带谐波补偿的并网变流器统一控制策略

黄太昱，胡立坤，吕智林，李卓

（1.广西电力系统最优化与节能技术重点实验室，广西 南宁 530004；2.广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004）

带谐波补偿的并网变流器统一控制策略

黄太昱1，2，胡立坤1，2，吕智林2，李卓2

（1.广西电力系统最优化与节能技术重点实验室，广西 南宁 530004；2.广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004）

依据三相电压型PWM变流器系统工作特性，提出一种具有谐波补偿功能的并网变流器统一控制策略。变流器可以补偿非线性负载所引起的网侧电流畸变；同时，保证并网变流器的4象限运行，实现有功电流与无功电流的独立控制。在自然坐标下，将网侧指令电流与检测所得非线性负载电流作差得到统一控制所需电流指令，利用所测网侧电压信号按照对指令电流进行定向。最后，通过实验证明了所提策略的正确性与有效性。

变流器；自然坐标定向；非线性负载；谐波治理

随着分布式发电系统功率的增加，功率变换器使得可再生能源发电与电力系统之间实现了高效、灵活的控制；作为未来以智能电网技术为基础的电力系统，并网变流器的设计与控制将会成为其发展的重要支撑［1］。

传统并网变流器的控制策略多是基于同步旋转坐标系，且无法应对非线性负载所引起的电流畸变问题。有源电力滤波器（active power filter，APF）与并网变流器具有相同的工作原理，其控制方法多为检测谐波电流并对其进行谐波补偿。对于三相电路谐波和无功电流实时检测的方法均以三相电路瞬时功率理论为基础，通过计算瞬时有功、无功功率或有功、无功电流得出三相电路的谐波电流［2-4］。但上述2种检测电路谐波的策略均需要将三相信号经坐标变换至同步旋转坐标系下，再对转换过后的直流分量经低通滤波器滤除高频分量以获得基波分量［2-3］。低通滤波器的引入不可避免地会导致相位的延迟，这与设计电流环的快速控制思想是相违背的，同时复杂的坐标变换需要准确的锁相环节来保证与电网的同步，增加了系统的复杂程度。

针对上述问题，根据三相电压型PWM变流器系统工作原理，提出一种具有补偿谐波电流的并网变流器控制策略。利用采集的网侧电压信号在自然坐标系中对指令电流进行定向，避免了锁相环结构以及复杂坐标变化，实现变流器对系统有功、无功功率的独立控制，及谐波的补偿功能，拓宽了变流器系统的适用范围。

1 系统结构及补偿原理

三相电压型PWM变流器主电路结构如图1所示。

图1 变流器与非线性负载系统结构图Fig.1 Block diagram of converter with nonlinear load

图1中，uSa,uSb,uSc为对称三相电网相电压；iSa,iSb,iSc为电网侧相电流；LC为滤波电抗器电感；una,unb,unc为变流器桥臂输出电压；CC为变流器直流侧电容；udc为直流侧电压。非线性负载是一个由三相不控整流电路供给能量的直流电阻负载，此时容性负载通过不控整流电路对系统引入了非正弦的脉动电流，以及部分无功功率。LL为滤波电抗器的电感，CL为不控整流器件直流侧电容，R为对应负载电阻。

当变流器直流侧接入提供功率的有源负载（如光伏发电装置）便作为并网逆变器工作，可向网侧输送功率；直流侧开路时可向系统提供无功功率作为电能质量调节装置工作（如APF，STATCOM等）。

图2 电流内环控制策略Fig.2 Control scheme of inner current loop

故所提出的并行变流器控制策略如图2所示，通过网侧指令电流与检测所得非线性负载电流计算出内环参考指令电流，并经内环电流控制，通过注入电流的方式来消除系统谐波，达到满足本地负载的无功功率的要求，使得交流电源只需供给正弦均衡单位功率因数的电流。

2 参考指令电流计算

2.1 自然坐标定向

在自然坐标系中求得有功单位分量 pa,pb,pc与无功单位分量qa,qb,qc。首先利用三相网侧电压值求出相电压峰值USm为

则有单位有功分量：

根据无功单位分量与有功单位分量的关系［5］，无功单位分量可以用有功单位分量表示：

同理，三相无功电流分量为

将有功电流指令分量与无功电流指令分量相加得到网侧参考指令电流为

2.2 补偿指令电流

图3 变流器系统控制策略图Fig.3 Control strategy for converter system

3 实验结果与分析

图4 实验装置原理框图Fig.4 Block diagram of experimental device

图4为系统装置平台图。实验平台采用dSPACE（DS1104）作为控制器，并实现A/D采样、实时计算、数据存储；功率器件驱动脉冲则由DS1104中的RTI（real-time interface）模块产生，开关频率设为10 kHz，死区时间设为4 μs；系统中断统一采用PWM中断方式，保证PWM波周期与控制周期及数据采集周期同步。系统各参数如表1所示。

