL-CS),在无需增加硬件基础上,利用锁相环输出数据动态生成载波,实现了载波信号的实时同步,使GSPWM摆脱了对于低延迟通讯通道的依赖,提升GSPWM方法的可靠性和适用性。最后,利用逆变器群实验平台验证了所述GSPWM载波同步技术的适用性。(4)基于全局同步脉冲宽度调制的并网逆变器参数离线设计。首先,在PLL-CS和GSPWM基本原理的基础上,详细分析了GSPWM的运行规律,计算出了导致输出谐波最高的最差运行状态。其次,考虑GSPWM运行规律和电网谐波约束,提出了针对逆变器开关频率与滤波参数的“优化系数”边界计算方法。然后,提出了基于逆变器性能目标函数最优化的“优化系数”计算方法,本文以逆变器运行效率为目标计算出“优化系数”。最后,利用逆变器群实验平台验证了所述离线设计方法的准确性。(5)应用于大型光伏电站的双层全局同步脉冲宽度调制方法。首先,针对大型光伏电站中的共模环流抑制需求,提出了用于消除光伏电站共模环流的GSPWM方法,进而简化并网逆变器的拓扑结构,降低逆变器的成本。然后,针对总并网电流约束,以逆变器组为协调单元,提出降低总电流THD的逆变器组间GSPWM方法,在消除逆变器共模环流的基础上降低光伏电站的输出谐波。最后,利用包含升压变压器的逆变器群实验平台验证了双层GSPWM方法对共模环流、输出谐波的抑制能力。综上所述,本文针对并网逆变器降本增效的需求,从协调并网逆变器群PWM载波移相角的角度出发,提出了GSPWM方法,对其基本原理及应用技术开展了全面深入的研究。