并联T型三电平储能变流器零序环流抑制

2017-09-17蒋顺平石祥建刘为群

电力工程技术 2017年5期

关键词：变流器零序环流

陈刚，蒋顺平, 丁勇, 李旭, 石祥建, 刘为群

(1. 国网江苏省电力公司徐州供电公司，江苏徐州 221003;2. 南京南瑞继保电气有限公司, 江苏南京 211102)

并联T型三电平储能变流器零序环流抑制

陈刚1，蒋顺平2, 丁勇2, 李旭2, 石祥建2, 刘为群2

(1. 国网江苏省电力公司徐州供电公司，江苏徐州 221003;2. 南京南瑞继保电气有限公司, 江苏南京 211102)

针对共享交、直流母线的T型三电平储能变流器并联系统零序环流问题，建立并联T型三电平储能系统零序环流等效模型，并根据激励源的不同，把零序环流分为通态零序环流、开关零序环流、混合零序环流3类。首先采用一种共享直流中点方案抑制通态零序环流，其次通过一种改进型LCL滤波器方案抑制开关零序环流和混合零序环流中的高频分量，然后提出一种基于比例谐振控制的零序调制波叠加控制方案抑制开关零序环流和混合零序环流中的低频分量，最后搭建500 kW的 T型三电平储能变流器并联仿真系统。仿真结果证明了文中提出的零序环流抑制策略的正确性。

T型三电平; 并联; 储能变流器; 零序环流; 比例谐振控制

0 引言

随着可再生能源发电的快速增长，储能系统在缓解用电供需矛盾、提高电网安全、改善供电质量等方面发挥着重要作用[1，2]。作为连接储能装置和电网的关键设备，储能变流器 (PCS)受到了广泛的重视和研究。T型三电平耐压等级高、谐波含量小、电压畸变率低[3]，T型三电平PCS可以在不增加功率半导体器件电流应力的情况下，通过并联增大系统容量，提高系统的运行效率。并联系统中PCS之间共享交、直流母线，因此并联系统中存在环流问题。环流分为零序环流[4]和非零序环流2种成分，采用LCL滤波器拓扑[5]且带有电流内环控制的系统环流主要为零序环流，非零序环流可以忽略不计。零序环流会导致系统内部电流分配不均，影响系统可靠性，同时也会增大损耗，引起并网电流畸变，减小IGBT开关管寿命[6，7]。因此，对并联系统中零序环流分析和抑制的研究意义重大。

国内外学者对环流进行了广泛的研究。文献[8]通过建立带三磁柱电感及三磁柱变压器的三相逆变器瞬时零序分量模型，分析了其对零序环流的抑制作用，但这种结构电感和变压器增加了系统的体积、成本和损耗；文献[9，10]采取非线性控制的方法来抑制零序环流，但是这种控制实现复杂，难以投入工程应用；文献[11，12]提出了采用基于调节因子法的零序环流控制器来抑制零序环流低频分量，但零序环流低频分量主要集中在3倍频，直流分量含量很小，采用PI控制器对零序环流的抑制效果有限；文献[13-15]基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)，通过控制中零矢量的时间来实现零序环流抑制，但由于中零矢量作用时间少，控制比较困难。

文中提出了一种多机T型三电平储能PCS系统，并联PCS间共享交、直流母线。通过对零序环流模型的推导和分析，把零序环流分为通态零序环流、开关零序环流和混合零序环流3类，并对3类零序环流分别提出了相应的抑制方法，最后对500 kW储能PCS并联系统进行仿真，验证了抑制策略的正确性。

1 零序环流的模型和分类

1.1 零序环流模型

图1为n个共交、直流母线并联的T型三电平储能PCS系统，采用LCL滤波器结构。其中L为桥臂滤波电感，Lg为网侧滤波电感，Cf为滤波电容；忽略电感上的电阻和电容上的阻尼电阻；ej为J相电网电压，O为电网中性点；P，N分别为直流侧正、负母线，Udc为直流侧母线电压；UPk和UNk分别为储能变流器k直流侧正、负母线电压；Ok为储能变流器k的直流中性点；其中，J = A,B,C；j= a,b,c；k=1,2,...,n。

