并聯T型三電平儲能變流器零序環流抑制

陳 剛， 蔣順平, 丁 勇, 李 旭, 石祥建, 劉為群

(1. 國網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T型三電平儲能變流器零序環流抑制

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)

針對共享交、直流母線的T型三電平儲能變流器并聯系統零序環流問題，建立并聯T型三電平儲能系統零序環流等效模型，并根據激勵源的不同，把零序環流分為通態零序環流、開關零序環流、混合零序環流3類。首先采用一種共享直流中點方案抑制通態零序環流，其次通過一種改進型LCL濾波器方案抑制開關零序環流和混合零序環流中的高頻分量，然后提出一種基于比例諧振控制的零序調制波疊加控制方案抑制開關零序環流和混合零序環流中的低頻分量，最后搭建500 kW的 T型三電平儲能變流器并聯仿真系統。仿真結果證明了文中提出的零序環流抑制策略的正確性。

T型三電平; 并聯; 儲能變流器; 零序環流; 比例諧振控制

0 引言

隨著可再生能源發電的快速增長，儲能系統在緩解用電供需矛盾、提高電網安全、改善供電質量等方面發揮著重要作用[1，2]。作為連接儲能裝置和電網的關鍵設備，儲能變流器 (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體器件電流應力的情況下，通過并聯增大系統容量， 提高系統的運行效率。并聯系統中PCS之間共享交、直流母線，因此并聯系統中存在環流問題。環流分為零序環流[4]和非零序環流2種成分，采用LCL濾波器拓撲[5]且帶有電流內環控制的系統環流主要為零序環流，非零序環流可以忽略不計。零序環流會導致系統內部電流分配不均，影響系統可靠性，同時也會增大損耗，引起并網電流畸變，減小IGBT開關管壽命[6，7]。因此，對并聯系統中零序環流分析和抑制的研究意義重大。

國內外學者對環流進行了廣泛的研究。文獻[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零序分量模型，分析了其對零序環流的抑制作用，但這種結構電感和變壓器增加了系統的體積、成本和損耗；文獻[9，10]采取非線性控制的方法來抑制零序環流，但是這種控制實現復雜，難以投入工程應用；文獻[11，12]提出了采用基于調節因子法的零序環流控制器來抑制零序環流低頻分量，但零序環流低頻分量主要集中在3倍頻，直流分量含量很小，采用PI控制器對零序環流的抑制效果有限；文獻[13-15]基于空間矢量脈寬調制(SVPWM)，通過控制中零矢量的時間來實現零序環流抑制，但由于中零矢量作用時間少，控制比較困難。

文中提出了一種多機T型三電平儲能PCS系統，并聯PCS間共享交、直流母線。通過對零序環流模型的推導和分析，把零序環流分為通態零序環流、開關零序環流和混合零序環流3類，并對3類零序環流分別提出了相應的抑制方法，最后對500 kW儲能PCS并聯系統進行仿真，驗證了抑制策略的正確性。

1 零序環流的模型和分類

1.1 零序環流模型

圖1為n個共交、直流母線并聯的T型三電平儲能PCS系統，采用LCL濾波器結構。其中L為 橋臂濾波電感，Lg為網側濾波電感，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相電網電壓，O為電網中性點；P，N分別為直流側正、負母線，Udc為直流側母線電壓；UPk和UNk分別為儲能變流器k直流側正、負母線電壓；Ok為儲能變流器k的直流中性點；其中，J = A,B,C；j= a,b,c；k=1,2,...,n。

以儲能變流器k為例，根據基爾霍夫電壓定律，建立T型三電平PCS的三相并網回路方程為：

(1)

式(1)中：uJkN為變流器k的J相橋臂對負母線的輸出電壓；iJk為變流器k的J相橋臂電流；ijk為變流器k的j相網側輸出電流；uON為電網中性點和負直流母線之間的電壓。

由于濾波電容支路電流和為0，根據零序環流定義，可以得出并聯PCS系統中第k個變流器零序環流的表達式：

(2)

式(2)中：izk為變流器k的零序環流表達式。

對于三相對稱系統，ea+eb+ec=0，結合式(1)和(2)可得：

(3)

由式(3)可以得到多臺PCS并聯系統的零序環流等效模型，如圖2所示。

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

根據戴維南定律對圖2模型進行簡化，得出零序環流的簡化等效模型，如圖3所示。

圖3 零序環流簡化模型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，表達式為：

(4)

