帶諧波補(bǔ)償?shù)牟⒕W(wǎng)變流器統(tǒng)一控制策略

黃太昱，胡立坤，呂智林，李卓

（1.廣西電力系統(tǒng)最優(yōu)化與節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004；2.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

帶諧波補(bǔ)償?shù)牟⒕W(wǎng)變流器統(tǒng)一控制策略

黃太昱1，2，胡立坤1，2，呂智林2，李卓2

（1.廣西電力系統(tǒng)最優(yōu)化與節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004；2.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

依據(jù)三相電壓型PWM變流器系統(tǒng)工作特性，提出一種具有諧波補(bǔ)償功能的并網(wǎng)變流器統(tǒng)一控制策略。變流器可以補(bǔ)償非線性負(fù)載所引起的網(wǎng)側(cè)電流畸變；同時(shí)，保證并網(wǎng)變流器的4象限運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)有功電流與無(wú)功電流的獨(dú)立控制。在自然坐標(biāo)下，將網(wǎng)側(cè)指令電流與檢測(cè)所得非線性負(fù)載電流作差得到統(tǒng)一控制所需電流指令，利用所測(cè)網(wǎng)側(cè)電壓信號(hào)按照對(duì)指令電流進(jìn)行定向。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了所提策略的正確性與有效性。

變流器；自然坐標(biāo)定向；非線性負(fù)載；諧波治理

隨著分布式發(fā)電系統(tǒng)功率的增加，功率變換器使得可再生能源發(fā)電與電力系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)了高效、靈活的控制；作為未來(lái)以智能電網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的電力系統(tǒng)，并網(wǎng)變流器的設(shè)計(jì)與控制將會(huì)成為其發(fā)展的重要支撐［1］。

傳統(tǒng)并網(wǎng)變流器的控制策略多是基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，且無(wú)法應(yīng)對(duì)非線性負(fù)載所引起的電流畸變問(wèn)題。有源電力濾波器（active power filter，APF）與并網(wǎng)變流器具有相同的工作原理，其控制方法多為檢測(cè)諧波電流并對(duì)其進(jìn)行諧波補(bǔ)償。對(duì)于三相電路諧波和無(wú)功電流實(shí)時(shí)檢測(cè)的方法均以三相電路瞬時(shí)功率理論為基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算瞬時(shí)有功、無(wú)功功率或有功、無(wú)功電流得出三相電路的諧波電流［2-4］。但上述2種檢測(cè)電路諧波的策略均需要將三相信號(hào)經(jīng)坐標(biāo)變換至同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，再對(duì)轉(zhuǎn)換過(guò)后的直流分量經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量以獲得基波分量［2-3］。低通濾波器的引入不可避免地會(huì)導(dǎo)致相位的延遲，這與設(shè)計(jì)電流環(huán)的快速控制思想是相違背的，同時(shí)復(fù)雜的坐標(biāo)變換需要準(zhǔn)確的鎖相環(huán)節(jié)來(lái)保證與電網(wǎng)的同步，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

針對(duì)上述問(wèn)題，根據(jù)三相電壓型PWM變流器系統(tǒng)工作原理，提出一種具有補(bǔ)償諧波電流的并網(wǎng)變流器控制策略。利用采集的網(wǎng)側(cè)電壓信號(hào)在自然坐標(biāo)系中對(duì)指令電流進(jìn)行定向，避免了鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)以及復(fù)雜坐標(biāo)變化，實(shí)現(xiàn)變流器對(duì)系統(tǒng)有功、無(wú)功功率的獨(dú)立控制，及諧波的補(bǔ)償功能，拓寬了變流器系統(tǒng)的適用范圍。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及補(bǔ)償原理

三相電壓型PWM變流器主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變流器與非線性負(fù)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Block diagram of converter with nonlinear load

