带谐波补偿的T型三电平并网逆变器控制研究

张国志，施森鑫，魏 力

(1.大港油田电力公司,天津 300280;2.南京南瑞继保电气有限公司,江苏 南京210000)

0 引言

随着经济、科技的快速发展，电力电子系统集成化程度越来越高，人们对电网的安全稳定性以及电能质量的要求也不断提高[1-2]。非线性负载的广泛应用会引起网侧电压、电流畸变，进而造成输配电设备故障，如变压器过热、电容过载、中性线电流异常、功率因数及效率变低等[3-4]。为有效解决上述问题，诸多学者进行了相关研究。文献[5]介绍了有源电力滤波器及其控制策略：有源电力滤波器广泛应用于各种场合，但价格较高，并不适用于低压小功率的民用场合。

随着能源危机日益严重，以及人们对低碳生活的追求，光伏发电系统并网功率越来越大[6]。诸多文献介绍了光伏并网逆变器的拓扑结构与控制策略[7-8]。实际上，光伏并网逆变器与有源滤波器的拓扑结构、控制策略均比较相似。因此，同时具有滤波功能的光伏并网逆变器(即多功能并网逆变器)受到了广泛的关注和应用。文献[9]介绍了一种可补偿无功功率的多功能光伏并网逆变器。文献[10]在光伏并网逆变器控制中增加功率因数调节功能。文献[11]进一步提出了具有谐波滤波功能的传统两电平光伏逆变器。文献[12]研究了光伏并网逆变器系统的小信号稳定性，并提出了控制参数的全局优化设计方法，能够有效指导光伏逆变器的多目标参数优化设计问题。

与三相脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)变换器相比，多电平逆变器具有诸多优点(如开关管电压应力小)，因此越来越受到关注。其中，二极管中点箝位变换器、级联式H桥变换器、T型三电平变换器等器件得到了深入的研究。区别于其他多电平逆变器，T型三电平变换器具有无需箝位二极管的显著优势，因此在中低压、大功率的电机驱动控制、电能质量治理以及光伏并网逆变器等多种工业场合得到了成功应用。

为降低用电端引入的谐波畸变对电网的危害，本文提出了一种带谐波补偿的光伏并网T型三电平变换器的控制策略，并进行了仿真试验验证。

1 T型三电平并网逆变器拓扑

并网光伏发电系统结构如图1所示。

图1 并网光伏发电系统结构框图Fig.1 Block diagram of grid-connected photovoltaic power system

光伏发电系统如图1(a)所示，包括光伏阵列、直流/直流(direct current/direct current,DC/DC)变换器、T型三电平并网逆变器、网侧滤波器、电网、负载等部分。T型三电平变换器的结构拓扑目前共有两种，即开关管共集电极的拓扑结构以及开关管共发射极的拓扑结构[13-14]。本文采用了目前应用较多的共发射极相连的拓扑结构。T型三电平并网逆变器结构如图1(b)所示。

2 逆变器谐波补偿控制策略

在图1(a)所示的光伏发电系统中，光伏阵列与DC/DC变换器的发电控制策略采用了经典的最大功率跟踪策略。由于本文主要讨论带谐波补偿的T型三电平并网逆变器控制策略，故不再赘述光伏阵列与DC/DC变换器的控制策略。详细内容可查阅文献[15]。

假设三相电网电压的有效值分别为Uga、Ugb、Ugc，光伏发电系统输入到电网的三相电流瞬时值分别为ipa(t)、ipb(t)、ipc(t)，则由光伏阵列的输出功率PPV可计算并入电网的三相电流，即：

(1)

式中：ipa(t)、ipb(t)、ipc(t)分别为ABC三相坐标系下光伏发电系统输入到电网的三相电流瞬时值；Uga、Ugb、Ugc分别为ABC三相坐标系下三相电网电压有效值；PPV为光伏阵列输出功率；θ为电网电压矢量的实时相位角。

为了建立以电网电压矢量为d轴的两相旋转dq坐标系，利用锁相环技术来获取电网电压矢量的实时相位角θ[16]，并以此为基础将电网的三相电流转换为该dq坐标系下的电流。对应的转换公式可表示为[12]：

(2)

