储能变流器电流双采样技术

吴伟亮 杨合民 简优宗 杨海英



储能变流器电流双采样技术

吴伟亮1,2杨合民1,2简优宗1,2杨海英1,2

（1. 南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司，南京 211106；2. 国电南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

为保证储能变流器电能质量能够满足标准要求，通常需要在储能变流器与电网之间接入较大体积的LCL滤波器进行滤波处理，然而这势必造成储能变流器体积增大和成本增加。本文介绍了一种储能变流器电流双采样技术，不增加任何硬件资源和成本，而是在一个采样周期内采样两次，然后求取平均值，作为电流内环控制信号。通过静态和动态实验测试了电流双采样技术的性能。该电流双采样技术可以减小低次谐波，尤其是2、4次谐波，对提高储能变流器电能质量起到一定的作用。

储能变流器；双采样；谐波含量；电能质量

随着储能技术的快速发展，对储能装备的要求越来越高，储能变流器作为储能系统中的关键设备得到了越来越多的重视。但是在储能变流器并网运行过程中，需要保证并网电能质量满足《GB/T 34120—2017 电化学储能系统储能变流器技术规范》和《GB/T 14549—1993 电能质量公用电网谐波》要求，通常在储能变流器与电网之间接入LCL滤波器抑制电流谐波[1-3]，然而这势必造成储能变流器体积增大和成本增加，而且LCL是三阶系统，存在谐振问题，系统的带宽也会受到限制。

传统储能变流器并网电流采样采用单采样方式，系统性能指标较差，特别是并网空载情况下，电流低次谐波含量较大，对电网、电气设备造成影响[4-11]。

本文提出一种电流双采样技术，不增加任何硬件资源和成本，而是一个采样周期内采样两次，然后求取平均值，作为内环电流闭环控制信号。该采样技术能够明显减小低次谐波，尤其是2、4次谐波，对提高储能变流器并网电能质量起到一定的作用，避免设备受到低次谐波干扰，具有较好的实用性能。

1 储能变流器双采样技术原理

图1所示为储能变流器单采样和双采样的时序图。其中同步采样点为三角载波过零点，中间采样点为三角载波最高峰值点，ADC采样为AD芯片采样触发信号。

图1 储能变流器单采样和双采样时序图

当采用单采样方式时，AD采样只在同步采样处进行采样操作。当采用双采样方式时，AD采样在同步采样和中间采样处分别进行采样操作，然后求取平均值。

当控制器采样周期为、中间采样点为0.5时，第1次同步采样处时刻为0，第+1次同步采样处时刻为。设基波频率为50Hz，次谐波信号的峰值为n，初始相位为n，则三相次谐波信号可表示为

采用单采样方式时，采样时间不是连续的，而是以时刻周期性采样，因此次谐波信号在同步采样处可表示为

次基波频率信号在周期的1/处可表示为

若每个周期内同步采样处和该周期的1/时刻处分别采样，然后求取平均值，则次基波频率信号可表示为

本文提出的双采样方式，其中为2。

2 单采样与双采样静态实验

储能变流器的控制频率和采样频率均为2900Hz，因此控制周期和采样周期均为344.82ms。根据式（4）可知：

1）采用单采样方式时，基波信号表示为

2）采用双采样方式时，基波信号表示为

3）采用单采样方式时，2900Hz信号表示为

4）采用双采样方式时，2900Hz信号表示为

静态实验采用继电保护测试仪产生三相交流信号，经过AD芯片采样和FPGA芯片数字处理后，上传给上位机。储能变流器电流采样硬件截止频率为2000Hz。

图2为输入5A/50Hz交流信号单采样和双采样波形图。

图2 单采样和双采样波形图（5A/50Hz）

图3为输入5A/2900Hz交流信号单采样和双采样波形图。

图3 单采样和双采样波形图（5A/2900Hz）

由静态实验研究可知，电流采样硬件截止频率为2000Hz时，系统采样频率为2900Hz，输入信号为正弦波时，在频率为2900Hz下，单采样和双采样的信号都会衰减，且双采样衰减程度比单采样衰减程度要大。

3 储能变流器控制原理

本文在50kW储能变流器上测试单采样和双采样两种方式下电流采样性能，系统图如图4所示。动态实验时储能变流器输入交流电压为380V/ 50Hz，然后储能变流器并网，直流电压控制在700V，系统控制频率、采样频率、开关频率均为2900Hz。

图4 储能变流器系统图

储能变流器用于调节直流电容上的直流电压。采用电网电压矢量定向的方法，正序的电网电压由PLL锁相环定向到d-q旋转坐标系的d轴上。

根据储能变流器数学模型，实际的控制电压如下方程所示：

储能变流器d-q同步坐标系中的双闭环PI控制系统原理图如图5所示。

电流反馈和电流控制器构成内环，电流PI调节器的输出只是控制电压的一部分，再加上电流状态反馈和电网电压扰动的前馈补偿，构成了完整的控制电压d和q，控制电压经过SVPWM调制后产生开关信号送到变换器主电路，产生实际所需的交流侧控制电压。

4 单采样与双采样动态实验

图6为储能变流器并网空载情况下单采样和双采样模块电流波形及电流FFT。

图6 并网空载情况下模块电流波形及电流FFT

图7为储能变流器并网电流Q轴给定-40A情况下单采样和双采样模块电流波形及电流FFT。

表1为储能变流器并网空载情况下基波和谐波含量。

图7 并网IQ=-40A情况下模块电流波形及电流FFT

表1 并网空载情况下基波和谐波含量（A）

表2为储能变流器并网电流Q轴给定-40A情况下基波和谐波含量。

表2 并网IQ=-40A情况下基波和谐波含量（A）

从图6、图7中的FFT信息和表1、表2中数据可知，当采用双采样时，模块电流中2、4次谐波含量明显减少，空载情况下5次谐波含量基本为0，当轴电流给定增加时，5次谐波含量增加，但含量比单采样时少。从总体上看，采用双采样时低次谐波含量明显减小。

5 结论

本文介绍了储能变流器电流双采样技术原理和储能变流器控制原理，并分别通过静态实验和动态实验比较了单采样和双采样两种方式下电流采样性能。实验结果表明，双采样比单采样更能减小低次谐波，尤其是2、4次谐波，对提高储能变流器并网电能质量起到一定的作用。

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The current double sampling technique for power conversion system

Wu Weiliang1,2Yang Hemin1,2Jian Youzong1,2Yang Haiying1,2

(1.NARI Group (State Grid Electric Power Research) Co., Ltd, Nanjing 211106; 2. NARI Technology Co., Ltd, Nanjing 211106)

In order to ensure the power quality of power conversion system can meet the standard requirements, usually it is necessary to access large volume LCL filters between power conversion system and the power grid for filtering processing. It will increase the volume and the cost of power conversion system. A current double sampling technique for power conversion system is proposed, it does not increase any hardware resources and costs, but samples two times in a sampling period, and then takes the average value as the current inner loop control signal. The performance of the current double sampling technique is tested by static and dynamic experiments. The current double sampling technique can reduce the low order harmonics, especially the second and fourth harmonic, it will play a role in improving the power quality of power conversion system.

power conversion system; double sampling; harmonic content; power quality

2018-05-11

吴伟亮（1987-），男，江西省九江市人，硕士研究生，主要从事电力电子和电机控制方面的研究工作。