帶諧波補(bǔ)償?shù)腡型三電平并網(wǎng)逆變器控制研究

張國志，施森鑫，魏 力

(1.大港油田電力公司,天津 300280;2.南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇 南京210000)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)、科技的快速發(fā)展，電力電子系統(tǒng)集成化程度越來越高，人們對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性以及電能質(zhì)量的要求也不斷提高[1-2]。非線性負(fù)載的廣泛應(yīng)用會(huì)引起網(wǎng)側(cè)電壓、電流畸變，進(jìn)而造成輸配電設(shè)備故障，如變壓器過熱、電容過載、中性線電流異常、功率因數(shù)及效率變低等[3-4]。為有效解決上述問題，諸多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[5]介紹了有源電力濾波器及其控制策略：有源電力濾波器廣泛應(yīng)用于各種場合，但價(jià)格較高，并不適用于低壓小功率的民用場合。

隨著能源危機(jī)日益嚴(yán)重，以及人們對(duì)低碳生活的追求，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)功率越來越大[6]。諸多文獻(xiàn)介紹了光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制策略[7-8]。實(shí)際上，光伏并網(wǎng)逆變器與有源濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略均比較相似。因此，同時(shí)具有濾波功能的光伏并網(wǎng)逆變器(即多功能并網(wǎng)逆變器)受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。文獻(xiàn)[9]介紹了一種可補(bǔ)償無功功率的多功能光伏并網(wǎng)逆變器。文獻(xiàn)[10]在光伏并網(wǎng)逆變器控制中增加功率因數(shù)調(diào)節(jié)功能。文獻(xiàn)[11]進(jìn)一步提出了具有諧波濾波功能的傳統(tǒng)兩電平光伏逆變器。文獻(xiàn)[12]研究了光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的小信號(hào)穩(wěn)定性，并提出了控制參數(shù)的全局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，能夠有效指導(dǎo)光伏逆變器的多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。

與三相脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)變換器相比，多電平逆變器具有諸多優(yōu)點(diǎn)(如開關(guān)管電壓應(yīng)力小)，因此越來越受到關(guān)注。其中，二極管中點(diǎn)箝位變換器、級(jí)聯(lián)式H橋變換器、T型三電平變換器等器件得到了深入的研究。區(qū)別于其他多電平逆變器，T型三電平變換器具有無需箝位二極管的顯著優(yōu)勢，因此在中低壓、大功率的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、電能質(zhì)量治理以及光伏并網(wǎng)逆變器等多種工業(yè)場合得到了成功應(yīng)用。

為降低用電端引入的諧波畸變對(duì)電網(wǎng)的危害，本文提出了一種帶諧波補(bǔ)償?shù)墓夥⒕W(wǎng)T型三電平變換器的控制策略，并進(jìn)行了仿真試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 T型三電平并網(wǎng)逆變器拓?fù)?/h2>

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of grid-connected photovoltaic power system

光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖1(a)所示，包括光伏陣列、直流/直流(direct current/direct current,DC/DC)變換器、T型三電平并網(wǎng)逆變器、網(wǎng)側(cè)濾波器、電網(wǎng)、負(fù)載等部分。T型三電平變換器的結(jié)構(gòu)拓?fù)淠壳肮灿袃煞N，即開關(guān)管共集電極的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及開關(guān)管共發(fā)射極的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[13-14]。本文采用了目前應(yīng)用較多的共發(fā)射極相連的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。T型三電平并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。

2 逆變器諧波補(bǔ)償控制策略

在圖1(a)所示的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列與DC/DC變換器的發(fā)電控制策略采用了經(jīng)典的最大功率跟蹤策略。由于本文主要討論帶諧波補(bǔ)償?shù)腡型三電平并網(wǎng)逆變器控制策略，故不再贅述光伏陣列與DC/DC變換器的控制策略。詳細(xì)內(nèi)容可查閱文獻(xiàn)[15]。

假設(shè)三相電網(wǎng)電壓的有效值分別為Uga、Ugb、Ugc，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸入到電網(wǎng)的三相電流瞬時(shí)值分別為ipa(t)、ipb(t)、ipc(t)，則由光伏陣列的輸出功率PPV可計(jì)算并入電網(wǎng)的三相電流，即：

(1)

式中：ipa(t)、ipb(t)、ipc(t)分別為ABC三相坐標(biāo)系下光伏發(fā)電系統(tǒng)輸入到電網(wǎng)的三相電流瞬時(shí)值；Uga、Ugb、Ugc分別為ABC三相坐標(biāo)系下三相電網(wǎng)電壓有效值；PPV為光伏陣列輸出功率；θ為電網(wǎng)電壓矢量的實(shí)時(shí)相位角。

為了建立以電網(wǎng)電壓矢量為d軸的兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系，利用鎖相環(huán)技術(shù)來獲取電網(wǎng)電壓矢量的實(shí)時(shí)相位角θ[16]，并以此為基礎(chǔ)將電網(wǎng)的三相電流轉(zhuǎn)換為該dq坐標(biāo)系下的電流。對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換公式可表示為[12]：

(2)

式中：T為ABC三相坐標(biāo)系變換到dq坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換公式。

因此，式(1)所示的電網(wǎng)輸入電流在dq坐標(biāo)系下的分量ipd(t)、ipq(t)可表示為：

(3)