以储能变流器k为例，根据基尔霍夫电压定律，建立T型三电平PCS的三相并网回路方程为：

(1)

式(1)中：uJkN为变流器k的J相桥臂对负母线的输出电压；iJk为变流器k的J相桥臂电流；ijk为变流器k的j相网侧输出电流；uON为电网中性点和负直流母线之间的电压。

由于滤波电容支路电流和为0，根据零序环流定义，可以得出并联PCS系统中第k个变流器零序环流的表达式：

(2)

式(2)中：izk为变流器k的零序环流表达式。

对于三相对称系统，ea+eb+ec=0，结合式(1)和(2)可得：

(3)

由式(3)可以得到多台PCS并联系统的零序环流等效模型，如图2所示。

图2 零序环流等效模型Fig.2 Equivalent model of zero-sequence circulating current

根据戴维南定律对图2模型进行简化，得出零序环流的简化等效模型，如图3所示。

图3 零序环流简化模型Fig.3 Simplified model of zero-sequence circulating current

图3中，Ueq为除去变流器k的等效电压，表达式为：

(4)

根据图3可以得出变流器k在复频域上的表达式为：

izk(s)=H(s)uzk(s)

(5)

式(5)中：uzk(s)为变流器k的零序环流激励源在复频域上的表达式；H(s)为其零序环流的传递函数。具体表达式为：

(6)

由式(6)可以看出，并联PCS系统中第k个变流器的零序环流传递函数为一阶系统，桥臂滤波电感L和网侧滤波电感Lg对零序环流有影响，但零序环流激励源的表达式比较复杂，不适用于零序环流抑制方法的针对性设计。

1.2 零序环流分类

定义开关函数SJk表示变流器k的J相桥臂开关状态，可以得出其三相桥臂输出电压的开关函数表达式：

(7)

式(7)中：ΔUk=UPk-UNk，表示变流器k的正负母线电容电压之差。

由式(7)可得：

(8)

将式(8)代入式(6)可以得出变流器k零序环流激励源关于其开关函数的表达式为：

(9)

由式(9)可以看出，并联系统中变流器k的零序环流由3种不同成分组成。

(1) 通态零序环流，即：

(10)

由式(10)得出通态零序环流激励源和并联PCS间的中点电位之差有关。

(2) 开关零序环流，即：

(11)

由式(11)得出开关零序环流激励源由并联PCS之间开关状态不一致导致。

(3) 混合零序环流，即：

(12)

由式(12)得出混合零序环流激励源由并联PCS之间中点电位差和开关状态不一致共同产生。

2 零序环流抑制

结合1.2节所述，根据零序环流激励源的不同，零序环流可以分为通态零序环流、开关零序环流和混合零序环流3类。不难看出，开关零序环流与混合零序环流在数学模型上和通态零序环流存在本质区别，两者都受开关函数SJk的影响，在环流成分上均含有高频分量和低频分量。因此，本文把环流抑制分为通态零序环流抑制，开关、混合零序环流高频分量抑制和开关、混合零序环流低频分量抑制3个方面。

2.1 通态零序环流抑制

当并联系统中PCS均处于并网发电状态时，相互间调制度和功率因数非常接近，变流器中点电位差很小，此时通态环流激励源很小。但是在变流器启机的瞬间，受电容、分压电阻等参数的影响，变流器和并网状态的变流器差异较大，此时会产生很大的瞬间通态零序环流[17]。为了消除中点电位差，本文采用共享变流器间的直流中点方案。此时通态零序环流的通路如图4所示。

图4 共享中点后通态零序环流通路Fig.4 Loops of conduction zero-sequence circulating current sharing neutral buses

