范立榮，江躍龍，張勝賓，李懷俊

(1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車(chē)與工程機(jī)械學(xué)院，廣州 510650；2.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，廣州 510650)

0 引 言

三電平逆變器具有開(kāi)關(guān)頻率高、輸出諧波含量小、系統(tǒng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，在新能源發(fā)電領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。三電平T型中點(diǎn)鉗位(以下簡(jiǎn)稱TNPC)并聯(lián)逆變器系統(tǒng)可根據(jù)用戶需求靈活配置和擴(kuò)展，在未來(lái)的智能家居及智能電網(wǎng)中扮演著重要的角色。在光伏并網(wǎng)逆變器中，三電平智能變流器并聯(lián)控制可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式，該模式下可以實(shí)現(xiàn)可再生能源優(yōu)先、非可再生能源次之、儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)充和備用第三的能源使用順序，當(dāng)遇到“填峰削谷”時(shí)可智能調(diào)整。

但是，逆變器的直接并聯(lián)必然會(huì)導(dǎo)致并聯(lián)模塊間的環(huán)流問(wèn)題[3-5]。外零序環(huán)流會(huì)帶來(lái)三相電流畸變和直流偏置等問(wèn)題，增加系統(tǒng)的損耗，如不對(duì)零序環(huán)流加以控制，會(huì)造成控制系統(tǒng)波形變差，甚至使系統(tǒng)崩潰[6-7]。同時(shí)，三電平TNPC變流器若中點(diǎn)不對(duì)稱將使輸出電壓含零序分量，這將導(dǎo)致系統(tǒng)不可靠。因此，研究中點(diǎn)電位平衡控制也是研究三電平逆變器的控制策略的核心課題之一[8]。

本文針對(duì)多臺(tái)智能變流器并網(wǎng)產(chǎn)生的環(huán)流及中點(diǎn)不平衡等問(wèn)題，提出一種新型的并聯(lián)均流控制策略，具體包括下垂控制、中點(diǎn)電位平衡控制、環(huán)流抑制等，并對(duì)其進(jìn)行了具體的分析及設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了控制策略的高效性及可靠性。

1 TNPC三電平變流器調(diào)制策略

三相多臺(tái)TNPC變流器具體控制策略如圖1所示，交流側(cè)采用理想三相電壓源EA、EB、EC，其線電壓有效值為380 V，L為濾波電感，取值為0.9 mH，C1、C2為濾波電容，取值分別為22 μF、0.47 μF，R為47 kΩ。i為電感側(cè)電流，u為采樣電容C1電壓；采樣直流側(cè)中點(diǎn)電壓并計(jì)算得到中點(diǎn)電位差ΔU；Vd、Vq分別為經(jīng)過(guò)下垂控制、電壓電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)后得到的d、q軸輸出電壓；中點(diǎn)電壓平衡采用比例調(diào)節(jié)方式，將直流側(cè)中點(diǎn)電壓壓差檢測(cè)得到的結(jié)果，經(jīng)過(guò)合適的比例系數(shù)調(diào)節(jié)，從而將中點(diǎn)電壓壓差控制在一定范圍內(nèi)；環(huán)流通過(guò)比例積分諧振調(diào)節(jié)器(PIR)，其中PI主要抑制的是直流分量，諧振主要抑制的是3次、9次諧波分量。中點(diǎn)電位平衡控制采用比例調(diào)節(jié)的方式并與電壓電流雙閉環(huán)輸出的電壓疊加，最終得到調(diào)制波，并采用PD控制策略進(jìn)行調(diào)制。

圖1 三相多臺(tái)TNPC變流器運(yùn)行控制框圖及調(diào)制策略

1.1 下垂控制原理

三電平TNPC智能變流器采用P-Udc(功率和直流側(cè)電壓)下垂控制方式，其下垂曲線圖如圖2所示。

圖2 P-Udc下垂控制原理

圖2中，UO代表TNPC智能變流器空載時(shí)直流側(cè)母線電壓，Udc代表TNPC智能變流器直流側(cè)母線實(shí)際電壓，P代表變流器實(shí)際功率，m代表曲線的下垂系數(shù)，具體的下垂控制表達(dá)式如下：

