一種基于電壓過零點的差模諧波環流抑制方法研究

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。為了實現碳達峰、碳中和的目標，國家能源局和國家發改委大力支持新能源光伏、風電產業發展。未來10年之內，風電產業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、風電項目強制配置儲能，光伏和風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，由于儲能系統硬件基于光伏逆變器改進，儲能系統價格需持續降低。

為降低系統成本并提升儲能轉換效率，儲能變流器往往采用三電平結構和LC濾波方式，儲能升壓變壓器采用雙繞組結構，這就需要儲能變流器在變壓器低壓側并聯，實現多機并聯運行。然而變流器多機并聯并網運行時，輸出電壓除基波外，還含有部分高次諧波，無法實現各變流器并網輸出電壓精確相同，雖然變流器直流側未直接連接，但在并聯狀態下變流器將通過差模回路間產生高頻諧波環流。產品的高次諧波將增加整個儲能系統損耗，影響儲能變流器乃至儲能電池等元器件壽命，還可能產生嚴重的電磁干擾，限制整套系統容量的增加。

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

1 多機并聯諧波環流特性分析

儲能變流器多機交流側并聯時，由于成本問題，每臺變流器交流側往往采用LC濾波回路，缺少網側阻抗。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流。以2臺儲能變流器交流側并聯為例，基于諧波環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電壓，可認為Un0相同。

圖1 多臺并聯變流器諧波環流等效模型

依據圖1所示的模型和變流器開關暫態分析，在不考慮電網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流的形態。即：

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

表1 變流器開關暫態與環流關系

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

狀態I：

1#變流器1管導通、2#變流器1管斷開，

狀態Ⅱ：

1#變流器、2#變流器1管都斷開，

狀態Ⅲ：

1#變流器1管斷開、2#變流器1管導通，

狀態Ⅳ：

1#變流器和2#變流器1管都導通，

根據以上表達式，可得出多臺變流器的開關器件1管Sa1_i在不同狀態時，1＃儲能變流器的輸出電流如圖2所示。可見，差模環流主要是由于開關頻率高頻諧波構成，如果忽略兩臺儲能變流器直流側電壓的差異，紋波環流全部是由于兩臺儲能變流器開關動作的不同步導致的。進而結合開關器件調制，可以得出不同交流電網角度以及載波交錯角度下紋波環流的峰值。

圖2 儲能變流器開關暫態和紋波形態示意圖

2 基于PWM載波自同步的諧波環流抑制策略

針對變流器并聯引起的諧波環流，可通過輸出采用LCL結構濾波器、輸出增加串聯LC支路、基于互聯線的載波同步等方案抑制，但現有方案均會增加系統硬件成本，影響設備的市場競爭力。

為解決上述面臨的問題，本文提出基于PWM載波自同步諧波環流抑制策略，能夠確保并聯變流器間的載波一直保持同步運行，減小和抑制零序環流。該策略的基本原理為：變流器在變壓器低壓側并聯后，并聯變流器采集的電網電壓為同一點電壓，因此變流器對電網電壓鎖相獲得電網的相角一致，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器強制賦值為同一初始值，保證每臺變流器在每個電網周期進行一次自同步，從而實現不同變流器間的載波同步，進而對高頻諧波環流實現抑制。為避免載波同步時載波出現突變，進而影響輸出電流波形，載波同步所賦初始值需根據變流器載波頻率和電網頻率進行核定，核定方法如公式（6）所示。

其中，C為載波計數器初始值，Tc為載波周期寄存器值。

上述同步信號產生原理如圖3所示。

圖3 同步信號產生原理圖

并聯變流器載波自同步流程如圖4所示。

圖4 并聯變流器載波自同步流程圖

由于系統并聯的每臺儲能變流器都是按照上述方法來決定PWM載波計數器強制初始值，以便保證一個電網工頻周期內的PWM載波計數器會得到同步，通過上述方法可以實現每個電網周期并聯的每臺儲能變流器的PWM載波計數器值會從同一數值開始計數，從而實現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流抑制方法，使用Matlab/simulink軟件搭建仿真模型，對諧波環流抑制方法的效果進行仿真試驗，仿真模型如圖5所示，仿真參數見表2。

表2 變流器仿真參數表

圖5 變流器多機并聯環流仿真模型

4臺變流器在不加入諧波環流抑制策略情況并網運行，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，并聯變流器之間存在高頻諧波環流。

圖6 未加諧波抑制策略時4機并聯運行電流波形

4臺變流器在加入諧波環流抑制策略情況并網運行，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，加入諧波環流抑制策略后并聯變流器之間的高頻諧波環流得到了有效抑制。

圖7 加諧波抑制策略時4機并聯運行電流波形

3.2 試驗驗證

在仿真驗證的基礎上，對本文所提出的差模諧波環流抑制方法，使用雙機并聯試驗平臺進行了對比實驗驗證，實驗使用兩臺500kW變流器，其主回路拓撲及參數與仿真模型一致，實驗系統如圖8所示。

圖8 雙機并聯運行試驗環境

2臺變流器在不加入諧波環流抑制策略情況并網運行，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，并聯變流器之間存在高頻諧波環流。

圖9 未加諧波抑制策略時雙機并聯運行電流波形

2臺變流器在加入諧波環流抑制策略情況并網運行，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，加入諧波環流抑制策略后并聯變流器之間的高頻諧波環流得到了有效抑制。

圖10 加諧波抑制策略時雙機并聯運行電流波形

4 結束語

本文針對儲能變流器多機并聯技術應用于新能源儲能電站系統中，由于非隔離特性導致儲能變流器間諧波環流問題，建立了多臺并聯變流器諧波環流等效模型，基于此模型對多機并聯諧波環流特性進行了分析，諧波環流是由各個儲能變流器開關暫態差異導致的。因此，抑制諧波環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流抑制方法，消除儲能變流器開關的不同步，也可在傳遞通道進行處理，該方法可以分為采用輸出增加電纜構成LCL濾波或增加串聯諧振LC支路的濾波結構。改進濾波器結構來抑制諧波環流會增加系統成本，在工程上不具備優勢，本文提出一種基于PWM載波自同步的諧波環流抑制策略，該方法通過變流器各自對電網電壓鎖相產生自同步信號，借助自同步信號實現對PWM載波的同步，進而對因載波不同步引起的變流器間高頻諧波環流進行抑制，最后通過仿真和試驗驗證了該方法的有效性。