一种基于电压过零点的差模谐波环流抑制方法研究

任 静，祁 招，李建伟，闫 铭，王俊豪

（许继电气股份有限公司，河南 许昌461000）

控制碳排放，共建美好家园，新能源革命是大势所趋。为了实现碳达峰、碳中和的目标，国家能源局和国家发改委大力支持新能源光伏、风电产业发展。未来10年之内，风电产业和光伏电站装机容量每年新增120GW左右。目前多个省要求光伏电站、风电项目强制配置储能，光伏和风电等新能源电站原则上配置储能容量不低于电站额定容量的10%，时间不低于2小时。目前光伏逆变升压一体机价格在0.16元/瓦，储能升压一体机价格在0.35元/瓦左右，由于储能系统硬件基于光伏逆变器改进，储能系统价格需持续降低。

为降低系统成本并提升储能转换效率，储能变流器往往采用三电平结构和LC滤波方式，储能升压变压器采用双绕组结构，这就需要储能变流器在变压器低压侧并联，实现多机并联运行。然而变流器多机并联并网运行时，输出电压除基波外，还含有部分高次谐波，无法实现各变流器并网输出电压精确相同，虽然变流器直流侧未直接连接，但在并联状态下变流器将通过差模回路间产生高频谐波环流。产品的高次谐波将增加整个储能系统损耗，影响储能变流器乃至储能电池等元器件寿命，还可能产生严重的电磁干扰，限制整套系统容量的增加。

基于上述原因，针对储能变流器四机并联之间的差模谐波环流问题本文在多机并联储能变流器三电平LC滤波的储能系统中，首先建立多台并联变流器谐波环流等效模型，对多机并联谐波环流特性进行分析。进而提出一种基于电压过零点的差模谐波环流抑制方法，最后通过仿真和实验验证了相关抑制策略。

1 多机并联谐波环流特性分析

储能变流器多机交流侧并联时，由于成本问题，每台变流器交流侧往往采用LC滤波回路，缺少网侧阻抗。滤波电容并不能滤除谐波电流中高频差模分量，因此变流器之间容易形成谐波环流。以2台储能变流器交流侧并联为例，基于谐波环流的单相等效电路模型如图1所示。由于两台变流器交流输出电流均流向电网电压，可认为Un0相同。

图1 多台并联变流器谐波环流等效模型

依据图1所示的模型和变流器开关暂态分析，在不考虑电网阻抗与储能变流器输出电容充放电过程的情况下，可以近似得出高频差模环流的形态。即：

其中，ω为电网角频率；Em为电网相电压幅值。由于纹波满足1/4周期奇偶对称，本文以A相电网的正半周[0，π/2]为例，i#变流器第k开关管用Sak_i表示。由于Sa3_i与Sa1_i互补，Sa4_i与Sa2_i互补，且该区间内Sa2_i=1，即处于导通状态，所以以下讨论中，正半周区间内2变流器开关暂态用Sa1_i表示。则可得表1的关系式。

表1 变流器开关暂态与环流关系

设Udc_1表示1#变流器直流侧电压；Udc_2表示2#变流器直流侧电压，tx表示各状态的起始时刻，ty表示各状态的终止时刻，C0表示积分初始值，如果忽略电网电压基波分量的作用，以下四种状态的1#变流器输出电流分别为：

状态I：

1#变流器1管导通、2#变流器1管断开，

状态Ⅱ：

1#变流器、2#变流器1管都断开，

状态Ⅲ：

1#变流器1管断开、2#变流器1管导通，

状态Ⅳ：

1#变流器和2#变流器1管都导通，

根据以上表达式，可得出多台变流器的开关器件1管Sa1_i在不同状态时，1＃储能变流器的输出电流如图2所示。可见，差模环流主要是由于开关频率高频谐波构成，如果忽略两台储能变流器直流侧电压的差异，纹波环流全部是由于两台储能变流器开关动作的不同步导致的。进而结合开关器件调制，可以得出不同交流电网角度以及载波交错角度下纹波环流的峰值。

图2 储能变流器开关暂态和纹波形态示意图

2 基于PWM载波自同步的谐波环流抑制策略

针对变流器并联引起的谐波环流，可通过输出采用LCL结构滤波器、输出增加串联LC支路、基于互联线的载波同步等方案抑制，但现有方案均会增加系统硬件成本，影响设备的市场竞争力。

