并聯(lián)T型三電平儲(chǔ)能變流器零序環(huán)流抑制

陳 剛， 蔣順平, 丁 勇, 李 旭, 石祥建, 劉為群

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力公司徐州供電公司， 江蘇 徐州 221003;2. 南京南瑞繼保電氣有限公司, 江蘇 南京 211102)

并聯(lián)T型三電平儲(chǔ)能變流器零序環(huán)流抑制

陳 剛1， 蔣順平2, 丁 勇2, 李 旭2, 石祥建2, 劉為群2

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力公司徐州供電公司， 江蘇 徐州 221003;2. 南京南瑞繼保電氣有限公司, 江蘇 南京 211102)

針對(duì)共享交、直流母線的T型三電平儲(chǔ)能變流器并聯(lián)系統(tǒng)零序環(huán)流問題，建立并聯(lián)T型三電平儲(chǔ)能系統(tǒng)零序環(huán)流等效模型，并根據(jù)激勵(lì)源的不同，把零序環(huán)流分為通態(tài)零序環(huán)流、開關(guān)零序環(huán)流、混合零序環(huán)流3類。首先采用一種共享直流中點(diǎn)方案抑制通態(tài)零序環(huán)流，其次通過一種改進(jìn)型LCL濾波器方案抑制開關(guān)零序環(huán)流和混合零序環(huán)流中的高頻分量，然后提出一種基于比例諧振控制的零序調(diào)制波疊加控制方案抑制開關(guān)零序環(huán)流和混合零序環(huán)流中的低頻分量，最后搭建500 kW的 T型三電平儲(chǔ)能變流器并聯(lián)仿真系統(tǒng)。仿真結(jié)果證明了文中提出的零序環(huán)流抑制策略的正確性。

T型三電平; 并聯(lián); 儲(chǔ)能變流器; 零序環(huán)流; 比例諧振控制

0 引言

隨著可再生能源發(fā)電的快速增長(zhǎng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)在緩解用電供需矛盾、提高電網(wǎng)安全、改善供電質(zhì)量等方面發(fā)揮著重要作用[1，2]。作為連接儲(chǔ)能裝置和電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，儲(chǔ)能變流器 (PCS)受到了廣泛的重視和研究。T型三電平耐壓等級(jí)高、諧波含量小、電壓畸變率低[3]，T型三電平PCS可以在不增加功率半導(dǎo)體器件電流應(yīng)力的情況下，通過并聯(lián)增大系統(tǒng)容量， 提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。并聯(lián)系統(tǒng)中PCS之間共享交、直流母線，因此并聯(lián)系統(tǒng)中存在環(huán)流問題。環(huán)流分為零序環(huán)流[4]和非零序環(huán)流2種成分，采用LCL濾波器拓?fù)鋄5]且?guī)в须娏鲀?nèi)環(huán)控制的系統(tǒng)環(huán)流主要為零序環(huán)流，非零序環(huán)流可以忽略不計(jì)。零序環(huán)流會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部電流分配不均，影響系統(tǒng)可靠性，同時(shí)也會(huì)增大損耗，引起并網(wǎng)電流畸變，減小IGBT開關(guān)管壽命[6，7]。因此，對(duì)并聯(lián)系統(tǒng)中零序環(huán)流分析和抑制的研究意義重大。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)環(huán)流進(jìn)行了廣泛的研究。文獻(xiàn)[8]通過建立帶三磁柱電感及三磁柱變壓器的三相逆變器瞬時(shí)零序分量模型，分析了其對(duì)零序環(huán)流的抑制作用，但這種結(jié)構(gòu)電感和變壓器增加了系統(tǒng)的體積、成本和損耗；文獻(xiàn)[9，10]采取非線性控制的方法來抑制零序環(huán)流，但是這種控制實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，難以投入工程應(yīng)用；文獻(xiàn)[11，12]提出了采用基于調(diào)節(jié)因子法的零序環(huán)流控制器來抑制零序環(huán)流低頻分量，但零序環(huán)流低頻分量主要集中在3倍頻，直流分量含量很小，采用PI控制器對(duì)零序環(huán)流的抑制效果有限；文獻(xiàn)[13-15]基于空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)，通過控制中零矢量的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)零序環(huán)流抑制，但由于中零矢量作用時(shí)間少，控制比較困難。

文中提出了一種多機(jī)T型三電平儲(chǔ)能PCS系統(tǒng)，并聯(lián)PCS間共享交、直流母線。通過對(duì)零序環(huán)流模型的推導(dǎo)和分析，把零序環(huán)流分為通態(tài)零序環(huán)流、開關(guān)零序環(huán)流和混合零序環(huán)流3類，并對(duì)3類零序環(huán)流分別提出了相應(yīng)的抑制方法，最后對(duì)500 kW儲(chǔ)能PCS并聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了抑制策略的正確性。