Udc=UO-mP

(1)

m的具體表達(dá)式：

(2)

式中：ΔUdcmax代表母線電壓可容許最大邊際值，取5%；PN為負(fù)載額定功率。理想情況下近似認(rèn)為交流側(cè)有功功率Pac與直流側(cè)有功功率Pdc相等，即有如下表達(dá)式：

Pac=Pdc

(3)

1.2 變流器并聯(lián)環(huán)流模型及其抑制方法

在TNPC智能變流器控制系統(tǒng)中，以三臺(tái)變流器并聯(lián)拓?fù)湎到y(tǒng)為例，圖3為 三臺(tái)并聯(lián)變流器系統(tǒng)等效電路圖。

圖3 三臺(tái)變流器并聯(lián)拓?fù)涞刃щ娐穲D

由圖3可以得出任意一相電壓矢量關(guān)系式(這里以R相為例)：

三是創(chuàng)新優(yōu)化政務(wù)環(huán)境。全面落實(shí)深化改革各項(xiàng)工作，創(chuàng)造性成立商事審批服務(wù)虛擬辦公室，打破傳統(tǒng)審批固化程序，重構(gòu)審批流程，提前介入技術(shù)審查和業(yè)務(wù)指導(dǎo)，實(shí)行“一窗受理、集成服務(wù)”，目前在全省“施工許可50天”改革基礎(chǔ)上，最少可為項(xiàng)目建設(shè)方節(jié)約12-17天時(shí)間。暢通政企溝通渠道，設(shè)立企業(yè)投訴熱線，在“江蘇姜堰”微信公眾號(hào)開(kāi)通網(wǎng)上投訴渠道，對(duì)企業(yè)的合理合法訴求第一時(shí)間回應(yīng)、第一時(shí)間解決。

(4)

式中：Vr為R相電源；r為每相電感等效內(nèi)阻；R1，R2，R3為T(mén)NPC并聯(lián)變流器等效負(fù)載電阻；ua為PWM整流交流側(cè)電壓基波；Vo為整流輸出電壓；Vo-為輸出負(fù)載環(huán)流端電壓；d1為與輸出電壓成比例的常數(shù)，同理其它S相、T相參數(shù)同。

由式(4)可以推導(dǎo)出：

(5)

同理對(duì)S相、T相均有：

(6)

(7)

把式(5)、式(6)、式(7)累加可以得到：

(8)

如果我們忽略高次諧波分量，則可以得到：

(9)

(10)

由式(9)、式(10)可知，由于線路阻抗RL非常小，三臺(tái)逆變器輸出電壓Vo在自身參數(shù)異同會(huì)導(dǎo)致并聯(lián)三電平智能變流器輸出不平衡電流Io。通過(guò)優(yōu)化濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)、載波信號(hào)同步等手段，可以對(duì)高頻環(huán)流有較好的抑制效果[9-10]。

由前面可以得出變流器并聯(lián)環(huán)流控制系統(tǒng)框圖，如圖4所示。

圖4 變流器并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流控制框圖

1.3 改進(jìn)型TNPC環(huán)流抑制算法

從前面可知，多臺(tái)變流器運(yùn)行時(shí)在變流器之間會(huì)產(chǎn)生環(huán)流，因此多臺(tái)變流器的調(diào)制策略在單臺(tái)變流器的基礎(chǔ)上加入環(huán)流控制。多臺(tái)變流器的運(yùn)行控制框圖同單臺(tái)的一致，不同的是在PD調(diào)制中引入了環(huán)流控制，控制第N臺(tái)變流器的零序環(huán)流與第N-1臺(tái)的環(huán)流在數(shù)值上大小相等，控制方向相反，即圖4中環(huán)流幅值相位控制調(diào)節(jié)器，它包含中點(diǎn)電壓ΔU與三相電流矢量進(jìn)行PIR調(diào)節(jié)控制，具體改進(jìn)型環(huán)流控制如圖5所示。

