一種基于電壓過零點的差模諧波環(huán)流抑制方法研究

任 靜，祁 招，李建偉，閆 銘，王俊豪

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌461000）

控制碳排放，共建美好家園，新能源革命是大勢所趨。為了實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)，國家能源局和國家發(fā)改委大力支持新能源光伏、風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展。未來10年之內(nèi)，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)和光伏電站裝機容量每年新增120GW左右。目前多個省要求光伏電站、風(fēng)電項目強制配置儲能，光伏和風(fēng)電等新能源電站原則上配置儲能容量不低于電站額定容量的10%，時間不低于2小時。目前光伏逆變升壓一體機價格在0.16元/瓦，儲能升壓一體機價格在0.35元/瓦左右，由于儲能系統(tǒng)硬件基于光伏逆變器改進(jìn)，儲能系統(tǒng)價格需持續(xù)降低。

為降低系統(tǒng)成本并提升儲能轉(zhuǎn)換效率，儲能變流器往往采用三電平結(jié)構(gòu)和LC濾波方式，儲能升壓變壓器采用雙繞組結(jié)構(gòu)，這就需要儲能變流器在變壓器低壓側(cè)并聯(lián)，實現(xiàn)多機并聯(lián)運行。然而變流器多機并聯(lián)并網(wǎng)運行時，輸出電壓除基波外，還含有部分高次諧波，無法實現(xiàn)各變流器并網(wǎng)輸出電壓精確相同，雖然變流器直流側(cè)未直接連接，但在并聯(lián)狀態(tài)下變流器將通過差?；芈烽g產(chǎn)生高頻諧波環(huán)流。產(chǎn)品的高次諧波將增加整個儲能系統(tǒng)損耗，影響儲能變流器乃至儲能電池等元器件壽命，還可能產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，限制整套系統(tǒng)容量的增加。

基于上述原因，針對儲能變流器四機并聯(lián)之間的差模諧波環(huán)流問題本文在多機并聯(lián)儲能變流器三電平LC濾波的儲能系統(tǒng)中，首先建立多臺并聯(lián)變流器諧波環(huán)流等效模型，對多機并聯(lián)諧波環(huán)流特性進(jìn)行分析。進(jìn)而提出一種基于電壓過零點的差模諧波環(huán)流抑制方法，最后通過仿真和實驗驗證了相關(guān)抑制策略。

1 多機并聯(lián)諧波環(huán)流特性分析

儲能變流器多機交流側(cè)并聯(lián)時，由于成本問題，每臺變流器交流側(cè)往往采用LC濾波回路，缺少網(wǎng)側(cè)阻抗。濾波電容并不能濾除諧波電流中高頻差模分量，因此變流器之間容易形成諧波環(huán)流。以2臺儲能變流器交流側(cè)并聯(lián)為例，基于諧波環(huán)流的單相等效電路模型如圖1所示。由于兩臺變流器交流輸出電流均流向電網(wǎng)電壓，可認(rèn)為Un0相同。

圖1 多臺并聯(lián)變流器諧波環(huán)流等效模型

依據(jù)圖1所示的模型和變流器開關(guān)暫態(tài)分析，在不考慮電網(wǎng)阻抗與儲能變流器輸出電容充放電過程的情況下，可以近似得出高頻差模環(huán)流的形態(tài)。即：

其中，ω為電網(wǎng)角頻率；Em為電網(wǎng)相電壓幅值。由于紋波滿足1/4周期奇偶對稱，本文以A相電網(wǎng)的正半周[0，π/2]為例，i#變流器第k開關(guān)管用Sak_i表示。由于Sa3_i與Sa1_i互補，Sa4_i與Sa2_i互補，且該區(qū)間內(nèi)Sa2_i=1，即處于導(dǎo)通狀態(tài)，所以以下討論中，正半周區(qū)間內(nèi)2變流器開關(guān)暫態(tài)用Sa1_i表示。則可得表1的關(guān)系式。