1 零序環(huán)流的模型和分類

1.1 零序環(huán)流模型

圖1為n個(gè)共交、直流母線并聯(lián)的T型三電平儲(chǔ)能PCS系統(tǒng)，采用LCL濾波器結(jié)構(gòu)。其中L為 橋臂濾波電感，Lg為網(wǎng)側(cè)濾波電感，Cf為濾波電容；忽略電感上的電阻和電容上的阻尼電阻；ej為J相電網(wǎng)電壓，O為電網(wǎng)中性點(diǎn)；P，N分別為直流側(cè)正、負(fù)母線，Udc為直流側(cè)母線電壓；UPk和UNk分別為儲(chǔ)能變流器k直流側(cè)正、負(fù)母線電壓；Ok為儲(chǔ)能變流器k的直流中性點(diǎn)；其中，J = A,B,C；j= a,b,c；k=1,2,...,n。

以儲(chǔ)能變流器k為例，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，建立T型三電平PCS的三相并網(wǎng)回路方程為：

(1)

式(1)中：uJkN為變流器k的J相橋臂對(duì)負(fù)母線的輸出電壓；iJk為變流器k的J相橋臂電流；ijk為變流器k的j相網(wǎng)側(cè)輸出電流；uON為電網(wǎng)中性點(diǎn)和負(fù)直流母線之間的電壓。

由于濾波電容支路電流和為0，根據(jù)零序環(huán)流定義，可以得出并聯(lián)PCS系統(tǒng)中第k個(gè)變流器零序環(huán)流的表達(dá)式：

(2)

式(2)中：izk為變流器k的零序環(huán)流表達(dá)式。

對(duì)于三相對(duì)稱系統(tǒng)，ea+eb+ec=0，結(jié)合式(1)和(2)可得：

(3)

由式(3)可以得到多臺(tái)PCS并聯(lián)系統(tǒng)的零序環(huán)流等效模型，如圖2所示。

圖2 零序環(huán)流等效模型Fig.2 Equivalent model of zero-sequence circulating current

根據(jù)戴維南定律對(duì)圖2模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，得出零序環(huán)流的簡(jiǎn)化等效模型，如圖3所示。

圖3 零序環(huán)流簡(jiǎn)化模型Fig.3 Simplified model of zero-sequence circulating current

圖3中，Ueq為除去變流器k的等效電壓，表達(dá)式為：

(4)

根據(jù)圖3可以得出變流器k在復(fù)頻域上的表達(dá)式為：

izk(s)=H(s)uzk(s)

(5)

式(5)中：uzk(s)為變流器k的零序環(huán)流激勵(lì)源在復(fù)頻域上的表達(dá)式；H(s)為其零序環(huán)流的傳遞函數(shù)。具體表達(dá)式為：

(6)

由式(6)可以看出，并聯(lián)PCS系統(tǒng)中第k個(gè)變流器的零序環(huán)流傳遞函數(shù)為一階系統(tǒng)，橋臂濾波電感L和網(wǎng)側(cè)濾波電感Lg對(duì)零序環(huán)流有影響，但零序環(huán)流激勵(lì)源的表達(dá)式比較復(fù)雜，不適用于零序環(huán)流抑制方法的針對(duì)性設(shè)計(jì)。

1.2 零序環(huán)流分類

定義開關(guān)函數(shù)SJk表示變流器k的J相橋臂開關(guān)狀態(tài)，可以得出其三相橋臂輸出電壓的開關(guān)函數(shù)表達(dá)式：

(7)

式(7)中：ΔUk=UPk-UNk，表示變流器k的正負(fù)母線電容電壓之差。

由式(7)可得：

(8)

將式(8)代入式(6)可以得出變流器k零序環(huán)流激勵(lì)源關(guān)于其開關(guān)函數(shù)的表達(dá)式為：

(9)

由式(9)可以看出，并聯(lián)系統(tǒng)中變流器k的零序環(huán)流由3種不同成分組成。

(1) 通態(tài)零序環(huán)流，即：

(10)

由式(10)得出通態(tài)零序環(huán)流激勵(lì)源和并聯(lián)PCS間的中點(diǎn)電位之差有關(guān)。

(2) 開關(guān)零序環(huán)流，即：

(11)

由式(11)得出開關(guān)零序環(huán)流激勵(lì)源由并聯(lián)PCS之間開關(guān)狀態(tài)不一致導(dǎo)致。

(3) 混合零序環(huán)流，即：

(12)

