基于电流控制电压源的并联三相变流器环流抑制控制方法

刘厚云，高　晋，王瑞妙，胡婷立，熊小伏

(1．国网重庆市电力公司电力科学研究院，重庆　401123；

2．输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)，重庆　400044)

Circulation Current Suppressing for Parallel Three-phase Inverters Based on CCVSLIU Houyun1,GAO Jin1, WANG Ruimiao1, HU Tingli2, XIONG Xiaofu2



基于电流控制电压源的并联三相变流器环流抑制控制方法

刘厚云1，高晋1，王瑞妙1，胡婷立2，熊小伏2

(1．国网重庆市电力公司电力科学研究院，重庆401123；

2．输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)，重庆400044)

Circulation Current Suppressing for Parallel Three-phase Inverters Based on CCVSLIU Houyun1,GAO Jin1, WANG Ruimiao1, HU Tingli2, XIONG Xiaofu2

0引言

微电网中的微源主要为基于变流器接口的电源[1]，然而为了保证系统运行安全性和可靠性，提高传输容量，常常采用多个变流器并联运行的结构，并联结构为环流提供了流通路径，将降低系统供电质量增加运行损耗[2-4]，因此环流抑制成为了应用该结构时需要考虑的重要问题。

对于单相变流器而言，并联运行时产生环流的主要原因是，并联变流器向负荷输出的电流不相等，环流以单相系统两条传输线构成的环路流通，通过修改单相变流器的主控制回路可以抑制环流[5-7]。而三相变流器环流主要是零序环流和谐波环流，三相变流器控制一般采用dq0坐标系，并采用低通滤波器，而零序电流和谐波电流在该坐标系统下均为交流，无法通过低通滤波器，不能通过修改原始控制回路进行环流抑制。

由于上述原因，针对不同的三相变流器，不少学者提出了相应的环流抑制控制方法。零序PI控制方法采集系统零序环流，通过PI控制器实现零序环流跟踪控制[8-10]。文献[8]分析了三电平模块化光伏并网系统环流产生的原因，并针对不同类型的环流提出了抑制方法，然而对低频环流在静止坐标系下采用PI控制器无法实现无静差跟踪控制，且存在相位滞后的问题。文献[9]研究了在不同负载情况下的并联三相变流器环流，零序环流的抑制方法与文献[8]采用的方法相同，而为了实现良好的负荷分配，增加了输出电流负序分量控制回路。零序无差拍控制方法[11-13]以零作为零序环流下一控制时刻的参考值计算得到变流器输出电压从而实现环流抑制。文献[11]将零序电流转换到同步旋转坐标系下，通过分析每一个开关周期内零序电流大小，采用无差拍控制合理分配组合SVPWM控制矢量抑制零序环流，然而，这种方法需要采集并联两个变流器的信号，计算复杂，且仅针对零序环流产生作用。文献[13]分析了零序环流的产生原因，并设计了采用无差拍控制补偿零序电压抑制零序环流的方法，控制方法结构简单，避免了零序电压竞争问题。但无差拍控制方法对模型的精确性依赖较高，而当系统参数发生变化时该方法存在较大误差。除上述控制方法外，有学者分析了环流与直流侧功率波动的关系[14-15]并提出了相应控制策略，然而该方法对系统参数也有一定依赖性。

并联三相变流器环流控制已经有了广泛研究，本文针对该问题在文献[13]的基础上进行改进，提出了一种简单的环流抑制控制方案。并联三相变流器低频环流中不仅含有零序分量还可能含有谐波分量，变流器输出不对称和系统硬件参数不对称均可能引起零序环流，谐波环流则主要是3的倍数次谐波，然而，不论是零序环流或低频谐波环流均需以并联变流器提供的回路作为流通路径，本文通过在环流通路中引入电流控制电压源，使之等效于在该环路中增加阻抗，通过设计较大的电流控制电压源转移阻抗值同时抑制零序环流和谐波环流。

1并联三相变流器环流分析

如图1所示，两个共用直流母线的变流器Inv1、Inv2并联运行，负载侧电压为uLa、uLb、uLc，变流器交流侧输出三相电压为uxy，输出电流为ixy，Lxy、Rxy分别为滤波电感、线路等值电阻(x=1,2；y=a,b,c)。变流器均满足如下开关函数关系式：

(1)