表1 變流器開關(guān)暫態(tài)與環(huán)流關(guān)系

設(shè)Udc_1表示1#變流器直流側(cè)電壓；Udc_2表示2#變流器直流側(cè)電壓，tx表示各狀態(tài)的起始時刻，ty表示各狀態(tài)的終止時刻，C0表示積分初始值，如果忽略電網(wǎng)電壓基波分量的作用，以下四種狀態(tài)的1#變流器輸出電流分別為：

狀態(tài)I：

1#變流器1管導(dǎo)通、2#變流器1管斷開，

狀態(tài)Ⅱ：

1#變流器、2#變流器1管都斷開，

狀態(tài)Ⅲ：

1#變流器1管斷開、2#變流器1管導(dǎo)通，

狀態(tài)Ⅳ：

1#變流器和2#變流器1管都導(dǎo)通，

根據(jù)以上表達(dá)式，可得出多臺變流器的開關(guān)器件1管Sa1_i在不同狀態(tài)時，1＃儲能變流器的輸出電流如圖2所示。可見，差模環(huán)流主要是由于開關(guān)頻率高頻諧波構(gòu)成，如果忽略兩臺儲能變流器直流側(cè)電壓的差異，紋波環(huán)流全部是由于兩臺儲能變流器開關(guān)動作的不同步導(dǎo)致的。進(jìn)而結(jié)合開關(guān)器件調(diào)制，可以得出不同交流電網(wǎng)角度以及載波交錯角度下紋波環(huán)流的峰值。

圖2 儲能變流器開關(guān)暫態(tài)和紋波形態(tài)示意圖

2 基于PWM載波自同步的諧波環(huán)流抑制策略

針對變流器并聯(lián)引起的諧波環(huán)流，可通過輸出采用LCL結(jié)構(gòu)濾波器、輸出增加串聯(lián)LC支路、基于互聯(lián)線的載波同步等方案抑制，但現(xiàn)有方案均會增加系統(tǒng)硬件成本，影響設(shè)備的市場競爭力。

為解決上述面臨的問題，本文提出基于PWM載波自同步諧波環(huán)流抑制策略，能夠確保并聯(lián)變流器間的載波一直保持同步運行，減小和抑制零序環(huán)流。該策略的基本原理為：變流器在變壓器低壓側(cè)并聯(lián)后，并聯(lián)變流器采集的電網(wǎng)電壓為同一點電壓，因此變流器對電網(wǎng)電壓鎖相獲得電網(wǎng)的相角一致，將鎖相所得相角作為同步信號；在同步信號為0時每臺變流器控制器將載波計數(shù)器強制賦值為同一初始值，保證每臺變流器在每個電網(wǎng)周期進(jìn)行一次自同步，從而實現(xiàn)不同變流器間的載波同步，進(jìn)而對高頻諧波環(huán)流實現(xiàn)抑制。為避免載波同步時載波出現(xiàn)突變，進(jìn)而影響輸出電流波形，載波同步所賦初始值需根據(jù)變流器載波頻率和電網(wǎng)頻率進(jìn)行核定，核定方法如公式（6）所示。

其中，C為載波計數(shù)器初始值，Tc為載波周期寄存器值。

上述同步信號產(chǎn)生原理如圖3所示。

圖3 同步信號產(chǎn)生原理圖

并聯(lián)變流器載波自同步流程如圖4所示。

圖4 并聯(lián)變流器載波自同步流程圖

由于系統(tǒng)并聯(lián)的每臺儲能變流器都是按照上述方法來決定PWM載波計數(shù)器強制初始值，以便保證一個電網(wǎng)工頻周期內(nèi)的PWM載波計數(shù)器會得到同步，通過上述方法可以實現(xiàn)每個電網(wǎng)周期并聯(lián)的每臺儲能變流器的PWM載波計數(shù)器值會從同一數(shù)值開始計數(shù)，從而實現(xiàn)PWM載波自動同步控制。

