吳偉亮 楊合民 簡優(yōu)宗 楊海英

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儲(chǔ)能變流器電流雙采樣技術(shù)

吳偉亮1,2楊合民1,2簡優(yōu)宗1,2楊海英1,2

（1. 南瑞集團(tuán)（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，南京 211106；2. 國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

為保證儲(chǔ)能變流器電能質(zhì)量能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，通常需要在儲(chǔ)能變流器與電網(wǎng)之間接入較大體積的LCL濾波器進(jìn)行濾波處理，然而這勢(shì)必造成儲(chǔ)能變流器體積增大和成本增加。本文介紹了一種儲(chǔ)能變流器電流雙采樣技術(shù)，不增加任何硬件資源和成本，而是在一個(gè)采樣周期內(nèi)采樣兩次，然后求取平均值，作為電流內(nèi)環(huán)控制信號(hào)。通過靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了電流雙采樣技術(shù)的性能。該電流雙采樣技術(shù)可以減小低次諧波，尤其是2、4次諧波，對(duì)提高儲(chǔ)能變流器電能質(zhì)量起到一定的作用。

儲(chǔ)能變流器；雙采樣；諧波含量；電能質(zhì)量

隨著儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)儲(chǔ)能裝備的要求越來越高，儲(chǔ)能變流器作為儲(chǔ)能系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備得到了越來越多的重視。但是在儲(chǔ)能變流器并網(wǎng)運(yùn)行過程中，需要保證并網(wǎng)電能質(zhì)量滿足《GB/T 34120—2017 電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能變流器技術(shù)規(guī)范》和《GB/T 14549—1993 電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》要求，通常在儲(chǔ)能變流器與電網(wǎng)之間接入LCL濾波器抑制電流諧波[1-3]，然而這勢(shì)必造成儲(chǔ)能變流器體積增大和成本增加，而且LCL是三階系統(tǒng)，存在諧振問題，系統(tǒng)的帶寬也會(huì)受到限制。

傳統(tǒng)儲(chǔ)能變流器并網(wǎng)電流采樣采用單采樣方式，系統(tǒng)性能指標(biāo)較差，特別是并網(wǎng)空載情況下，電流低次諧波含量較大，對(duì)電網(wǎng)、電氣設(shè)備造成影響[4-11]。

本文提出一種電流雙采樣技術(shù)，不增加任何硬件資源和成本，而是一個(gè)采樣周期內(nèi)采樣兩次，然后求取平均值，作為內(nèi)環(huán)電流閉環(huán)控制信號(hào)。該采樣技術(shù)能夠明顯減小低次諧波，尤其是2、4次諧波，對(duì)提高儲(chǔ)能變流器并網(wǎng)電能質(zhì)量起到一定的作用，避免設(shè)備受到低次諧波干擾，具有較好的實(shí)用性能。

1 儲(chǔ)能變流器雙采樣技術(shù)原理

圖1所示為儲(chǔ)能變流器單采樣和雙采樣的時(shí)序圖。其中同步采樣點(diǎn)為三角載波過零點(diǎn)，中間采樣點(diǎn)為三角載波最高峰值點(diǎn)，ADC采樣為AD芯片采樣觸發(fā)信號(hào)。

圖1 儲(chǔ)能變流器單采樣和雙采樣時(shí)序圖

當(dāng)采用單采樣方式時(shí)，AD采樣只在同步采樣處進(jìn)行采樣操作。當(dāng)采用雙采樣方式時(shí)，AD采樣在同步采樣和中間采樣處分別進(jìn)行采樣操作，然后求取平均值。

當(dāng)控制器采樣周期為、中間采樣點(diǎn)為0.5時(shí)，第1次同步采樣處時(shí)刻為0，第+1次同步采樣處時(shí)刻為。設(shè)基波頻率為50Hz，次諧波信號(hào)的峰值為n，初始相位為n，則三相次諧波信號(hào)可表示為

采用單采樣方式時(shí)，采樣時(shí)間不是連續(xù)的，而是以時(shí)刻周期性采樣，因此次諧波信號(hào)在同步采樣處可表示為

次基波頻率信號(hào)在周期的1/處可表示為

若每個(gè)周期內(nèi)同步采樣處和該周期的1/時(shí)刻處分別采樣，然后求取平均值，則次基波頻率信號(hào)可表示為

本文提出的雙采樣方式，其中為2。

2 單采樣與雙采樣靜態(tài)實(shí)驗(yàn)

儲(chǔ)能變流器的控制頻率和采樣頻率均為2900Hz，因此控制周期和采樣周期均為344.82ms。根據(jù)式（4）可知：

1）采用單采樣方式時(shí)，基波信號(hào)表示為

2）采用雙采樣方式時(shí)，基波信號(hào)表示為

3）采用單采樣方式時(shí)，2900Hz信號(hào)表示為

4）采用雙采樣方式時(shí)，2900Hz信號(hào)表示為

靜態(tài)實(shí)驗(yàn)采用繼電保護(hù)測(cè)試儀產(chǎn)生三相交流信號(hào)，經(jīng)過AD芯片采樣和FPGA芯片數(shù)字處理后，上傳給上位機(jī)。儲(chǔ)能變流器電流采樣硬件截止頻率為2000Hz。