圖5 兩臺(tái)TNPC智能變流器零序環(huán)流的控制

在圖1中，采樣第一臺(tái)變流器的電流iA1、iB1、iC1，計(jì)算得到流經(jīng)每臺(tái)的零序環(huán)流大小為io,io的計(jì)算公式如下：

io=(iA+iB+iC)/3

(11)

圖5為兩臺(tái)TNPC智能變流器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)對(duì)環(huán)流進(jìn)行控制的調(diào)制策略，將環(huán)流進(jìn)行PIR控制后，經(jīng)過(guò)下垂、電壓電流雙閉環(huán)得到的d、q軸電壓經(jīng)過(guò)2r/3s坐標(biāo)變換得到三相電壓，對(duì)調(diào)制波做歸一化處理后與載波比較得到所需的PWM波形，去控制每個(gè)橋臂開(kāi)關(guān)管的通斷。PD調(diào)制具體如圖6所示。

圖6 PD調(diào)制策略輸出PWM波

1.4 TNPC改進(jìn)型中點(diǎn)平衡控制算法

對(duì)于中點(diǎn)電壓Vo(即ΔU)平衡的控制，具體的方法是將中點(diǎn)電壓壓差經(jīng)過(guò)采樣并進(jìn)行計(jì)算，再采用比例調(diào)節(jié)的方式去控制中點(diǎn)電壓，得到的空間矢量調(diào)制波為經(jīng)過(guò)變換后的三相電壓和中點(diǎn)電壓偏差經(jīng)比例調(diào)節(jié)后的疊加，最終輸出PWM波控制三電平智能變流器。具體控制算法如圖7所示。

圖7 改進(jìn)型中點(diǎn)平衡控制算法

2 實(shí) 驗(yàn)

圖8為系統(tǒng)的整體運(yùn)行框圖，開(kāi)關(guān)S1為空載和帶載實(shí)驗(yàn)的切換，開(kāi)關(guān)閉合時(shí)為帶載實(shí)驗(yàn)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)為空載實(shí)驗(yàn)；開(kāi)關(guān)S2為加減載切換實(shí)驗(yàn)，開(kāi)關(guān)S2從斷開(kāi)到閉合時(shí)為加載實(shí)驗(yàn)，反之則為減載實(shí)驗(yàn)。隔離變壓器為確保安全作用。

圖8 系統(tǒng)整體運(yùn)行框圖

為了滿足負(fù)載切換時(shí)直流側(cè)電壓在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，引入下垂控制。引入P-Udc下垂控制，空載時(shí)Id為0，直流側(cè)電壓為320 V，設(shè)置空載電壓比最大負(fù)載直流側(cè)的電壓高10 V，負(fù)載切換為60 Ω～90 Ω；當(dāng)直流側(cè)負(fù)載最大時(shí)(60 Ω)，直流側(cè)電壓為310 V，交流側(cè)線電壓為180 V，根據(jù)交直流側(cè)功率近似相等的原理，求出此時(shí)的電流Id為7.27 A，此時(shí)功率為1.6 kW,得到下垂曲線的解析式：

(12)

為了驗(yàn)證本文的控制策略的正確性，分別做了幾種工況下的負(fù)載突變實(shí)驗(yàn)，如表1所示。

表1 負(fù)載突變仿真工況(P-Udc下垂控制、加隔離變壓器)

圖9為兩臺(tái)TNPC智能變流器并聯(lián)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。依據(jù)下垂控制原理，當(dāng)兩臺(tái)變流器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，網(wǎng)側(cè)電流均分，從圖9中可以看出，兩臺(tái)網(wǎng)側(cè)電流基本均分，分別為2.844 A和2.673 A，驗(yàn)證了下垂控制及環(huán)流控制效果的正確性。

圖9 兩臺(tái)TNPC智能變流器并聯(lián)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖10 兩臺(tái)TNPC智能變流器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)負(fù)載突變前波形圖(減載)