共享中点使得并联系统中变流器之间中点电位相等，从根本上消除了通态零序环流激励源，该方案容易实现且成本低。

2.2 开关、混合零序环流高频分量抑制

文献[11]指出载波不同步是产生零序环流高频分量的主要因素。在0°～180°，随着载波之间的相位差增大，高频分量也随着增大。由于其频率超出了系统的带宽，很难通过控制来对其进行抑制，因此，针对零序环流的高频分量，文中采用储能变流器LCL滤波器滤波电容中点回迁至直流母线中点的拓扑结构，使得各储能变流器滤波电容中性点到直流母线中点多出了一条共模回路，导致变流器侧和网侧电流和不再相等，此时变流器k的零序环流表达式为：

(13)

式(13)中：i0k为变流器k滤波电容中点到直流中点回迁线上的电流。

结合式(1)、式(13)可得：

(14)

根据基尔霍夫电压定律，对新增的共模回路有如下关系式：

(15)

结合式(14)、式(15)可以得出并联PCS系统的零序环流等效模型，如图5所示。

图5 改进LCL后零序环流等效模型Fig.5 Equivalent model of zero-sequence circulating current with the improved LCL filter

根据图5和式(15)可以得出改进型LCL滤波器并联系统中变流器k的零序环流复频域上的表达式：

(16)

对比式(6)、式(16)可以看出改进后系统由一阶系统变为三阶系统，零序环流传递函数Bode图如图6所示，对比可知回迁后高频抑制能力增强。

图6 零序环流传递函数Bode图Fig.6 Bode diagram of zero-sequence circulating current transfer function

2.3 开关、混合零序环流低频分量抑制

采用改进型LCL滤波器结构可以有效的抑制零序环流中的高频分量，但是对低频分量几乎没有抑制作用。本文提出一种准PR控制器对环流低频分量进行有效抑制。准PR控制器的表达式为：

(17)

式(17)中：kp为比例增益系数；kr为指定谐波处的谐振增益系数；ω0为谐波处对应的角频率。

准PR控制器通过参数ωc的引入一定程度上减小了PR控制器在谐振频率处的系统增益，起到了一定的阻尼作用。但是和普通PR控制器相比，准PR控制器的峰值增益(谐振处的增益)对频率的敏感性大大降低。在谐振频率附近一定的范围内(由ωc决定)准PR控制器都具有不错的增益。为了分析方便，令n=2，可以得出并联PCS零序环流的传递函数为：

Gi-open(s)=GPR(s)Hc(s)

(18)

Gi_close(s)=Hc(s)/(1+2GPR(s)Hc(s))

(19)

令ω0=3ω，ω=2πf，可以得出增加PR控制器后的开环Bode图，如图7所示。

图7 增加零序环流控制器后Bode图Fig.7 Bode diagram with controller of zero-sequence circulating current

考虑到得到的零序调制波需要叠加中点电压平衡控制产生的零序调制波，故本文中设计的PR控制器在满足抑制效果的前提下谐振峰偏小，以保证系统能够稳定运行。

由图7可以看出，在150 Hz处存在谐振峰，很好的对3倍频分量进行了抑制。

3 仿真验证

为了验证文中提出的零序环流抑制方法的可行性，利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建2台储能变流器并联运行仿真模型。仿真参数：PCS额定容量为500 kW，开关频率3 kHz，交流母线电压400 V，直流母线电压720 V，PCS采用LCL滤波器，参数分别为L=0.1 mH，Lg=0.05 mH，Cf=900 μF。

未采用共享中点方案，PCS1恒功率稳定运行，PCS2投入瞬间，2台PCS的A相并网电流和零序环流波形如图8所示。由图8可以看出，并联系统瞬间产生很大的通态零序环流，导致PCS的并网电流波形畸变，影响PCS系统性能。采用共享中点方案的仿真波形如图9所示。由图9可见PCS2投入瞬间通态零序环流明显减小，验证了通态零序环流抑制的有效性。

