超級電容器儲能逆變器控制策略研究

李寧寧，師長立,2，何俊強,2，張國偉

(1中國科學院電工研究所，北京 100190；2中國科學院大學，北京 100049)

儲能逆變器主要用于離網帶載和并網的整流與逆變。對于三相線性平衡負載，普通三相三橋臂逆變器就能滿足需求，但在許多情況下，如帶不平衡或者非線性負載時，就要求輸出具有中線端，即三相四線輸出。常用方案如文獻[1-3]：①在三橋臂結構輸出端加一個Y/△變壓器；②用三個單相逆變器組合成一個三相逆變器；③分裂電容逆變器；④采用三相四橋臂逆變器。除采用以上拓撲外，還需要配合適當的控制算法，主要思想是通過對輸出電壓或電流發正、負、零序分量的控制實現[1]。如文獻[4]在正序旋轉軸和負序旋轉軸下分別通過PI控制，抑制負載不平衡帶來的輸出電壓不平衡，但在諧波抑制方面較弱。文獻[5]采用重復控制，實現了不平衡和非線性負載下較好的電壓輸出效果，但是在不平衡負載較重時，分裂電容電壓波動較大，不平衡抑制效果會明顯降低。

本文通過連接超級電容器和儲能逆變器的DC/DC雙向變換器，控制電容中點電壓波動，實現對輸出電壓或并網電流的不平衡與諧波失真的抑制，并在一臺三相儲能逆變器上實驗驗證。

1 儲能逆變器拓撲

超級電容器大功率輸出能力強、能量轉換效率高，但是儲能較少，且在充放電過程中，端電壓會隨著儲能量的變化而變化。

如果把超級電容器直接接在逆變器的直流母線上，即如圖1所示，則需要串聯足夠的超級電容器滿足母線電壓需求，并會帶來很大的功率容量浪費。

圖1 超級電容器組與逆變器直連方式Fig.1 Direct connection between super capacitor and inverter

本文結合超級電容器儲能特點和儲能逆變器三相四線的結構需求，在分裂電容式逆變器的基礎上，在超級電容器組和逆變器直流母線之間添加DC/DC雙向BUCK/BOOST變換器，構成儲能逆變器的主電路拓撲，如圖2中虛線框內所示，超級電容器組位于DC/DC雙向變換器的低壓側，通過兩組DC/DC雙向變換器連接儲能逆變器的直流母線電容，第一是降低了功率器件的耐壓，使功率器件的選擇更經濟和便利；第二是提高了超級電容器的利用率，提高儲能的經濟性；第三是可以通過對DC/DC雙向變換器的控制，從而控制逆變器直流母線電壓，提升儲能逆變器的控制效果和輸出性能，提高其帶不平衡和非線性負載的能力。

2 直流母線電容中點電壓

圖2 超級電容器加DC/DC雙向變換器結構Fig.2 Structure of DC/DC bidirectional converter with super-capacitor

如圖2分裂式逆變器部分所示，設橋臂上管的導通占空比為d，下管的導通占空比為1-d，則有式（1）

采用調制比為m（0≤m≤1）的正弦波msin(ωt)進行調制，如圖3所示，有

直流母線電壓（e1+e2）一般為恒定值設為E，并設有

由式（3）可知，電容中點的電壓波動影響逆變器的三相電壓輸出。

分裂電容三相四線逆變器在負載不平衡或者電壓中含有零序諧波時，會有電流進入中線，對連接的電容充放電，從而造成兩個電容電壓不再相等，而是工作在互補的充放電狀態，使電容中點電壓波動。

圖3生成SPWM波形的規則采樣法Fig.3 Regular sampling method for SPWM

2.1 不平衡負載引起波動

直流母線電容C1、C2的電壓e1、e2與中線電流iN關系為：

從圖2中可知：

式中，Yx（x=a,b,c）為各相橋臂中點到O點之間的導納。

聯立式（3）、（5）、（6），解得

式中，復頻率s=jω；旋轉因子π，是工程上為了方便而引入的單位相量算子。

式（7）表明，電容中點波動電壓的相位滯后三相負載導納相量和約90°。

2.2 零序諧波電壓引起波動

在三相三線連接中零序諧波電流會自然受到抑制，所以較少受到關注，但是在三相四線連接中不論是孤島時的帶交流負載還是并網時的整流逆變中，零序諧波電壓與零序諧波電流不容忽視，并且零序諧波在d軸和q軸中難以得到抑制。

由于零序諧波在各相中相位一致，設如式（8）所示，每項疊加Asin(3kωt)（k=1,2,3……）的零序諧波。

與不平衡時相同方法推導可得

3 電容中點電壓對輸出電壓影響

本節分析電容中點的電壓波動對逆變器的三相電壓輸出不平衡和零序諧波的影響。

3.1 不平衡負載對輸出電壓的影響

由式（7）可知，負載不對稱時會引起電容中點電壓波動，不妨設A相重載，B、C相輕載，則-Δe相位超前A相約90°，由圖4可以看出，電容中點電壓的波動引起了三相橋臂中點輸出電壓的不平衡。