式中：UnN直流侧节点n到交流侧中性点N的电压；sxy表示开关函数，当某相上桥臂开关导通时，对应的开关函数为1，当下桥臂开关导通时，对应相的开关函数为0。

图1　并联三相变流器基本结构

由于开关器件开关频率远高于工频，滤波器将高频分量滤除，仅有低频分量在交流侧流通，从交流侧看，三相变流器可等值为受控电压源，并满足平均电路关系式：

(2)

三相变流器环流是三相电流瞬时值之和不为零时才产生，并流经并联变流器形成的环路，环流的成分主要有零序电流和谐波电流，下面根据式(1)～(2)分析环流及相关因素。

1.1输出电压不平衡引起环流

当并联三相变流器硬件参数对称时：

将变流器Inv1和Inv2的平均电路关系式各自三个方程分别相加可知，并联三相变流器的环流i0满足如下关系式：

(3)

式中：

由此可见，当零序电压uz1≠uz2时将在并联变流器之间产生环流。将式(1)代入(3)可得

(4)

由此可见，当系统硬件参数对称时，若变流器开关动作不一致，将产生环流。并联变流器载波不一致将在回路中产生开关频率分量的高频环流，该环流对应开关函数中的高频分量[8]，通过合理设计出口滤波器能够对该类环流进行抑制。考虑输出电压不对称时，本文仅针对开关函数的工频分量进行分析，式(4)中Δuz为并联变流器输出零序电压差，环流的等值回路如图2所示。

图2　环流等值电路

1.2参数不平衡引起环流

当变流器输出电势均平衡，而参数不平衡时，由式(2)可知：

(5)

设:

式中：Lx、Rx为参数对称的部分;x为变流器编号x=1,2，式(3)可以表示为

(6)

式中：

式(6)中Δuz为不对称参数和不对称相电流在零序回路上产生的等值电势，与输出电压本身不对称产生的零序环流具有类似的效果，因此其等值电路也可以用图3表示。

1.3谐波环流

并联三相变流器谐波环流的产生原因主要有两类，即变流器本身缺陷和外部电路非线性因素，前者主要为控制系统死区、过调制等，后者如非线性负荷、环路参数非线性等。输出电流含有频率为工频的3n(n=1,2,3，…)倍的成分时，该部分电流通过并联变流器之间的回路流通，成为环流的一部分，导致电流畸变，增加运行损耗，因此也需要对该电流进行抑制。

三相变流器本身缺陷产生的谐波环流难以从控制本身进行抑制，本文暂不讨论这种情况下的谐波环流。当三相变流器外部因素导致的谐波环流发生时，该谐波环流也流经零序环流所流过的路径，因此图3也能够表示该类谐波环流流经的路径，与零序环流不同的是回路电抗比零序回路的电抗更大。

2环流抑制控制方法

参考文献本文所提控制方法在[13]的基础上进行改进。文献[13]提出了通过补偿零序电压抑制零序环流的无差拍控制方法。然而无差拍控制对模型精度要求较高，且从原理上分析该方法，零序环流抑制效果不佳。本文在该文献基础上对零序环流抑制控制方法进行改进，并对谐波环流进行抑制。

根据图2以及式(3)和(6)可知环流与对应的激励电压之间的关系：

(7)

环流产生的原因不同，则Δuz表示的含义不同：

① 当变流器输出三相电势不对称时，Δuz表示并联变流器输出零序电势的差；

② 当并联变流器环路参数不对称时，Δuz表示不对称参数产生的等值零序电势；

③ 当并联变流器环路中产生谐波环流时，Δuz表示产生该谐波环流的激励源；

④ Δuz为上述几种因素的组合而成的等值电势。

然而Δuz的测量比较困难，因此在进行零序环流抑制时无法通过获知Δuz的方式对环流进行控制。经前述分析可知，零序环流和谐波环流均流经图 2所示等值回路，本文拟通过在环流通路增加电流控制电压源抑制环流的大小，环流等值电路如图3所示。

图3　增加电流控制电压源的环流通路

(8)

R(s)为电流控制电压源转移电阻。当采用该控制方法后，环流抑制控制相当于在环流通路中增加了阻值为R(s)的阻抗，若转移电阻值足够大，则环流通路可等效为开路。

经过环流抑制控制后的变流器三相输出电压参考值为

(9)

若R(s) 取感性阻抗，当环流抑制控制开始时，等效于在环路中接入一个有初始电流的电感，且该初始电流等于环流抑制控制开始时刻环流的瞬时值。为了抑制环流，该等值电感需取较大值，然而该取值越大，则环流初始值衰减越慢，无法达到有效抑制环流的目的。

