帶諧波補償的T型三電平并網逆變器控制研究

張國志，施森鑫，魏 力

(1.大港油田電力公司,天津 300280;2.南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇 南京210000)

0 引言

隨著經濟、科技的快速發展，電力電子系統集成化程度越來越高，人們對電網的安全穩定性以及電能質量的要求也不斷提高[1-2]。非線性負載的廣泛應用會引起網側電壓、電流畸變，進而造成輸配電設備故障，如變壓器過熱、電容過載、中性線電流異常、功率因數及效率變低等[3-4]。為有效解決上述問題，諸多學者進行了相關研究。文獻[5]介紹了有源電力濾波器及其控制策略：有源電力濾波器廣泛應用于各種場合，但價格較高，并不適用于低壓小功率的民用場合。

隨著能源危機日益嚴重，以及人們對低碳生活的追求，光伏發電系統并網功率越來越大[6]。諸多文獻介紹了光伏并網逆變器的拓撲結構與控制策略[7-8]。實際上，光伏并網逆變器與有源濾波器的拓撲結構、控制策略均比較相似。因此，同時具有濾波功能的光伏并網逆變器(即多功能并網逆變器)受到了廣泛的關注和應用。文獻[9]介紹了一種可補償無功功率的多功能光伏并網逆變器。文獻[10]在光伏并網逆變器控制中增加功率因數調節功能。文獻[11]進一步提出了具有諧波濾波功能的傳統兩電平光伏逆變器。文獻[12]研究了光伏并網逆變器系統的小信號穩定性，并提出了控制參數的全局優化設計方法，能夠有效指導光伏逆變器的多目標參數優化設計問題。

與三相脈沖寬度調制(pulse width modulation,PWM)變換器相比，多電平逆變器具有諸多優點(如開關管電壓應力小)，因此越來越受到關注。其中，二極管中點箝位變換器、級聯式H橋變換器、T型三電平變換器等器件得到了深入的研究。區別于其他多電平逆變器，T型三電平變換器具有無需箝位二極管的顯著優勢，因此在中低壓、大功率的電機驅動控制、電能質量治理以及光伏并網逆變器等多種工業場合得到了成功應用。

為降低用電端引入的諧波畸變對電網的危害，本文提出了一種帶諧波補償的光伏并網T型三電平變換器的控制策略，并進行了仿真試驗驗證。

1 T型三電平并網逆變器拓撲

并網光伏發電系統結構如圖1所示。

圖1 并網光伏發電系統結構框圖Fig.1 Block diagram of grid-connected photovoltaic power system

光伏發電系統如圖1(a)所示，包括光伏陣列、直流/直流(direct current/direct current,DC/DC)變換器、T型三電平并網逆變器、網側濾波器、電網、負載等部分。T型三電平變換器的結構拓撲目前共有兩種，即開關管共集電極的拓撲結構以及開關管共發射極的拓撲結構[13-14]。本文采用了目前應用較多的共發射極相連的拓撲結構。T型三電平并網逆變器結構如圖1(b)所示。

2 逆變器諧波補償控制策略

在圖1(a)所示的光伏發電系統中，光伏陣列與DC/DC變換器的發電控制策略采用了經典的最大功率跟蹤策略。由于本文主要討論帶諧波補償的T型三電平并網逆變器控制策略，故不再贅述光伏陣列與DC/DC變換器的控制策略。詳細內容可查閱文獻[15]。

假設三相電網電壓的有效值分別為Uga、Ugb、Ugc，光伏發電系統輸入到電網的三相電流瞬時值分別為ipa(t)、ipb(t)、ipc(t)，則由光伏陣列的輸出功率PPV可計算并入電網的三相電流，即：

(1)

式中：ipa(t)、ipb(t)、ipc(t)分別為ABC三相坐標系下光伏發電系統輸入到電網的三相電流瞬時值；Uga、Ugb、Ugc分別為ABC三相坐標系下三相電網電壓有效值；PPV為光伏陣列輸出功率；θ為電網電壓矢量的實時相位角。

為了建立以電網電壓矢量為d軸的兩相旋轉dq坐標系，利用鎖相環技術來獲取電網電壓矢量的實時相位角θ[16]，并以此為基礎將電網的三相電流轉換為該dq坐標系下的電流。對應的轉換公式可表示為[12]：

(2)