一般分析中認為逆變器輸出電壓不平衡是由內阻導致，見式（10）

三相橋臂中點電壓不平衡與內阻壓降導致的不平衡疊加，加劇了最終輸出電壓的不平衡，如式（11）和圖4所示。

3.2 輸出電壓中零序諧波的影響

從式（8）可知，輸出電壓中的零序諧波為Δe+Asin(3kωt)，將式（9）代入得零序諧波分量為

在逆變器中由于內阻和功率限制，一般4j3kωCdc>>Ya+Yb+Yc，所以電容中點電壓波動影響未加劇零序諧波。

4 輸出電壓不平衡和零序的抑制

從式（8）和（11）可以看出，在閉環控制中，如果僅通過調節調制比m抑制Kx和Δe帶來的不平衡與零序諧波，Δe又是m的函數，實際中往往效果不理想。

圖4 不平衡電壓相量示意圖Fig.4 Unbalanced voltage phasor diagram

在圖2選用的超級電容器儲能拓撲結構中，分裂電容的中點電壓可控，所以可以在文獻[6]平衡兩個電容電壓的基礎上更進一步，控制電容中點電壓的波動，使其引起的不平衡和零序諧波抑制原來的不平衡與零序諧波。

如由式（8）可知，當Δe=-Asin(3kωt)時可以抑制三相電壓中的零序諧波。由式（11）可知，當時，三相輸出電壓和為零，但此時三相相位差卻不是120°，再通過調制比m的閉環調節共同作用可以有效抑制輸出電壓的不平衡。所以以三相輸出電壓和為零作為控制目標控制電容中點電壓波動，可以有效抑制輸出電壓中的不平衡和零序諧波。

如圖5所示為該控制策略的實現框圖，其中e'1與e'2分別為直流母線上下電容電壓的給定值。該框圖中以三相輸出電壓和為反饋，給定為零，經過調節器生成電容中點電壓波動給定值，與電容直流電壓E/2合成之后生成上下電容電壓的給定，分別控制上下DC/DC雙向變換器。

5 并網電流不平衡和零序抑制

在逆變器并入電網后，以控制并網電流為目標，如式（13）所示。

Vxo中分量Δe生成的電流可以抵消電網電壓不平衡和含有零序諧波時注入到逆變器中的負序和零序分量。

該控制策略的實現框圖也可用圖5所示框圖結構，只是并網后以控制并網電流為主要目標，需要的反饋量是三相并網電流之和，如圖6所示。以三相并網電流和為反饋，給定為零，經過調節器生成電容中點電壓波動給定值，與電容直流電壓E/2合成之后生成上下電容電壓的給定，分別控制上下DC/DC雙向變換器。

6 仿真分析

仿真參數為Cdc=5000 uF，Lf=0.6 mH，rf=0.6 Ω，Cf=60 μF，調制比m=0.89，A相帶載15 kW，B、C相空載，圖4也為該參數下相量圖示意圖，圖7(a)上圖為直流母線電容C1、C2的電壓波動，下圖為輸出A相輸出電壓和中線電流，可以看出中線電流導致的電壓波動與圖4中所示相位關系一致。

圖5 電壓中點控制策略實現框圖Fig.5 Block diagram of voltage neutral point control strategy

圖6 電流零序諧波抑制實現框圖Fig.6 Block diagram of current zero-sequence harmonic suppression

圖7(b)上圖為橋臂中點電壓的基波分量，可以看出，A相帶載，使B相電壓降低與C相電壓升高，下圖為逆變器內阻影響下的輸出電壓，A相電壓降低一定比例，可以看出與圖4相量圖中分析一致。

圖7 不平衡負載未使用中點電壓控制策略時仿真Fig.7 Simulation of unbalanced load without neutral-point voltage control strategy

圖8 不平衡和諧波的補償Fig.8 Compensation for unbalance and harmonics

圖8(a)為使用本文控制策略對不平衡抑制結果，圖8(b)仿真中，在輸出端加入3次諧波電流擾動，前50 ms為三次電壓諧波未抑制狀態，后50 ms為三次諧波抑制后的效果。可見該控制策略有效。

7 實驗驗證

采用本文控制策略，在80 kVA的樣機上進行了實驗，直流側超級電容器電壓為500 V，直流母線電壓為700 V，其余參數與圖4相量圖相同，采用TI公司的TMS320F28335做為控制芯片。

圖9 不平衡抑制對比Fig.9 Unbalanced controlled results comparison

圖10 零序諧波抑制對比Fig.10 Comparison of zero-sequence harmonic controlled results

圖9(a)為單相帶載16.6 kW的極端不平衡情況下，未進行不平衡抑制時的電壓波形，發現電壓不平衡很嚴重，并且與前面理論分析和仿真吻合。經過不平衡抑制，電壓波形如圖9(b)所示，不平衡抑制效果顯著，并且諧波也明顯降低。

圖10為超級電容器儲能逆變器以40 kW功率并網時的并網電流情況，由于在d軸和q軸中不能抑制零序，所以如圖10(a)所示，并網電流中3次諧波含量比較大，經過零序諧波抑制后并網電流波形如圖10(b)所示，可見THD明顯下降。

8 結 論

本文根據分裂電容逆變器中點電壓波動對輸出電壓的影響，結合超級電容器DC/DC雙向變換器結構給出的統一的控制策略，使逆變器在離網和并網狀態下都可以抑制不平衡和零序諧波，在輸出電壓不平衡抑制和并網電流諧波抑制實驗中均表明該控制策略有效。