圖10～圖12為負(fù)載突變實(shí)驗(yàn)(減載，60 Ω切換到90 Ω)，負(fù)載突變前直流側(cè)電壓為314.3 V，網(wǎng)側(cè)電流分別為2.845 A和2.669 A，負(fù)載突變后直流側(cè)電壓穩(wěn)定在316.5 V，網(wǎng)側(cè)電流為1.864 A和1.750 A，與理論分析的下垂控制所得到的值基本相同，從而驗(yàn)證了該控制策略的正確性。在負(fù)載突變調(diào)節(jié)的過(guò)程當(dāng)中，電壓超調(diào)量為8 V，經(jīng)過(guò)20 ms達(dá)到穩(wěn)定。

圖11 兩臺(tái)TNPC智能變流器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)負(fù)載突變時(shí)動(dòng)態(tài)波形圖(減載)

圖12 兩臺(tái)TNPC智能變流器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)負(fù)載突變后穩(wěn)定運(yùn)行波形圖(減載)

圖13～圖15為加載實(shí)驗(yàn)(90 Ω切換到60 Ω)，負(fù)載突變前直流側(cè)電壓為315.3 V，網(wǎng)側(cè)電流分別為1.853 A和1.747 A，負(fù)載突變后直流側(cè)電壓穩(wěn)定在313.7 V，網(wǎng)側(cè)電流為2.827 A和2.672 A，與理論分析的下垂控制所得到的值基本相同，負(fù)載加載前后，符合理論上的下垂控制原理，且均流效果較好。

圖13 兩臺(tái)TNPC智能變流器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)負(fù)載突變前實(shí)驗(yàn)波形圖(加載)

圖14 兩臺(tái)TNPC智能變流器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)負(fù)載突變時(shí)動(dòng)態(tài)波形圖(加載)

圖15 兩臺(tái)TNPC智能變流器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)負(fù)載突變后穩(wěn)定運(yùn)行波形圖(加載)

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文算法有效性，增加單臺(tái)TNPC與兩臺(tái)TNPC網(wǎng)側(cè)電流THD含量對(duì)比，如圖16所示。

圖16 單臺(tái)與兩臺(tái)TNPC穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)網(wǎng)測(cè)THD

從圖16可以看出，3次電流諧波含量明顯增大，間接說(shuō)明了兩臺(tái)變流器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)環(huán)流的存在。

圖17(a)為不加任何控制時(shí)環(huán)流波形圖。此時(shí)環(huán)流總有效值為0.485 A，占每臺(tái)變流器電流的含量為18.1%。圖17(b)為加入PIR環(huán)節(jié)后環(huán)流變化的動(dòng)態(tài)波形圖。從圖17(b)中可以看出，環(huán)流幅值明顯減小，環(huán)流為0.063 82 A，此時(shí)中點(diǎn)電位基本達(dá)到平衡，有效驗(yàn)證了本文算法的高效性與可靠性。

圖17 不加任何控制策略與加入PIR控制后環(huán)流波形對(duì)比分析

3 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)多臺(tái)三電平智能變流器并聯(lián)控制策略進(jìn)行了應(yīng)用研究，通過(guò)對(duì)多臺(tái)TNPC智能變流器并聯(lián)的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了TNPC智能變流器采用下垂控制、變流器并聯(lián)環(huán)流模型機(jī)理及其抑制、中點(diǎn)電壓平衡等控制策略的正確性。在負(fù)載突變時(shí)，依據(jù)下垂控制、電壓電流雙閉環(huán)控制等策略，直流側(cè)電壓在一定的范圍內(nèi)升高且最終達(dá)到穩(wěn)定，其它功能比如中點(diǎn)平衡控制、環(huán)流抑制等算法均得到了驗(yàn)證，充分驗(yàn)證了本文提出的并聯(lián)均流控制策略的有效性與可行性。且此控制策略可擴(kuò)展至N臺(tái)三電平變流器，適應(yīng)性強(qiáng)，可靠性好，可以實(shí)現(xiàn)不依附電網(wǎng)電能、并網(wǎng)發(fā)電和離網(wǎng)運(yùn)行，未來(lái)具備廣闊的市場(chǎng)空間。