根據圖3可以得出變流器k在復頻域上的表達式為：

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

(5)

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

(6)

由式(6)可以看出，并聯PCS系統中第k個變流器的零序環流傳遞函數為一階系統，橋臂濾波電感L和網側濾波電感Lg對零序環流有影響，但零序環流激勵源的表達式比較復雜，不適用于零序環流抑制方法的針對性設計。

1.2 零序環流分類

定義開關函數SJk表示變流器k的J相橋臂開關狀態，可以得出其三相橋臂輸出電壓的開關函數表達式：

(7)

式(7)中：ΔUk=UPk-UNk，表示變流器k的正負母線電容電壓之差。

由式(7)可得：

(8)

將式(8)代入式(6)可以得出變流器k零序環流激勵源關于其開關函數的表達式為：

(9)

由式(9)可以看出，并聯系統中變流器k的零序環流由3種不同成分組成。

(1) 通態零序環流，即：

(10)

由式(10)得出通態零序環流激勵源和并聯PCS間的中點電位之差有關。

(2) 開關零序環流，即：

(11)

由式(11)得出開關零序環流激勵源由并聯PCS之間開關狀態不一致導致。

(3) 混合零序環流，即：

(12)

由式(12)得出混合零序環流激勵源由并聯PCS之間中點電位差和開關狀態不一致共同產生。

2 零序環流抑制

結合1.2節所述，根據零序環流激勵源的不同，零序環流可以分為通態零序環流、開關零序環流和混合零序環流3類。不難看出，開關零序環流與混合零序環流在數學模型上和通態零序環流存在本質區別，兩者都受開關函數SJk的影響，在環流成分上均含有高頻分量和低頻分量。因此，本文把環流抑制分為通態零序環流抑制，開關、混合零序環流高頻分量抑制和開關、混合零序環流低頻分量抑制3個方面。

2.1 通態零序環流抑制

當并聯系統中PCS均處于并網發電狀態時，相互間調制度和功率因數非常接近，變流器中點電位差很小，此時通態環流激勵源很小。但是在變流器啟機的瞬間，受電容、分壓電阻等參數的影響，變流器和并網狀態的變流器差異較大，此時會產生很大的瞬間通態零序環流[17]。為了消除中點電位差，本文采用共享變流器間的直流中點方案。此時通態零序環流的通路如圖4所示。

圖4 共享中點后通態零序環流通路Fig.4 Loops of conduction zero-sequence circulating current sharing neutral buses

共享中點使得并聯系統中變流器之間中點電位相等，從根本上消除了通態零序環流激勵源，該方案容易實現且成本低。

2.2 開關、混合零序環流高頻分量抑制

文獻[11]指出載波不同步是產生零序環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的帶寬，很難通過控制來對其進行抑制，因此，針對零序環流的高頻分量，文中采用儲能變流器LCL濾波器濾波電容中點回遷至直流母線中點的拓撲結構，使得各儲能變流器濾波電容中性點到直流母線中點多出了一條共模回路，導致變流器側和網側電流和不再相等，此時變流器k的零序環流表達式為：

(13)

式(13)中：i0k為變流器k濾波電容中點到直流中點回遷線上的電流。

結合式(1)、式(13)可得：

(14)

根據基爾霍夫電壓定律，對新增的共模回路有如下關系式：

(15)

結合式(14)、式(15)可以得出并聯PCS系統的零序環流等效模型，如圖5所示。

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

根據圖5和式(15)可以得出改進型LCL濾波器并聯系統中變流器k的零序環流復頻域上的表達式：

(16)

對比式(6)、式(16)可以看出改進后系統由一階系統變為三階系統，零序環流傳遞函數Bode圖如圖6所示，對比可知回遷后高頻抑制能力增強。

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

2.3 開關、混合零序環流低頻分量抑制

采用改進型LCL濾波器結構可以有效的抑制零序環流中的高頻分量，但是對低頻分量幾乎沒有抑制作用。本文提出一種準PR控制器對環流低頻分量進行有效抑制。準PR控制器的表達式為：

(17)

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

準PR控制器通過參數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增益，起到了一定的阻尼作用。但是和普通PR控制器相比，準PR控制器的峰值增益(諧振處的增益)對頻率的敏感性大大降低。在諧振頻率附近一定的范圍內(由ωc決定)準PR控制器都具有不錯的增益。為了分析方便，令n=2，可以得出并聯PCS零序環流的傳遞函數為：