式中：T为ABC三相坐标系变换到dq坐标系的转换公式。

因此，式(1)所示的电网输入电流在dq坐标系下的分量ipd(t)、ipq(t)可表示为：

(3)

式中：ipd(t)、ipq(t)分别为dq坐标系下电网输入电流。

三相负载电流iLa(t)、iLb(t)、iLc(t)可通过电流传感器进行测量，并进一步转换为dq坐标系下的电流iLd(t)、iLq(t)。对应的变换公式可表示为：

(4)

式中：iLa(t)、iLb(t)、iLc(t)分别为ABC三相坐标系下负载电流；iLd(t)、iLq(t)分别为dq坐标系下电流。

在含有非线性负载的运行工况下，负载电流包含了谐波分量。为了实现谐波补偿功能，需要首先对谐波电流分量进行准确提取[17]。本文采用自校正滤波器算法实现上述目标。

首先，采用自校正滤波器算法，将负载电流的基波分量iLd-f(s)、iLq-f(s)表示为：

(5)

式中：iLd-f(s)、iLq-f(s)分别为dq坐标系下负载电流基波分量；ω为电流的角频率。

则负载电流中的谐波分量iLd-h(s)、iLq-h(s)可表示为：

(6)

式中：iLd-h(t)、iLq-h(t)分别为dq坐标系下负载电流中谐波分量。

(7)

(8)

并网逆变器输出电流的误差Δica(t)、Δicb(t)、Δicc(t)可表示为：

(9)

式中：Δica(t)、Δicb(t)、Δicc(t)分别为ABC三相坐标系下并网逆变器输出电流误差。

根据上述主要步骤，即可得到具有谐波补偿功能的T型三电平并网逆变器控制策略。T型三电平光伏并网逆变器控制框图如图2所示。其中，T型并网逆变器采用了经典的空间矢量脉冲宽度调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)策略[18]，以提高并网逆变器的直流电压利用率。

图2 T型三电平光伏并网逆变器控制框图Fig.2 Control block diagram of T-type three-level photovoltaic grid-connected inverter

3 仿真结果及分析

为验证本文提出的控制策略的有效性，基于Matlab/Simulink平台搭建了仿真模型。仿真模型参数如表1所示。表1中，Uga、Ugb、Ugc分别为三相电网电压的有效值;f为电网频率;Lc为网侧滤波电感感值；Zl为线路阻抗;ZL1为线性负载阻抗;ZL2为非线性负载阻抗。

表1 仿真模型参数Tab.1 Simulation model parameters

T型三电平光伏并网逆变器处于不工作状态时，负载电流波形如图3所示。图3中，0～0.2 s之间无负载接入电网；0.2 s切入了线性负载；接着在0.4 s时又切入了非线性负载，因此电流中增加了谐波分量。

图3 负载电流波形Fig.3 Load current waveform

光伏发电系统处于工作状态下，T型三电平并网逆变器不带谐波补偿功能时并网电流波形如图4所示。

图4 不带谐波补偿功能时并网电流波形Fig.4 Grid-connected current waveforms without harmonic compensation function

光伏发电系统在工作状态下，T型三电平并网逆变器带谐波补偿功能时的并网电流波形如图5所示。

对比图4和图5可知，在相同的非线性负载工况下，与不带补偿功能的逆变器相比，带有谐波补偿功能的T型三电平并网逆变器输出电流中包含谐波电流补偿分量，电网侧电流波形畸变减小，谐波含量明显降低。由此，可证实本控制策略的有效性。

图5 带谐波补偿功能时并网电流波形Fig.5 Grid-connected current waveforms with harmonic compensation function

4 结论

本文提出了一种带有谐波补偿功能的T型三电平并网逆变器控制策略。该策略采用自校正滤波器方法计算了负载电流中的基波电流与谐波电流，从而获得T型三电平并网逆变器的输出电流参考值，并进一步得到并网逆变器输出电流的误差，最终通过SVPWM控制策略决定逆变器的开关导通序列。Matlab/Simulink仿真结果表明：该控制策略兼有光伏并网与有源滤波双重功能，能有效抑制非线性负载引入的谐波电流成分、明显改善并网电流的波形质量，进而节省电力滤波器的安装成本。该研究对于T型三电平并网逆变器的推广应用具有重要的技术与经济价值。