图8 共享中点前零序环流波形Fig.8 Waveform of zero-sequence circulating current without sharing neutral buses

图9 共享中点后零序环流波形Fig.9 Waveform of zero-sequence circulating current with sharing neutral buses

为了验证LCL中点回迁对零序环流高频分量的抑制效果，仿真中2台PCS的载波角差为180°，此时零序环流高频分量最大。图10给出了LCL中点回迁前并网电流和零序环流波形，可见并联系统中零序环流含有很多高频分量，开关频率处谐波含量达到7.87%左右，严重影响入网电流的波形质量。

图10 改进LCL前零序环流波形Fig.10 Waveform of zero-sequence circulating current without improved LCL filter

采用LCL滤波器中点回迁方案，仿真结果如图11所示，并联系统中零序环流高频分量得到有效抑制，开关频率处谐波含量降低到0.94%左右，很好地改善了入网电流质量。但是仍然存在低频分量，这是由并网功率不同导致的。

图11 改进LCL后零序环流波形Fig.11 Waveform of zero-sequence circulatingcurrent with improved LCL filter

仿真中PCS1设定为500 kW恒功率并网运行，PCS2设定为200 kW恒功率并网运行。不加零序环流控制，仿真结果如图12所示。并联系统中零序环流含有较大低频分量，3倍频处环流分量达到5.67%左右。采用文中提出的低频环流控制方案后，仿真结果如图13所示，低频分量明显减小，3倍频处环流分量降低到0.12%左右，入网电流质量取到较大改善，证明了文中提出的低频环流抑制策略的有效性。

图12 低频环流控制器投入前零序环流波形Fig.12 Waveform without controller of zero-sequence circulating current

图13 低频环流控制器投入后零序环流波形Fig.13 Waveform with controller of zero-sequence circulating current

4 结语

T型三电平拓扑器件少、器件损耗均匀、运行效率高，在储能变流器中得到大量应用。文中提出了一种多机T型三电平储能变流器并联的储能系统，共交、直流母线的并联结构存在零序环流问题，需要妥善解决。文中通过建立零序环流等效模型，将零序环流进行分类，并提出零序环流的抑制策略。仿真结果表明，采用共享直流中点方案可以有效抑制通态零序环流，采用LCL滤波器中点回迁方案可以有效抑制开关零序环流和混合零序环流的高频分量，文中提出的一种准谐振零序环流控制器可以有效抑制开关零序环流和混合零序环流的低频分量。

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(编辑钱悦)

Zero-sequence Circulating Current Reduction for ParallelT-type Three-level Power Converter Systems

CHEN Gang1, JIANG Shunping2, DING Yong2, LI Xu2, SHI Xiangjian2, LIU Weiqun2

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Company Xuzhou Power Supply Company, Xuzhou 221003, China;2. NR Electric Co. Ltd., Nanjing 211102, China)

According to the problems about zero-sequence circulating current existed in parallel T-type three-level power converter systems, the equivalent model of zero-sequence circulating current was proposed in this paper. The zero-sequence circulating current was divided into three types according to different exciting sources, namely, conduction zero-sequence circulating current, switching zero-sequence circulating current, hybrid zero-sequence circulating current. Firstly, a scheme sharing neutral buses was proposed to reduce the conduction zero-sequence circulating current. Secondly, a parallel scheme based on improved LCL filter was proposed to reduce high frequency component of switching and hybrid zero-sequence circulating current. And a zero-sequence modulation control method based on proportion resonant controller was used to reduce low frequency component of switching and hybrid zero-sequence circulating current. Finally, parallel T-type three-level power converter systems rated 500 kW were build. Simulation results verify the correctness of reduction methods of zero-sequence circulating current.

T-type three-level; parallel; power converter system; zero-sequence circulating current; proportion resonant control