3 仿真與試驗

3.1 仿真驗證

為了驗證本文所提出的差模諧波環(huán)流抑制方法，使用Matlab/simulink軟件搭建仿真模型，對諧波環(huán)流抑制方法的效果進(jìn)行仿真試驗，仿真模型如圖5所示，仿真參數(shù)見表2。

表2 變流器仿真參數(shù)表

圖5 變流器多機并聯(lián)環(huán)流仿真模型

4臺變流器在不加入諧波環(huán)流抑制策略情況并網(wǎng)運行，功率均輸出500kW，觀測變流器輸出電流波形如圖6所示，從電流波形可以看出，并聯(lián)變流器之間存在高頻諧波環(huán)流。

圖6 未加諧波抑制策略時4機并聯(lián)運行電流波形

4臺變流器在加入諧波環(huán)流抑制策略情況并網(wǎng)運行，功率均輸出500kW，觀測變流器輸出電流波形如圖7所示，從電流波形可以看出，加入諧波環(huán)流抑制策略后并聯(lián)變流器之間的高頻諧波環(huán)流得到了有效抑制。

圖7 加諧波抑制策略時4機并聯(lián)運行電流波形

3.2 試驗驗證

在仿真驗證的基礎(chǔ)上，對本文所提出的差模諧波環(huán)流抑制方法，使用雙機并聯(lián)試驗平臺進(jìn)行了對比實驗驗證，實驗使用兩臺500kW變流器，其主回路拓?fù)浼皡?shù)與仿真模型一致，實驗系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 雙機并聯(lián)運行試驗環(huán)境

2臺變流器在不加入諧波環(huán)流抑制策略情況并網(wǎng)運行，使用示波器觀測變流器輸出電流波形如圖9所示，從電流波形可以看出，并聯(lián)變流器之間存在高頻諧波環(huán)流。

圖9 未加諧波抑制策略時雙機并聯(lián)運行電流波形

2臺變流器在加入諧波環(huán)流抑制策略情況并網(wǎng)運行，示波器觀測變流器輸出電流波形如圖10所示，從電流波形可以看出，加入諧波環(huán)流抑制策略后并聯(lián)變流器之間的高頻諧波環(huán)流得到了有效抑制。

圖10 加諧波抑制策略時雙機并聯(lián)運行電流波形

4 結(jié)束語

本文針對儲能變流器多機并聯(lián)技術(shù)應(yīng)用于新能源儲能電站系統(tǒng)中，由于非隔離特性導(dǎo)致儲能變流器間諧波環(huán)流問題，建立了多臺并聯(lián)變流器諧波環(huán)流等效模型，基于此模型對多機并聯(lián)諧波環(huán)流特性進(jìn)行了分析，諧波環(huán)流是由各個儲能變流器開關(guān)暫態(tài)差異導(dǎo)致的。因此，抑制諧波環(huán)流的方法既可以從源頭入手即采用基于載波同步控制的諧波環(huán)流抑制方法，消除儲能變流器開關(guān)的不同步，也可在傳遞通道進(jìn)行處理，該方法可以分為采用輸出增加電纜構(gòu)成LCL濾波或增加串聯(lián)諧振LC支路的濾波結(jié)構(gòu)。改進(jìn)濾波器結(jié)構(gòu)來抑制諧波環(huán)流會增加系統(tǒng)成本，在工程上不具備優(yōu)勢，本文提出一種基于PWM載波自同步的諧波環(huán)流抑制策略，該方法通過變流器各自對電網(wǎng)電壓鎖相產(chǎn)生自同步信號，借助自同步信號實現(xiàn)對PWM載波的同步，進(jìn)而對因載波不同步引起的變流器間高頻諧波環(huán)流進(jìn)行抑制，最后通過仿真和試驗驗證了該方法的有效性。