圖2為輸入5A/50Hz交流信號(hào)單采樣和雙采樣波形圖。

圖2 單采樣和雙采樣波形圖（5A/50Hz）

圖3為輸入5A/2900Hz交流信號(hào)單采樣和雙采樣波形圖。

圖3 單采樣和雙采樣波形圖（5A/2900Hz）

由靜態(tài)實(shí)驗(yàn)研究可知，電流采樣硬件截止頻率為2000Hz時(shí)，系統(tǒng)采樣頻率為2900Hz，輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，在頻率為2900Hz下，單采樣和雙采樣的信號(hào)都會(huì)衰減，且雙采樣衰減程度比單采樣衰減程度要大。

3 儲(chǔ)能變流器控制原理

本文在50kW儲(chǔ)能變流器上測(cè)試單采樣和雙采樣兩種方式下電流采樣性能，系統(tǒng)圖如圖4所示。動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)儲(chǔ)能變流器輸入交流電壓為380V/ 50Hz，然后儲(chǔ)能變流器并網(wǎng)，直流電壓控制在700V，系統(tǒng)控制頻率、采樣頻率、開關(guān)頻率均為2900Hz。

圖4 儲(chǔ)能變流器系統(tǒng)圖

儲(chǔ)能變流器用于調(diào)節(jié)直流電容上的直流電壓。采用電網(wǎng)電壓矢量定向的方法，正序的電網(wǎng)電壓由PLL鎖相環(huán)定向到d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸上。

根據(jù)儲(chǔ)能變流器數(shù)學(xué)模型，實(shí)際的控制電壓如下方程所示：

儲(chǔ)能變流器d-q同步坐標(biāo)系中的雙閉環(huán)PI控制系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

電流反饋和電流控制器構(gòu)成內(nèi)環(huán)，電流PI調(diào)節(jié)器的輸出只是控制電壓的一部分，再加上電流狀態(tài)反饋和電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的前饋補(bǔ)償，構(gòu)成了完整的控制電壓d和q，控制電壓經(jīng)過SVPWM調(diào)制后產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)送到變換器主電路，產(chǎn)生實(shí)際所需的交流側(cè)控制電壓。

4 單采樣與雙采樣動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

圖6為儲(chǔ)能變流器并網(wǎng)空載情況下單采樣和雙采樣模塊電流波形及電流FFT。

圖6 并網(wǎng)空載情況下模塊電流波形及電流FFT

圖7為儲(chǔ)能變流器并網(wǎng)電流Q軸給定-40A情況下單采樣和雙采樣模塊電流波形及電流FFT。

表1為儲(chǔ)能變流器并網(wǎng)空載情況下基波和諧波含量。

圖7 并網(wǎng)IQ=-40A情況下模塊電流波形及電流FFT

表1 并網(wǎng)空載情況下基波和諧波含量（A）

表2為儲(chǔ)能變流器并網(wǎng)電流Q軸給定-40A情況下基波和諧波含量。

表2 并網(wǎng)IQ=-40A情況下基波和諧波含量（A）

從圖6、圖7中的FFT信息和表1、表2中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)采用雙采樣時(shí)，模塊電流中2、4次諧波含量明顯減少，空載情況下5次諧波含量基本為0，當(dāng)軸電流給定增加時(shí)，5次諧波含量增加，但含量比單采樣時(shí)少。從總體上看，采用雙采樣時(shí)低次諧波含量明顯減小。

5 結(jié)論

本文介紹了儲(chǔ)能變流器電流雙采樣技術(shù)原理和儲(chǔ)能變流器控制原理，并分別通過靜態(tài)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)比較了單采樣和雙采樣兩種方式下電流采樣性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙采樣比單采樣更能減小低次諧波，尤其是2、4次諧波，對(duì)提高儲(chǔ)能變流器并網(wǎng)電能質(zhì)量起到一定的作用。

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The current double sampling technique for power conversion system

Wu Weiliang1,2Yang Hemin1,2Jian Youzong1,2Yang Haiying1,2

(1.NARI Group (State Grid Electric Power Research) Co., Ltd, Nanjing 211106; 2. NARI Technology Co., Ltd, Nanjing 211106)

In order to ensure the power quality of power conversion system can meet the standard requirements, usually it is necessary to access large volume LCL filters between power conversion system and the power grid for filtering processing. It will increase the volume and the cost of power conversion system. A current double sampling technique for power conversion system is proposed, it does not increase any hardware resources and costs, but samples two times in a sampling period, and then takes the average value as the current inner loop control signal. The performance of the current double sampling technique is tested by static and dynamic experiments. The current double sampling technique can reduce the low order harmonics, especially the second and fourth harmonic, it will play a role in improving the power quality of power conversion system.

power conversion system; double sampling; harmonic content; power quality

2018-05-11

吳偉亮（1987-），男，江西省九江市人，碩士研究生，主要從事電力電子和電機(jī)控制方面的研究工作。