圖1中，uSa,uSb,uSc為對(duì)稱(chēng)三相電網(wǎng)相電壓；iSa,iSb,iSc為電網(wǎng)側(cè)相電流；LC為濾波電抗器電感；una,unb,unc為變流器橋臂輸出電壓；CC為變流器直流側(cè)電容；udc為直流側(cè)電壓。非線性負(fù)載是一個(gè)由三相不控整流電路供給能量的直流電阻負(fù)載，此時(shí)容性負(fù)載通過(guò)不控整流電路對(duì)系統(tǒng)引入了非正弦的脈動(dòng)電流，以及部分無(wú)功功率。LL為濾波電抗器的電感，CL為不控整流器件直流側(cè)電容，R為對(duì)應(yīng)負(fù)載電阻。

當(dāng)變流器直流側(cè)接入提供功率的有源負(fù)載（如光伏發(fā)電裝置）便作為并網(wǎng)逆變器工作，可向網(wǎng)側(cè)輸送功率；直流側(cè)開(kāi)路時(shí)可向系統(tǒng)提供無(wú)功功率作為電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置工作（如APF，STATCOM等）。

圖2 電流內(nèi)環(huán)控制策略Fig.2 Control scheme of inner current loop

故所提出的并行變流器控制策略如圖2所示，通過(guò)網(wǎng)側(cè)指令電流與檢測(cè)所得非線性負(fù)載電流計(jì)算出內(nèi)環(huán)參考指令電流，并經(jīng)內(nèi)環(huán)電流控制，通過(guò)注入電流的方式來(lái)消除系統(tǒng)諧波，達(dá)到滿足本地負(fù)載的無(wú)功功率的要求，使得交流電源只需供給正弦均衡單位功率因數(shù)的電流。

2 參考指令電流計(jì)算

2.1 自然坐標(biāo)定向

在自然坐標(biāo)系中求得有功單位分量 pa,pb,pc與無(wú)功單位分量qa,qb,qc。首先利用三相網(wǎng)側(cè)電壓值求出相電壓峰值USm為

則有單位有功分量：

根據(jù)無(wú)功單位分量與有功單位分量的關(guān)系［5］，無(wú)功單位分量可以用有功單位分量表示：

同理，三相無(wú)功電流分量為

將有功電流指令分量與無(wú)功電流指令分量相加得到網(wǎng)側(cè)參考指令電流為

2.2 補(bǔ)償指令電流

圖3 變流器系統(tǒng)控制策略圖Fig.3 Control strategy for converter system

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置原理框圖Fig.4 Block diagram of experimental device

圖4為系統(tǒng)裝置平臺(tái)圖。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用dSPACE（DS1104）作為控制器，并實(shí)現(xiàn)A/D采樣、實(shí)時(shí)計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；功率器件驅(qū)動(dòng)脈沖則由DS1104中的RTI（real-time interface）模塊產(chǎn)生，開(kāi)關(guān)頻率設(shè)為10 kHz，死區(qū)時(shí)間設(shè)為4 μs；系統(tǒng)中斷統(tǒng)一采用PWM中斷方式，保證PWM波周期與控制周期及數(shù)據(jù)采集周期同步。系統(tǒng)各參數(shù)如表1所示。

表1 PWM變流器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Parameters of PWM converter system

3.1 變流器實(shí)驗(yàn)

令瞬時(shí)無(wú)功功率指令為零，變流器直流側(cè)接入14.2 Ω電阻負(fù)載時(shí)，變流器直流側(cè)電壓、電網(wǎng)A相電壓與輸入電流波形如圖5a、圖5b所示。

圖5 功率變換實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖Fig.5 The waveforms of power conversion for converter

觀察圖5a易知，突加有功負(fù)荷后，直流側(cè)電壓經(jīng)短暫跌落后迅速恢復(fù)至給定值；此時(shí)由于系統(tǒng)瞬時(shí)無(wú)功功率為零，即變流器實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)整流，電壓電流相位如圖5b圖所示，保持同向，即變流器工作在整流狀態(tài)；同理，變流器直流側(cè)接入工作點(diǎn)為0.32 kW/72 V光伏陣列時(shí)，變流器直流側(cè)電壓、電網(wǎng)A相電壓與輸入電流波形如圖5c、圖5d所示。