式中：T為ABC三相坐標系變換到dq坐標系的轉換公式。

因此，式(1)所示的電網輸入電流在dq坐標系下的分量ipd(t)、ipq(t)可表示為：

(3)

式中：ipd(t)、ipq(t)分別為dq坐標系下電網輸入電流。

三相負載電流iLa(t)、iLb(t)、iLc(t)可通過電流傳感器進行測量，并進一步轉換為dq坐標系下的電流iLd(t)、iLq(t)。對應的變換公式可表示為：

(4)

式中：iLa(t)、iLb(t)、iLc(t)分別為ABC三相坐標系下負載電流；iLd(t)、iLq(t)分別為dq坐標系下電流。

在含有非線性負載的運行工況下，負載電流包含了諧波分量。為了實現諧波補償功能，需要首先對諧波電流分量進行準確提取[17]。本文采用自校正濾波器算法實現上述目標。

首先，采用自校正濾波器算法，將負載電流的基波分量iLd-f(s)、iLq-f(s)表示為：

(5)

式中：iLd-f(s)、iLq-f(s)分別為dq坐標系下負載電流基波分量；ω為電流的角頻率。

則負載電流中的諧波分量iLd-h(s)、iLq-h(s)可表示為：

(6)

式中：iLd-h(t)、iLq-h(t)分別為dq坐標系下負載電流中諧波分量。

(7)

(8)

并網逆變器輸出電流的誤差Δica(t)、Δicb(t)、Δicc(t)可表示為：

(9)

式中：Δica(t)、Δicb(t)、Δicc(t)分別為ABC三相坐標系下并網逆變器輸出電流誤差。

根據上述主要步驟，即可得到具有諧波補償功能的T型三電平并網逆變器控制策略。T型三電平光伏并網逆變器控制框圖如圖2所示。其中，T型并網逆變器采用了經典的空間矢量脈沖寬度調制(space vector pulse width modulation,SVPWM)策略[18]，以提高并網逆變器的直流電壓利用率。

圖2 T型三電平光伏并網逆變器控制框圖Fig.2 Control block diagram of T-type three-level photovoltaic grid-connected inverter

3 仿真結果及分析

為驗證本文提出的控制策略的有效性，基于Matlab/Simulink平臺搭建了仿真模型。仿真模型參數如表1所示。表1中，Uga、Ugb、Ugc分別為三相電網電壓的有效值;f為電網頻率;Lc為網側濾波電感感值；Zl為線路阻抗;ZL1為線性負載阻抗;ZL2為非線性負載阻抗。

表1 仿真模型參數Tab.1 Simulation model parameters

T型三電平光伏并網逆變器處于不工作狀態時，負載電流波形如圖3所示。圖3中，0～0.2 s之間無負載接入電網；0.2 s切入了線性負載；接著在0.4 s時又切入了非線性負載，因此電流中增加了諧波分量。

圖3 負載電流波形Fig.3 Load current waveform

光伏發電系統處于工作狀態下，T型三電平并網逆變器不帶諧波補償功能時并網電流波形如圖4所示。

圖4 不帶諧波補償功能時并網電流波形Fig.4 Grid-connected current waveforms without harmonic compensation function

光伏發電系統在工作狀態下，T型三電平并網逆變器帶諧波補償功能時的并網電流波形如圖5所示。

對比圖4和圖5可知，在相同的非線性負載工況下，與不帶補償功能的逆變器相比，帶有諧波補償功能的T型三電平并網逆變器輸出電流中包含諧波電流補償分量，電網側電流波形畸變減小，諧波含量明顯降低。由此，可證實本控制策略的有效性。

圖5 帶諧波補償功能時并網電流波形Fig.5 Grid-connected current waveforms with harmonic compensation function

4 結論

本文提出了一種帶有諧波補償功能的T型三電平并網逆變器控制策略。該策略采用自校正濾波器方法計算了負載電流中的基波電流與諧波電流，從而獲得T型三電平并網逆變器的輸出電流參考值，并進一步得到并網逆變器輸出電流的誤差，最終通過SVPWM控制策略決定逆變器的開關導通序列。Matlab/Simulink仿真結果表明：該控制策略兼有光伏并網與有源濾波雙重功能，能有效抑制非線性負載引入的諧波電流成分、明顯改善并網電流的波形質量，進而節省電力濾波器的安裝成本。該研究對于T型三電平并網逆變器的推廣應用具有重要的技術與經濟價值。