为解决上述面临的问题，本文提出基于PWM载波自同步谐波环流抑制策略，能够确保并联变流器间的载波一直保持同步运行，减小和抑制零序环流。该策略的基本原理为：变流器在变压器低压侧并联后，并联变流器采集的电网电压为同一点电压，因此变流器对电网电压锁相获得电网的相角一致，将锁相所得相角作为同步信号；在同步信号为0时每台变流器控制器将载波计数器强制赋值为同一初始值，保证每台变流器在每个电网周期进行一次自同步，从而实现不同变流器间的载波同步，进而对高频谐波环流实现抑制。为避免载波同步时载波出现突变，进而影响输出电流波形，载波同步所赋初始值需根据变流器载波频率和电网频率进行核定，核定方法如公式（6）所示。

其中，C为载波计数器初始值，Tc为载波周期寄存器值。

上述同步信号产生原理如图3所示。

图3 同步信号产生原理图

并联变流器载波自同步流程如图4所示。

图4 并联变流器载波自同步流程图

由于系统并联的每台储能变流器都是按照上述方法来决定PWM载波计数器强制初始值，以便保证一个电网工频周期内的PWM载波计数器会得到同步，通过上述方法可以实现每个电网周期并联的每台储能变流器的PWM载波计数器值会从同一数值开始计数，从而实现PWM载波自动同步控制。

3 仿真与试验

3.1 仿真验证

为了验证本文所提出的差模谐波环流抑制方法，使用Matlab/simulink软件搭建仿真模型，对谐波环流抑制方法的效果进行仿真试验，仿真模型如图5所示，仿真参数见表2。

表2 变流器仿真参数表

图5 变流器多机并联环流仿真模型

4台变流器在不加入谐波环流抑制策略情况并网运行，功率均输出500kW，观测变流器输出电流波形如图6所示，从电流波形可以看出，并联变流器之间存在高频谐波环流。

图6 未加谐波抑制策略时4机并联运行电流波形

4台变流器在加入谐波环流抑制策略情况并网运行，功率均输出500kW，观测变流器输出电流波形如图7所示，从电流波形可以看出，加入谐波环流抑制策略后并联变流器之间的高频谐波环流得到了有效抑制。

图7 加谐波抑制策略时4机并联运行电流波形

3.2 试验验证

在仿真验证的基础上，对本文所提出的差模谐波环流抑制方法，使用双机并联试验平台进行了对比实验验证，实验使用两台500kW变流器，其主回路拓扑及参数与仿真模型一致，实验系统如图8所示。

图8 双机并联运行试验环境

2台变流器在不加入谐波环流抑制策略情况并网运行，使用示波器观测变流器输出电流波形如图9所示，从电流波形可以看出，并联变流器之间存在高频谐波环流。

图9 未加谐波抑制策略时双机并联运行电流波形

2台变流器在加入谐波环流抑制策略情况并网运行，示波器观测变流器输出电流波形如图10所示，从电流波形可以看出，加入谐波环流抑制策略后并联变流器之间的高频谐波环流得到了有效抑制。

图10 加谐波抑制策略时双机并联运行电流波形

4 结束语

本文针对储能变流器多机并联技术应用于新能源储能电站系统中，由于非隔离特性导致储能变流器间谐波环流问题，建立了多台并联变流器谐波环流等效模型，基于此模型对多机并联谐波环流特性进行了分析，谐波环流是由各个储能变流器开关暂态差异导致的。因此，抑制谐波环流的方法既可以从源头入手即采用基于载波同步控制的谐波环流抑制方法，消除储能变流器开关的不同步，也可在传递通道进行处理，该方法可以分为采用输出增加电缆构成LCL滤波或增加串联谐振LC支路的滤波结构。改进滤波器结构来抑制谐波环流会增加系统成本，在工程上不具备优势，本文提出一种基于PWM载波自同步的谐波环流抑制策略，该方法通过变流器各自对电网电压锁相产生自同步信号，借助自同步信号实现对PWM载波的同步，进而对因载波不同步引起的变流器间高频谐波环流进行抑制，最后通过仿真和试验验证了该方法的有效性。