李寧寧，師長立,2，何俊強(qiáng),2，張國偉

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

儲能逆變器主要用于離網(wǎng)帶載和并網(wǎng)的整流與逆變。對于三相線性平衡負(fù)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(fù)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(xiàn)[1-3]：①在三橋臂結(jié)構(gòu)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?fù)渫猓€需要配合適當(dāng)?shù)目刂扑惴?，主要思想是通過對輸出電壓或電流發(fā)正、負(fù)、零序分量的控制實(shí)現(xiàn)[1]。如文獻(xiàn)[4]在正序旋轉(zhuǎn)軸和負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸下分別通過PI控制，抑制負(fù)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(xiàn)[5]采用重復(fù)控制，實(shí)現(xiàn)了不平衡和非線性負(fù)載下較好的電壓輸出效果，但是在不平衡負(fù)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(diǎn)電壓波動，實(shí)現(xiàn)對輸出電壓或并網(wǎng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 儲能逆變器拓?fù)?/h2>

超級電容器大功率輸出能力強(qiáng)、能量轉(zhuǎn)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(lián)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(fèi)。

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(jié)合超級電容器儲能特點(diǎn)和儲能逆變器三相四線的結(jié)構(gòu)需求，在分裂電容式逆變器的基礎(chǔ)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(gòu)成儲能逆變器的主電路拓?fù)?，如圖2中虛線框內(nèi)所示，超級電容器組位于DC/DC雙向變換器的低壓側(cè)，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(jīng)濟(jì)和便利；第二是提高了超級電容器的利用率，提高儲能的經(jīng)濟(jì)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(fù)載的能力。

2 直流母線電容中點(diǎn)電壓

圖2 超級電容器加DC/DC雙向變換器結(jié)構(gòu)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(shè)橋臂上管的導(dǎo)通占空比為d，下管的導(dǎo)通占空比為1-d，則有式（1）

采用調(diào)制比為m（0≤m≤1）的正弦波msin(ωt)進(jìn)行調(diào)制，如圖3所示，有

直流母線電壓（e1+e2）一般為恒定值設(shè)為E，并設(shè)有

由式（3）可知，電容中點(diǎn)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(fù)載不平衡或者電壓中含有零序諧波時，會有電流進(jìn)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(bǔ)的充放電狀態(tài)，使電容中點(diǎn)電壓波動。

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

2.1 不平衡負(fù)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(guān)系為：

從圖2中可知：

式中，Yx（x=a,b,c）為各相橋臂中點(diǎn)到O點(diǎn)之間的導(dǎo)納。

聯(lián)立式（3）、（5）、（6），解得

式中，復(fù)頻率s=jω；旋轉(zhuǎn)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(diǎn)波動電壓的相位滯后三相負(fù)載導(dǎo)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(guān)注，但是在三相四線連接中不論是孤島時的帶交流負(fù)載還是并網(wǎng)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(shè)如式（8）所示，每項(xiàng)疊加Asin(3kωt)（k=1,2,3……）的零序諧波。

與不平衡時相同方法推導(dǎo)可得

3 電容中點(diǎn)電壓對輸出電壓影響

本節(jié)分析電容中點(diǎn)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(fù)載對輸出電壓的影響

由式（7）可知，負(fù)載不對稱時會引起電容中點(diǎn)電壓波動，不妨設(shè)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(diǎn)電壓的波動引起了三相橋臂中點(diǎn)輸出電壓的不平衡。

一般分析中認(rèn)為逆變器輸出電壓不平衡是由內(nèi)阻導(dǎo)致，見式（10）

三相橋臂中點(diǎn)電壓不平衡與內(nèi)阻壓降導(dǎo)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(nèi)阻和功率限制，一般4j3kωCdc>>Ya+Yb+Yc，所以電容中點(diǎn)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(huán)控制中，如果僅通過調(diào)節(jié)調(diào)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(shù)，實(shí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，分裂電容的中點(diǎn)電壓可控，所以可以在文獻(xiàn)[6]平衡兩個電容電壓的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，控制電容中點(diǎn)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(dāng)Δe=-Asin(3kωt)時可以抑制三相電壓中的零序諧波。由式（11）可知，當(dāng)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(diào)制比m的閉環(huán)調(diào)節(jié)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(biāo)控制電容中點(diǎn)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(shí)現(xiàn)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(jīng)過調(diào)節(jié)器生成電容中點(diǎn)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(wǎng)電流不平衡和零序抑制

在逆變器并入電網(wǎng)后，以控制并網(wǎng)電流為目標(biāo)，如式（13）所示。

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

該控制策略的實(shí)現(xiàn)框圖也可用圖5所示框圖結(jié)構(gòu)，只是并網(wǎng)后以控制并網(wǎng)電流為主要目標(biāo)，需要的反饋量是三相并網(wǎng)電流之和，如圖6所示。以三相并網(wǎng)電流和為反饋，給定為零，經(jīng)過調(diào)節(jié)器生成電容中點(diǎn)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(shù)為Cdc=5000 uF，Lf=0.6 mH，rf=0.6 Ω，Cf=60 μF，調(diào)制比m=0.89，A相帶載15 kW，B、C相空載，圖4也為該參數(shù)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(dǎo)致的電壓波動與圖4中所示相位關(guān)系一致。

圖5 電壓中點(diǎn)控制策略實(shí)現(xiàn)框圖Fig.5 Block diagram of voltage neutral point control strategy

圖6 電流零序諧波抑制實(shí)現(xiàn)框圖Fig.6 Block diagram of current zero-sequence harmonic suppression

圖7(b)上圖為橋臂中點(diǎn)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(nèi)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(fù)載未使用中點(diǎn)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(bǔ)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(jié)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(tài)，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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用本文控制策略，在80 kVA的樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，直流側(cè)超級電容器電壓為500 V，直流母線電壓為700 V，其余參數(shù)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(jìn)行不平衡抑制時的電壓波形，發(fā)現(xiàn)電壓不平衡很嚴(yán)重，并且與前面理論分析和仿真吻合。經(jīng)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(wǎng)時的并網(wǎng)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(wǎng)電流中3次諧波含量比較大，經(jīng)過零序諧波抑制后并網(wǎng)電流波形如圖10(b)所示，可見THD明顯下降。

8 結(jié) 論

本文根據(jù)分裂電容逆變器中點(diǎn)電壓波動對輸出電壓的影響，結(jié)合超級電容器DC/DC雙向變換器結(jié)構(gòu)給出的統(tǒng)一的控制策略，使逆變器在離網(wǎng)和并網(wǎng)狀態(tài)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(wǎng)電流諧波抑制實(shí)驗(yàn)中均表明該控制策略有效。