式中：ipd(t)、ipq(t)分別為dq坐標(biāo)系下電網(wǎng)輸入電流。

三相負(fù)載電流iLa(t)、iLb(t)、iLc(t)可通過電流傳感器進(jìn)行測量，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為dq坐標(biāo)系下的電流iLd(t)、iLq(t)。對(duì)應(yīng)的變換公式可表示為：

(4)

式中：iLa(t)、iLb(t)、iLc(t)分別為ABC三相坐標(biāo)系下負(fù)載電流；iLd(t)、iLq(t)分別為dq坐標(biāo)系下電流。

在含有非線性負(fù)載的運(yùn)行工況下，負(fù)載電流包含了諧波分量。為了實(shí)現(xiàn)諧波補(bǔ)償功能，需要首先對(duì)諧波電流分量進(jìn)行準(zhǔn)確提取[17]。本文采用自校正濾波器算法實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。

首先，采用自校正濾波器算法，將負(fù)載電流的基波分量iLd-f(s)、iLq-f(s)表示為：

(5)

式中：iLd-f(s)、iLq-f(s)分別為dq坐標(biāo)系下負(fù)載電流基波分量；ω為電流的角頻率。

則負(fù)載電流中的諧波分量iLd-h(s)、iLq-h(s)可表示為：

(6)

式中：iLd-h(t)、iLq-h(t)分別為dq坐標(biāo)系下負(fù)載電流中諧波分量。

(7)

(8)

并網(wǎng)逆變器輸出電流的誤差Δica(t)、Δicb(t)、Δicc(t)可表示為：

(9)

式中：Δica(t)、Δicb(t)、Δicc(t)分別為ABC三相坐標(biāo)系下并網(wǎng)逆變器輸出電流誤差。

根據(jù)上述主要步驟，即可得到具有諧波補(bǔ)償功能的T型三電平并網(wǎng)逆變器控制策略。T型三電平光伏并網(wǎng)逆變器控制框圖如圖2所示。其中，T型并網(wǎng)逆變器采用了經(jīng)典的空間矢量脈沖寬度調(diào)制(space vector pulse width modulation,SVPWM)策略[18]，以提高并網(wǎng)逆變器的直流電壓利用率。

圖2 T型三電平光伏并網(wǎng)逆變器控制框圖Fig.2 Control block diagram of T-type three-level photovoltaic grid-connected inverter

3 仿真結(jié)果及分析

為驗(yàn)證本文提出的控制策略的有效性，基于Matlab/Simulink平臺(tái)搭建了仿真模型。仿真模型參數(shù)如表1所示。表1中，Uga、Ugb、Ugc分別為三相電網(wǎng)電壓的有效值;f為電網(wǎng)頻率;Lc為網(wǎng)側(cè)濾波電感感值；Zl為線路阻抗;ZL1為線性負(fù)載阻抗;ZL2為非線性負(fù)載阻抗。

表1 仿真模型參數(shù)Tab.1 Simulation model parameters

T型三電平光伏并網(wǎng)逆變器處于不工作狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電流波形如圖3所示。圖3中，0～0.2 s之間無負(fù)載接入電網(wǎng)；0.2 s切入了線性負(fù)載；接著在0.4 s時(shí)又切入了非線性負(fù)載，因此電流中增加了諧波分量。

圖3 負(fù)載電流波形Fig.3 Load current waveform

光伏發(fā)電系統(tǒng)處于工作狀態(tài)下，T型三電平并網(wǎng)逆變器不帶諧波補(bǔ)償功能時(shí)并網(wǎng)電流波形如圖4所示。

圖4 不帶諧波補(bǔ)償功能時(shí)并網(wǎng)電流波形Fig.4 Grid-connected current waveforms without harmonic compensation function

光伏發(fā)電系統(tǒng)在工作狀態(tài)下，T型三電平并網(wǎng)逆變器帶諧波補(bǔ)償功能時(shí)的并網(wǎng)電流波形如圖5所示。

對(duì)比圖4和圖5可知，在相同的非線性負(fù)載工況下，與不帶補(bǔ)償功能的逆變器相比，帶有諧波補(bǔ)償功能的T型三電平并網(wǎng)逆變器輸出電流中包含諧波電流補(bǔ)償分量，電網(wǎng)側(cè)電流波形畸變減小，諧波含量明顯降低。由此，可證實(shí)本控制策略的有效性。

圖5 帶諧波補(bǔ)償功能時(shí)并網(wǎng)電流波形Fig.5 Grid-connected current waveforms with harmonic compensation function

4 結(jié)論

本文提出了一種帶有諧波補(bǔ)償功能的T型三電平并網(wǎng)逆變器控制策略。該策略采用自校正濾波器方法計(jì)算了負(fù)載電流中的基波電流與諧波電流，從而獲得T型三電平并網(wǎng)逆變器的輸出電流參考值，并進(jìn)一步得到并網(wǎng)逆變器輸出電流的誤差，最終通過SVPWM控制策略決定逆變器的開關(guān)導(dǎo)通序列。Matlab/Simulink仿真結(jié)果表明：該控制策略兼有光伏并網(wǎng)與有源濾波雙重功能，能有效抑制非線性負(fù)載引入的諧波電流成分、明顯改善并網(wǎng)電流的波形質(zhì)量，進(jìn)而節(jié)省電力濾波器的安裝成本。該研究對(duì)于T型三電平并網(wǎng)逆變器的推廣應(yīng)用具有重要的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。