4. 分布式电源并网接口与变流器模型

分布式电源要接入微电网，绝大多数情况下不能把光伏组件、储能电池或风力发电机直接挂到交流母线上。光伏输出是随光照变化的直流电流，储能电池是电压随荷电状态波动的直流电源，永磁直驱风机输出的是频率随风速变化的交流电。它们与 380 V/50 Hz 交流母线之间，必须经过一套“并网接口电路 + 变流器 + 控制”的通道。理解这条通道的电路结构、模型层次和控制自由度，是后续并网控制、功率分配、故障穿越等所有问题的物理基础。

一、三类电源的并网接口电路

光伏并网接口的典型结构是：光伏阵列 → 直流母线电容 → 三相电压源型逆变器（VSI）→ L 或 LCL 滤波器 → 并网点（PCC）。光伏阵列经最大功率点跟踪（MPPT）控制，把直流侧电压稳定在某一工作点，逆变器再把直流功率转换为交流。直流母线电容承担功率解耦与电压支撑，LCL 滤波器抑制开关频率附近的谐波。若为单相小功率系统，则采用单相全桥或 H 桥结构。

储能变流器（PCS）的接口与光伏类似，但直流侧是可充可放的电池。电池端电压随 SOC 变化，因此 PCS 通常采用双向 DC/DC + 双向 DC/AC 两级结构：前级 DC/DC 完成电池电压与直流母线电压的匹配并控制充放电电流，后级逆变器完成并网或离网供电。单级结构也可行，但直流电压范围受限。PCS 的关键特征是功率可双向流动，这决定了它在微电网中承担功率平衡和电压/频率支撑的角色。

风力发电变流器分两类。直驱永磁同步发电机（PMSG）采用“不控整流 + Boost + 网侧逆变器”或“背靠背全功率变流器”，机侧变流器控制发电机转矩/转速，网侧变流器控制直流母线电压和并网功率。双馈感应发电机（DFIG）则采用部分功率变流器，定子直接并网、转子经变流器接入，变流器容量约为机组容量的 25%～30%。两者接口电路的差别，直接决定了它们的控制自由度和故障行为不同。

二、平均模型与开关模型的分工

变流器建模有两种粒度。开关模型（switching model）用理想开关器件（IGBT/MOSFET 加反并联二极管）逐管搭建，能复现 PWM 开关过程、死区效应、开关频率谐波和器件损耗，适合研究谐波、电磁干扰、器件应力和死区补偿。它的缺点是仿真步长必须远小于开关周期，例如 10 kHz 开关频率对应 100 μs 周期，步长常取 1 μs 甚至更小，一个 1 s 的仿真就要上百万步，用于多机微电网系统级研究代价过高。

平均模型（average model）把开关周期内的行为取平均，用受控电压源/电流源替代桥臂，输入是占空比 d 或调制波 m，输出是桥臂平均电压。以三相两电平 VSI 为例，a 相桥臂平均电压为 v_aN = d_a·V_dc，其中 d_a ∈ [0,1] 为占空比。三相占空比由调制波决定：d_a = 0.5 + m_a/2，m_a 为归一化调制信号。这样模型不再含开关事件，步长可取 50～100 μs，仿真速度提升几十倍，同时保留基波和低频动态，适合并网控制策略、功率分配、稳定性分析。

两种模型的选择原则是：研究“控制层”问题（功率跟踪、电压电流环、下垂控制、多机协调）用平均模型；研究“器件层”问题（谐波频谱、开关损耗、死区、共模电压）用开关模型。工程上常先用平均模型整定控制参数，再用开关模型校核谐波和损耗，形成两级验证。

三、并网控制自由度及其物理约束

三相并网变流器在 dq 坐标系下有两个可独立控制的电流分量：d 轴电流 i_d 对应有功，q 轴电流 i_q 对应无功（在电网电压定向、d 轴对齐电网电压矢量时）。因此，一个三相 VSI 的基本控制自由度是“有功 + 无功”两个。光伏逆变器通常让 i_d 跟踪 MPPT 给出的有功指令，i_q 按调度或电压支撑需求给定，这就是恒功率因数或无功可调运行。

储能 PCS 的自由度更大：它既能吸收也能发出有功，因此可以在并网时做功率平衡，在离网时做电压/频率源（V/f 控制）。当微电网孤岛运行时，必须至少有一台变流器从“电流源”切换为“电压源”，建立母线电压和频率，其余变流器继续做电流源跟随。这个切换是微电网控制的核心自由度分配问题。

自由度并非无限。约束来自三方面：一是变流器容量，视在功率 S = √(P² + Q²) 不能超过额定值，因此有功和无功不能同时取满；二是直流母线电压，调制比 m 必须小于线性调制上限（SPWM 约 0.866，SVPWM 约 1.0），否则过调制产生低次谐波；三是滤波器与开关频率，LCL 谐振频率需避开控制带宽和开关频率。风电变流器还多一个约束：DFIG 的转子变流器容量有限，无功能力受转子电流限制。

四、一个可复现的建模示例

以一台 100 kW 三相光伏并网逆变器为例，直流母线电压 V_dc = 700 V，电网线电压 380 V（相电压峰值约 311 V），开关频率 f_sw = 10 kHz，L 滤波器 0.6 mH。在平均模型中，用三个受控电压源表示桥臂，控制量取调制波 m_a、m_b、m_c，桥臂平均电压为 v_aN = (0.5 + m_a/2)·V_dc。电流环采用 PI 控制，d 轴指令由 MPPT 给出，q 轴指令设为 0（单位功率因数）。仿真步长取 50 μs，运行 0.5 s，观察并网电流 THD 和功率跟踪。

若改用开关模型，同一电路需把桥臂换成 IGBT 加反并联二极管，加入 2 μs 死区，步长降到 1 μs。此时可以看到并网电流在开关频率附近出现边带谐波，THD 从平均模型的约 1.5% 上升到约 3%～4%（示例量级，实际取决于滤波器和调制方式）。若 THD 超过并网标准限值（如 IEEE 1547 对总谐波畸变的要求），需要增大滤波器或提高开关频率。这就是两级模型配合使用的典型流程：平均模型定控制，开关模型校谐波。

五、三类变流器自由度对比