若R(s)取电容性阻抗，则环流频率越高，该阻抗值越小，此时环流抑制效果变差。

而R(s)取纯电阻性，对于环流中的各种频率分量而言该值均不发生变化，因此能够对零序环流及谐波环流进行抑制，并且不存在电流衰减慢的问题。

由上分析可知，转移阻抗应取纯电阻性：

(10)

计算得到的i0可能含有非环流高频分量的干扰，非环流分量经过转移阻抗的放大叠加到输出电压上降低了输出电压质量，因此，环流控制回路增加低通滤波器：

(11)

ωc为低通滤波器截止频率。此时等值转移阻抗变为

(12)

采用该方法，在两个变流器并联运行系统中，只需要控制其中任意一个使环路阻抗增加即可抑制环流，并联三相变流器环流控制如图4所示。

图4　并联三相变流器环流控制

实际应用中，环流抑制控制无需增加额外的硬件电路，只在算法上增加环流抑制模块。数据采集单元采集变流器交流侧电压和电流信号，并将信号送到数字信号处理器。根据下垂控制或PQ控制的基本原理计算得到变流器交流侧输出电压信号参考值，以此作为PWM调制波生成触发脉冲信号，从而控制三相变流器开关元件的导通和关断。此为没有环流抑制时的控制方法。

本文所提方法在正常控制的基础上，无需增加硬件电路，只需要利用已经采集的电压和电流信号，计算系统存在的环流大小，根据式(8)计算得到预期电流控制电压源的电压值，并将此叠加到正常控制时计算得到的变流器交流侧输出电压信号上，从而得到含有环流抑制控制的PWM调制波，最终生成变流器开关脉冲信号。

图4所示环流抑制回路只对频率低于ωc的环流产生抑制作用，若i0中含有频率高于ωc的环流分量，则对于该分量而言抑制作用减弱，且频率越高抑制作用越差，此时的解决办法是提高低通滤波器截止频率，降低转移阻抗Rc避免过度放大干扰信号，或合理设计三相变流器输出滤波器，滤除高频干扰信号。

3仿真与分析

下面针对并联变流器输出电压不平衡，环路系统参数不平衡和谐波环流3种情况进行仿真分析。仿真系统结构如图1所示。并联三相变流器采用下垂控制方式，且变流器Inv2的下垂系数均为Inv1的两倍，直流侧电压为800V，系统侧额定电压为380V，额定频率50Hz，开关频率均为7.5kHz，两个变流器输出滤波电感均为2.35mH。正常运行情况下，变流器Inv1到公共节点电感为2mH，电阻为0.05Ω，变流器Inv2到公共节点电感为1.2mH，电阻为0.1Ω，对称负载为53kVA。

图5　变流器输出电压不平衡时变流器输出电流及环流

3.1变流器输出电压不平衡引起的环流

仿真时间t=0.8s时，变流器Inv2的输出电压产生了幅值为15.5V，初始相位为0°的零序分量，t=1.65s时一组大小为15kW的负荷脱网，t=2.33s时，加入环流抑制控制，环流抑制控制环节截止频率为500Hz，转移电阻Rc=300Ω。仿真结果如图5所示。

当Inv2输出电压中开始出现零序分量时，系统产生了零序环流，由于系统环路中的电感电流不能发生突变，因此环流中出现了直流衰减分量；此时系统环流的激励源是输出电压零序分量，系统负荷的减小对该激励没有影响，因此t=1.65s系统负荷减小时环流没有发生变化；当环流控制开始生效时，环流立即减小，变流器输出各相电流在经过短暂的直流分量衰减后回复到三相对称状态。

3.2系统参数不平衡引起的环流

仿真时间t=0.8s时，变流器Inv1到公共节点的参数发生了不对称变化：L1a=0.5mH，L1b=L1c=2mH，t=1.65s时一组大小为15kW的负荷脱网，t=2.33s时，加入环流控制，环流控制环节截止频率为500Hz，转移电阻Rc=300Ω，仿真结果如图6所示。

当系统参数不平衡时变流器输出电流出现了明显的不对称分量，环流显著增大；当系统负荷减小时，环流也减小，结合式(6)可知，此时产生环流的激励是关于不对称参数以及不对称相电流的等值电压，环流为零序环流，当系统负荷减小时，相电流减小，因此环流也相应减小；环流抑制控制相当于在中性线上增加一个转移电阻，因此当环流控制开始后，零序环流显著减小，转移电阻足够大能够控制该零序环流在可接受范围内；环流控制仅对环流产生作用，而系统参数不对称除了引起零序电流还有负序电流，因此环流控制开始后，变流器输出电流并未回到三相对称状态。