由式(12)得出混合零序環(huán)流激勵(lì)源由并聯(lián)PCS之間中點(diǎn)電位差和開關(guān)狀態(tài)不一致共同產(chǎn)生。

2 零序環(huán)流抑制

結(jié)合1.2節(jié)所述，根據(jù)零序環(huán)流激勵(lì)源的不同，零序環(huán)流可以分為通態(tài)零序環(huán)流、開關(guān)零序環(huán)流和混合零序環(huán)流3類。不難看出，開關(guān)零序環(huán)流與混合零序環(huán)流在數(shù)學(xué)模型上和通態(tài)零序環(huán)流存在本質(zhì)區(qū)別，兩者都受開關(guān)函數(shù)SJk的影響，在環(huán)流成分上均含有高頻分量和低頻分量。因此，本文把環(huán)流抑制分為通態(tài)零序環(huán)流抑制，開關(guān)、混合零序環(huán)流高頻分量抑制和開關(guān)、混合零序環(huán)流低頻分量抑制3個(gè)方面。

2.1 通態(tài)零序環(huán)流抑制

當(dāng)并聯(lián)系統(tǒng)中PCS均處于并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)時(shí)，相互間調(diào)制度和功率因數(shù)非常接近，變流器中點(diǎn)電位差很小，此時(shí)通態(tài)環(huán)流激勵(lì)源很小。但是在變流器啟機(jī)的瞬間，受電容、分壓電阻等參數(shù)的影響，變流器和并網(wǎng)狀態(tài)的變流器差異較大，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的瞬間通態(tài)零序環(huán)流[17]。為了消除中點(diǎn)電位差，本文采用共享變流器間的直流中點(diǎn)方案。此時(shí)通態(tài)零序環(huán)流的通路如圖4所示。

圖4 共享中點(diǎn)后通態(tài)零序環(huán)流通路Fig.4 Loops of conduction zero-sequence circulating current sharing neutral buses

共享中點(diǎn)使得并聯(lián)系統(tǒng)中變流器之間中點(diǎn)電位相等，從根本上消除了通態(tài)零序環(huán)流激勵(lì)源，該方案容易實(shí)現(xiàn)且成本低。

2.2 開關(guān)、混合零序環(huán)流高頻分量抑制

文獻(xiàn)[11]指出載波不同步是產(chǎn)生零序環(huán)流高頻分量的主要因素。在0°～180°，隨著載波之間的相位差增大，高頻分量也隨著增大。由于其頻率超出了系統(tǒng)的帶寬，很難通過控制來對(duì)其進(jìn)行抑制，因此，針對(duì)零序環(huán)流的高頻分量，文中采用儲(chǔ)能變流器LCL濾波器濾波電容中點(diǎn)回遷至直流母線中點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得各儲(chǔ)能變流器濾波電容中性點(diǎn)到直流母線中點(diǎn)多出了一條共模回路，導(dǎo)致變流器側(cè)和網(wǎng)側(cè)電流和不再相等，此時(shí)變流器k的零序環(huán)流表達(dá)式為：

(13)

式(13)中：i0k為變流器k濾波電容中點(diǎn)到直流中點(diǎn)回遷線上的電流。

結(jié)合式(1)、式(13)可得：

(14)

根據(jù)基爾霍夫電壓定律，對(duì)新增的共?；芈酚腥缦玛P(guān)系式：

(15)

結(jié)合式(14)、式(15)可以得出并聯(lián)PCS系統(tǒng)的零序環(huán)流等效模型，如圖5所示。

圖5 改進(jìn)LCL后零序環(huán)流等效模型Fig.5 Equivalent model of zero-sequence circulating current with the improved LCL filter

根據(jù)圖5和式(15)可以得出改進(jìn)型LCL濾波器并聯(lián)系統(tǒng)中變流器k的零序環(huán)流復(fù)頻域上的表達(dá)式：

(16)

對(duì)比式(6)、式(16)可以看出改進(jìn)后系統(tǒng)由一階系統(tǒng)變?yōu)槿A系統(tǒng)，零序環(huán)流傳遞函數(shù)Bode圖如圖6所示，對(duì)比可知回遷后高頻抑制能力增強(qiáng)。

圖6 零序環(huán)流傳遞函數(shù)Bode圖Fig.6 Bode diagram of zero-sequence circulating current transfer function