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法性能，直流側(cè)保持空載，給定無(wú)功電流指令-6 A，變流器實(shí)現(xiàn)感性無(wú)功功率補(bǔ)償，如圖5e所示，A相電流滯后A相電壓90°；給定無(wú)功指令+6A，變流器實(shí)現(xiàn)容性無(wú)功功率補(bǔ)償，觀察圖5f發(fā)現(xiàn)，A相電流超前A相電壓90°。

結(jié)果表明，保持直流側(cè)空載，即系統(tǒng)沒(méi)有瞬時(shí)有功功率，通過(guò)改變瞬時(shí)無(wú)功功率指令可以實(shí)現(xiàn)變流器單位功率因數(shù)下有源逆變，達(dá)到向系統(tǒng)發(fā)出或吸收無(wú)功功率以調(diào)節(jié)終端電壓波動(dòng)的目的，保證用戶側(cè)較高的電能質(zhì)量。

本文所提的控制策略可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率的獨(dú)立控制，并取得良好的控制效果。

3.2 有源電力濾波器實(shí)驗(yàn)

變流器交流側(cè)并入非線性負(fù)載，系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 諧波補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖Fig.6 The waveforms of harmonic compensation for converter

圖6中，圖6a為網(wǎng)側(cè)三相電壓信號(hào)；圖6b為投切非線性負(fù)載時(shí)變流器側(cè)直流母線電壓。非線性負(fù)載的接入使得網(wǎng)側(cè)電流波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，如圖6c所示為馬鞍波電流。按照所提控制策略變流器針對(duì)畸變電流發(fā)出補(bǔ)償電流，如圖6d所示；圖6e為補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)三相電流波形，并對(duì)其進(jìn)行快速傅立葉變換，分析如圖6f所示，電流信號(hào)的總諧波畸變率（total harmonic distortion，THD）含量為4.52%，滿足并網(wǎng)電流THD小于5%的規(guī)定。

4 結(jié)論

本文提出了一種具有諧波補(bǔ)償功能的變流器統(tǒng)一控制方法。

該方法基于網(wǎng)側(cè)電壓采用自然坐標(biāo)定向方法，結(jié)合功率變流器與有源電力濾波器的功能，內(nèi)環(huán)指令電流可實(shí)現(xiàn)變流器對(duì)系統(tǒng)補(bǔ)償有功、無(wú)功功率及諧波的統(tǒng)一調(diào)控，且補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)電流THD滿足小于5%的并網(wǎng)要求。

較傳統(tǒng)方法無(wú)需鎖相環(huán)環(huán)節(jié)以及復(fù)雜坐標(biāo)變化，并實(shí)現(xiàn)變流器對(duì)系統(tǒng)有功、無(wú)功功率的獨(dú)立控制及諧波的治理功能，即變流器系統(tǒng)固化一套算法可應(yīng)對(duì)非線性負(fù)載諧波治理與并網(wǎng)逆變2種工作狀態(tài)，提高了變流器系統(tǒng)對(duì)不同工況下的適應(yīng)能力。

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Unified Control Strategy of Grid-connected Converter with Harmonic Compensation

HUANG Taiyu1，2，HU Likun1，2，Lü Zhilin2，LI Zhuo2
（1.Guangxi Key Laboratory of Power System Optimization and Energy Technology，Nanning 530004，Guangxi，China；2.College of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，Guangxi，China）

According to the characteristics of three-phase voltage PWM converter system，a unified control strategy of grid-connected converter with harmonic compensation function was proposed.The converter could compensate the network side current distortion caused by the nonlinear load.Meanwhile，the four-quadrant operation of the grid-connected converter could be ensured，and the active current and reactive current could be controlled independently.In the natural coordinates，the voltage signals of source were employed to derive the reference currents of converter，which caused by the difference between grid-side of the command current and the detection of non-linear load current.Finally，the experiment test and verified the correct and using of this method.

converter；natural coordinate；nonlinear lord；harmonics compensation

TM461

A

10.19457/j.1001-2095.20170608

2016-05-31

修改稿日期：2016-10-09

國(guó)家自然科學(xué)基金（61364027）；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（1598008-3）

黃太昱（1992-），男，碩士研究生，Email：729374166@qq.com