3.3谐波环流

仿真时间t=0.8s时，并联变流器系统产生了幅值为10V、初始相位为0°、频率为150Hz的谐波分量，t=1.65s时一组大小为15kW的负荷脱网，t=2.33s时，加入环流抑制控制，环流抑制控制环节截止频率为500Hz，转移电阻Rc=300Ω。仿真结果如图7所示。

变流器Inv2输出电压中开始出现三次谐波分量时，系统产生了谐波环流，与变流器Inv2输出电压中含有零序电压时的情况类似，此时环流中也出现了直流衰减分量，当系统负荷减小时，环流没有出现任何变化；环流控制开始后，谐波环流显著减小，证明该控制方法对谐波环流也能够产生抑制作用。

4结论

图6　系统参数不平衡时变流器输出电流及系统环流

图7　变流器输出电压含三次谐波分量时变流器输出电流及环流

本文针对双变流器共直流母线并联运行下存在环流的情况进行了环流控制。由于三相变流器的低频环流主要是零序环流和谐波环流，且均流过同样的等值环流路径，并考虑到系统中的环流激励源难以测量的特点，通过在环流回路中增加等值阻抗的办法，降低系统环流。该等值阻抗本质上是电流控制电压源的转移阻抗，本文通过采集系统环流经转移阻抗计算得到电压值，并叠加到下垂控制或功率控制输出电压上。转移阻抗和低通滤波器的截止频率配合设置能够同时满足环流抑制和保证电压质量的要求。仿真分析结果表明本控制方法不仅对输出电压不平衡引起的零序环流和参数不平衡引起的零序环流起作用，对谐波电压引起的环流也能产生抑制作用，具有一定的工程借鉴意义。

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刘厚云(1964-)，男，博士，工程师，研究方向为电力系统及其自动化， E-mail: fangbin198@yahoo.com.cn;

高晋(1972-)，男，博士，工程师，研究方向为电力系统及其自动化， E-mail: gaojin1213@foxmail.com;

王瑞妙(1985-)，女，硕士，工程师，研究方向为电力系统及其自动化， E-mail: dkywrm@gmail.com。

(责任编辑：杨秋霞)

(1. Electric Power Research Institute, Chongqing Electric Power Company, Chongqing 401123, China;

2. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology (Chongqing University),

Chongqing 400044, China)

摘要：三相变流器并联运行能提高系统可靠性和传输容量，然而并联结构为环流提供了流通路径，可能导致供电质量降低，运行损耗增加，为此必须采取措施抑制环流。本文以变流器作为电流控制电压源，通过增加环路等值阻抗的方法抑制环流。经分析可知，变流器输出电压不对称及线路参数不对称引起的零序环流和谐波环流流经相同的路径，采集并联变流器系统环流，经转移阻抗计算得到输出电压，并与正常运行时的控制系统输出电压叠加，环流回路相当于增加了该转移阻抗。仿真结果表明，采用该方法且转移阻抗选择纯电阻时，零序环流和谐波环流均能进行有效抑制。

关键词：三相变流器; 并联结构; 环流抑制; 电流控制电压源

Abstract：Parallel three-phase inverters can improve operation reliability and increase transmission capacity, while the parallel structure provides path for circulating current, which worsen the power quality and increase energy losses. So it is necessary to suppress such circulating current. By transferring inverters into current-controlled voltage sources (CCVS), the circulating current is suppressed through adding equivalent impedance in the circulating path in this paper. It can be seen from analysis that the zero-sequence circulating current and harmonic circulating current that are caused by the unbalance of voltage output of inverter and line parameters flow through same path. Through multiplying detected circulating current of parallel inverter system and transfer impedance, the output voltage can be obtained. When it is added to the output voltage of control system in normal conditions, the circulating path is equivalent to add this transfer impedance. Analysis and simulation results show that both zero-sequence and harmonic circulating current can be effectively suppressed when a pure resistance is chosen as the transfer impedance by using proposed method.

Keywords：three-phase inverters; parallel structure; circulating current suppressing; CCVS

作者简介：

收稿日期：2015-04-28

中图分类号：TM46

文献标志码：A

文章编号：1007-2322(2016)01-0027-07