2.3 開關(guān)、混合零序環(huán)流低頻分量抑制

采用改進(jìn)型LCL濾波器結(jié)構(gòu)可以有效的抑制零序環(huán)流中的高頻分量，但是對(duì)低頻分量幾乎沒有抑制作用。本文提出一種準(zhǔn)PR控制器對(duì)環(huán)流低頻分量進(jìn)行有效抑制。準(zhǔn)PR控制器的表達(dá)式為：

(17)

式(17)中：kp為比例增益系數(shù)；kr為指定諧波處的諧振增益系數(shù)；ω0為諧波處對(duì)應(yīng)的角頻率。

準(zhǔn)PR控制器通過參數(shù)ωc的引入一定程度上減小了PR控制器在諧振頻率處的系統(tǒng)增益，起到了一定的阻尼作用。但是和普通PR控制器相比，準(zhǔn)PR控制器的峰值增益(諧振處的增益)對(duì)頻率的敏感性大大降低。在諧振頻率附近一定的范圍內(nèi)(由ωc決定)準(zhǔn)PR控制器都具有不錯(cuò)的增益。為了分析方便，令n=2，可以得出并聯(lián)PCS零序環(huán)流的傳遞函數(shù)為：

Gi-open(s)=GPR(s)Hc(s)

(18)

Gi_close(s)=Hc(s)/(1+2GPR(s)Hc(s))

(19)

令ω0=3ω，ω=2πf，可以得出增加PR控制器后的開環(huán)Bode圖，如圖7所示。

圖7 增加零序環(huán)流控制器后Bode圖Fig.7 Bode diagram with controller of zero-sequence circulating current

考慮到得到的零序調(diào)制波需要疊加中點(diǎn)電壓平衡控制產(chǎn)生的零序調(diào)制波，故本文中設(shè)計(jì)的PR控制器在滿足抑制效果的前提下諧振峰偏小，以保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

由圖7可以看出，在150 Hz處存在諧振峰，很好的對(duì)3倍頻分量進(jìn)行了抑制。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證文中提出的零序環(huán)流抑制方法的可行性，利用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建2臺(tái)儲(chǔ)能變流器并聯(lián)運(yùn)行仿真模型。仿真參數(shù)：PCS額定容量為500 kW，開關(guān)頻率3 kHz，交流母線電壓400 V，直流母線電壓720 V，PCS采用LCL濾波器，參數(shù)分別為L(zhǎng)=0.1 mH，Lg=0.05 mH，Cf=900 μF。

未采用共享中點(diǎn)方案，PCS1恒功率穩(wěn)定運(yùn)行，PCS2投入瞬間，2臺(tái)PCS的A相并網(wǎng)電流和零序環(huán)流波形如圖8所示。由圖8可以看出，并聯(lián)系統(tǒng)瞬間產(chǎn)生很大的通態(tài)零序環(huán)流，導(dǎo)致PCS的并網(wǎng)電流波形畸變，影響PCS系統(tǒng)性能。采用共享中點(diǎn)方案的仿真波形如圖9所示。由圖9可見PCS2投入瞬間通態(tài)零序環(huán)流明顯減小，驗(yàn)證了通態(tài)零序環(huán)流抑制的有效性。

圖8 共享中點(diǎn)前零序環(huán)流波形Fig.8 Waveform of zero-sequence circulating current without sharing neutral buses

圖9 共享中點(diǎn)后零序環(huán)流波形Fig.9 Waveform of zero-sequence circulating current with sharing neutral buses

為了驗(yàn)證LCL中點(diǎn)回遷對(duì)零序環(huán)流高頻分量的抑制效果，仿真中2臺(tái)PCS的載波角差為180°，此時(shí)零序環(huán)流高頻分量最大。圖10給出了LCL中點(diǎn)回遷前并網(wǎng)電流和零序環(huán)流波形，可見并聯(lián)系統(tǒng)中零序環(huán)流含有很多高頻分量，開關(guān)頻率處諧波含量達(dá)到7.87%左右，嚴(yán)重影響入網(wǎng)電流的波形質(zhì)量。

圖10 改進(jìn)LCL前零序環(huán)流波形Fig.10 Waveform of zero-sequence circulating current without improved LCL filter

采用LCL濾波器中點(diǎn)回遷方案，仿真結(jié)果如圖11所示，并聯(lián)系統(tǒng)中零序環(huán)流高頻分量得到有效抑制，開關(guān)頻率處諧波含量降低到0.94%左右，很好地改善了入網(wǎng)電流質(zhì)量。但是仍然存在低頻分量，這是由并網(wǎng)功率不同導(dǎo)致的。

圖11 改進(jìn)LCL后零序環(huán)流波形Fig.11 Waveform of zero-sequence circulatingcurrent with improved LCL filter