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Bode圖，如圖7所示。

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

考慮到得到的零序調制波需要疊加中點電壓平衡控制產生的零序調制波，故本文中設計的PR控制器在滿足抑制效果的前提下諧振峰偏小，以保證系統能夠穩定運行。

由圖7可以看出，在150 Hz處存在諧振峰，很好的對3倍頻分量進行了抑制。

3 仿真驗證

為了驗證文中提出的零序環流抑制方法的可行性，利用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建2臺儲能變流器并聯運行仿真模型。仿真參數：PCS額定容量為500 kW，開關頻率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，參數分別為L=0.1 mH，Lg=0.05 mH，Cf=900 μF。

未采用共享中點方案，PCS1恒功率穩定運行，PCS2投入瞬間，2臺PCS的A相并網電流和零序環流波形如圖8所示。由圖8可以看出，并聯系統瞬間產生很大的通態零序環流，導致PCS的并網電流波形畸變，影響PCS系統性能。采用共享中點方案的仿真波形如圖9所示。由圖9可見PCS2投入瞬間通態零序環流明顯減小，驗證了通態零序環流抑制的有效性。

圖8 共享中點前零序環流波形Fig.8 Waveform of zero-sequence circulating current without sharing neutral buses

圖9 共享中點后零序環流波形Fig.9 Waveform of zero-sequence circulating current with sharing neutral buses

為了驗證LCL中點回遷對零序環流高頻分量的抑制效果，仿真中2臺PCS的載波角差為180°，此時零序環流高頻分量最大。圖10給出了LCL中點回遷前并網電流和零序環流波形，可見并聯系統中零序環流含有很多高頻分量，開關頻率處諧波含量達到7.87%左右，嚴重影響入網電流的波形質量。

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

采用LCL濾波器中點回遷方案，仿真結果如圖11所示，并聯系統中零序環流高頻分量得到有效抑制，開關頻率處諧波含量降低到0.94%左右，很好地改善了入網電流質量。但是仍然存在低頻分量，這是由并網功率不同導致的。

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

仿真中PCS1設定為500 kW恒功率并網運行，PCS2設定為200 kW恒功率并網運行。不加零序環流控制，仿真結果如圖12所示。并聯系統中零序環流含有較大低頻分量，3倍頻處環流分量達到5.67%左右。采用文中提出的低頻環流控制方案后，仿真結果如圖13所示，低頻分量明顯減小，3倍頻處環流分量降低到0.12%左右，入網電流質量取到較大改善，證明了文中提出的低頻環流抑制策略的有效性。

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

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

4 結語

T型三電平拓撲器件少、器件損耗均勻、運行效率高，在儲能變流器中得到大量應用。文中提出了一種多機T型三電平儲能變流器并聯的儲能系統，共交、直流母線的并聯結構存在零序環流問題，需要妥善解決。文中通過建立零序環流等效模型，將零序環流進行分類，并提出零序環流的抑制策略。仿真結果表明，采用共享直流中點方案可以有效抑制通態零序環流，采用LCL濾波器中點回遷方案可以有效抑制開關零序環流和混合零序環流的高頻分量，文中提出的一種準諧振零序環流控制器可以有效抑制開關零序環流和混合零序環流的低頻分量。

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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

國網江蘇省電力公司科技項目“柔直和光儲混聯系統在城市配網中的應用”(J2017086)

TM46

：A

：2096-3203(2017)05-0052-07

陳 剛(1993 —)，男，安徽滁州人，高級工程師，研究方向為配網自動化與新能源發電(E-mail:19653195@qq.com)；

蔣順平(1989 —)，男，安徽合肥人，助理工程師，研究方向為新能源發電應用與控制(E-mail:jiangsp@nrec.com)；

丁 勇(1981 —)，男，江蘇南通人，高級工程師，研究方向為電力系統無功補償及新能源發電(E-mail:dingy@nrec.com)；

李 旭(1986 —)，男，江蘇徐州人，工程師，研究方向為新能源發電應用與控制(E-mail:lixu@nrec.com)；

石祥建(1980 —)，男，江蘇徐州人，高級工程師，研究方向為電力電子在電網中應用技術研究(E-mail:shixj@nrec.com)；

劉為群(1966 —)，男，安徽滁州人，研究員級高級工程師，研究方向為電力電子功率變換技術及應用(E-mail:liuweiqun@nrec.com)。