表1 PWM变流器系统实验参数Tab.1 Parameters of PWM converter system

3.1 变流器实验

令瞬时无功功率指令为零，变流器直流侧接入14.2 Ω电阻负载时，变流器直流侧电压、电网A相电压与输入电流波形如图5a、图5b所示。

图5 功率变换实验结果图Fig.5 The waveforms of power conversion for converter

观察图5a易知，突加有功负荷后，直流侧电压经短暂跌落后迅速恢复至给定值；此时由于系统瞬时无功功率为零，即变流器实现单位功率因数整流，电压电流相位如图5b图所示，保持同向，即变流器工作在整流状态；同理，变流器直流侧接入工作点为0.32 kW/72 V光伏阵列时，变流器直流侧电压、电网A相电压与输入电流波形如图5c、图5d所示。

为进一步验证所提方法性能，直流侧保持空载，给定无功电流指令-6 A，变流器实现感性无功功率补偿，如图5e所示，A相电流滞后A相电压90°；给定无功指令+6A，变流器实现容性无功功率补偿，观察图5f发现，A相电流超前A相电压90°。

结果表明，保持直流侧空载，即系统没有瞬时有功功率，通过改变瞬时无功功率指令可以实现变流器单位功率因数下有源逆变，达到向系统发出或吸收无功功率以调节终端电压波动的目的，保证用户侧较高的电能质量。

本文所提的控制策略可以实现瞬时有功功率和瞬时无功功率的独立控制，并取得良好的控制效果。

3.2 有源电力滤波器实验

变流器交流侧并入非线性负载，系统实验结果如图6所示。

图6 谐波补偿实验结果图Fig.6 The waveforms of harmonic compensation for converter

图6中，图6a为网侧三相电压信号；图6b为投切非线性负载时变流器侧直流母线电压。非线性负载的接入使得网侧电流波形发生严重畸变，如图6c所示为马鞍波电流。按照所提控制策略变流器针对畸变电流发出补偿电流，如图6d所示；图6e为补偿后网侧三相电流波形，并对其进行快速傅立叶变换，分析如图6f所示，电流信号的总谐波畸变率（total harmonic distortion，THD）含量为4.52%，满足并网电流THD小于5%的规定。

4 结论

本文提出了一种具有谐波补偿功能的变流器统一控制方法。

该方法基于网侧电压采用自然坐标定向方法，结合功率变流器与有源电力滤波器的功能，内环指令电流可实现变流器对系统补偿有功、无功功率及谐波的统一调控，且补偿后网侧电流THD满足小于5%的并网要求。

较传统方法无需锁相环环节以及复杂坐标变化，并实现变流器对系统有功、无功功率的独立控制及谐波的治理功能，即变流器系统固化一套算法可应对非线性负载谐波治理与并网逆变2种工作状态，提高了变流器系统对不同工况下的适应能力。

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Unified Control Strategy of Grid-connected Converter with Harmonic Compensation

HUANG Taiyu1，2，HU Likun1，2，LÜ Zhilin2，LI Zhuo2
（1.Guangxi Key Laboratory of Power System Optimization and Energy Technology，Nanning 530004，Guangxi，China；2.College of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，Guangxi，China）

According to the characteristics of three-phase voltage PWM converter system，a unified control strategy of grid-connected converter with harmonic compensation function was proposed.The converter could compensate the network side current distortion caused by the nonlinear load.Meanwhile，the four-quadrant operation of the grid-connected converter could be ensured，and the active current and reactive current could be controlled independently.In the natural coordinates，the voltage signals of source were employed to derive the reference currents of converter，which caused by the difference between grid-side of the command current and the detection of non-linear load current.Finally，the experiment test and verified the correct and using of this method.

converter；natural coordinate；nonlinear lord；harmonics compensation

TM461

A

10.19457/j.1001-2095.20170608

2016-05-31

修改稿日期：2016-10-09

国家自然科学基金（61364027）；广西科学研究与技术开发项目（1598008-3）

黄太昱（1992-），男，硕士研究生，Email：729374166@qq.com