仿真中PCS1設(shè)定為500 kW恒功率并網(wǎng)運(yùn)行，PCS2設(shè)定為200 kW恒功率并網(wǎng)運(yùn)行。不加零序環(huán)流控制，仿真結(jié)果如圖12所示。并聯(lián)系統(tǒng)中零序環(huán)流含有較大低頻分量，3倍頻處環(huán)流分量達(dá)到5.67%左右。采用文中提出的低頻環(huán)流控制方案后，仿真結(jié)果如圖13所示，低頻分量明顯減小，3倍頻處環(huán)流分量降低到0.12%左右，入網(wǎng)電流質(zhì)量取到較大改善，證明了文中提出的低頻環(huán)流抑制策略的有效性。

圖12 低頻環(huán)流控制器投入前零序環(huán)流波形Fig.12 Waveform without controller of zero-sequence circulating current

圖13 低頻環(huán)流控制器投入后零序環(huán)流波形Fig.13 Waveform with controller of zero-sequence circulating current

4 結(jié)語

T型三電平拓?fù)淦骷?、器件損耗均勻、運(yùn)行效率高，在儲(chǔ)能變流器中得到大量應(yīng)用。文中提出了一種多機(jī)T型三電平儲(chǔ)能變流器并聯(lián)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，共交、直流母線的并聯(lián)結(jié)構(gòu)存在零序環(huán)流問題，需要妥善解決。文中通過建立零序環(huán)流等效模型，將零序環(huán)流進(jìn)行分類，并提出零序環(huán)流的抑制策略。仿真結(jié)果表明，采用共享直流中點(diǎn)方案可以有效抑制通態(tài)零序環(huán)流，采用LCL濾波器中點(diǎn)回遷方案可以有效抑制開關(guān)零序環(huán)流和混合零序環(huán)流的高頻分量，文中提出的一種準(zhǔn)諧振零序環(huán)流控制器可以有效抑制開關(guān)零序環(huán)流和混合零序環(huán)流的低頻分量。

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(編輯錢 悅)

Zero-sequence Circulating Current Reduction for ParallelT-type Three-level Power Converter Systems

CHEN Gang1, JIANG Shunping2, DING Yong2, LI Xu2, SHI Xiangjian2, LIU Weiqun2

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Company Xuzhou Power Supply Company, Xuzhou 221003, China;2. NR Electric Co. Ltd., Nanjing 211102, China)

According to the problems about zero-sequence circulating current existed in parallel T-type three-level power converter systems, the equivalent model of zero-sequence circulating current was proposed in this paper. The zero-sequence circulating current was divided into three types according to different exciting sources, namely, conduction zero-sequence circulating current, switching zero-sequence circulating current, hybrid zero-sequence circulating current. Firstly, a scheme sharing neutral buses was proposed to reduce the conduction zero-sequence circulating current. Secondly, a parallel scheme based on improved LCL filter was proposed to reduce high frequency component of switching and hybrid zero-sequence circulating current. And a zero-sequence modulation control method based on proportion resonant controller was used to reduce low frequency component of switching and hybrid zero-sequence circulating current. Finally, parallel T-type three-level power converter systems rated 500 kW were build. Simulation results verify the correctness of reduction methods of zero-sequence circulating current.

T-type three-level; parallel; power converter system; zero-sequence circulating current; proportion resonant control

陳 剛

2017-03-26；

2017-05-21

國網(wǎng)江蘇省電力公司科技項(xiàng)目“柔直和光儲(chǔ)混聯(lián)系統(tǒng)在城市配網(wǎng)中的應(yīng)用”(J2017086)

TM46

：A

：2096-3203(2017)05-0052-07

陳 剛(1993 —)，男，安徽滁州人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榕渚W(wǎng)自動(dòng)化與新能源發(fā)電(E-mail:19653195@qq.com)；

蔣順平(1989 —)，男，安徽合肥人，助理工程師，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電應(yīng)用與控制(E-mail:jiangsp@nrec.com)；

丁 勇(1981 —)，男，江蘇南通人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)無功補(bǔ)償及新能源發(fā)電(E-mail:dingy@nrec.com)；

李 旭(1986 —)，男，江蘇徐州人，工程師，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電應(yīng)用與控制(E-mail:lixu@nrec.com)；

石祥建(1980 —)，男，江蘇徐州人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮釉陔娋W(wǎng)中應(yīng)用技術(shù)研究(E-mail:shixj@nrec.com)；

劉為群(1966 —)，男，安徽滁州人，研究員級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮庸β首儞Q技術(shù)及應(yīng)用(E-mail:liuweiqun@nrec.com)。