深圳會議papers中國電源學(xué)會第二十一

1、電源學(xué)會第二十一屆學(xué)術(shù)年會集基于特定諧波消除法并網(wǎng)逆變器的背景諧波影響的抑制研究，浙江省 杭州市 310027）（浙江大學(xué)電氣Suppressing the side effect of the Grid Background Harmonics on Grid Inverter with Selective Harmonic EliminationShenjian Zou, Cheng Yan, Dehong Xu(College of Electrical Engineering, Hangzhou 310027,Province,)ABSTRACT: With the same equi

2、valent switching frequencyas Space Vector Modulation (SVM) or Sinusoidal pulse width了改進表格的實現(xiàn)和并網(wǎng)電流的環(huán)路設(shè)計。最后通過和實驗驗證了這種的可行性。modulation (S), Selective Harmonic Elimination：并網(wǎng)逆變器；電網(wǎng)背景諧波；電流諧波；SHE1引言(SHE) has better harmonics performance than SVM orSin theory. However, large low-order current harmonics will

3、 be caused on the AC side of the grid inverter with空間矢量調(diào)（SVM）和正弦脈寬調(diào)SHEdue to the presence of the low-order background（S）廣泛應(yīng)用于光伏并網(wǎng)逆變器和風(fēng)力發(fā)電voltage harmonics in grid. In this paper, the effect of the background voltage harmonics on the grid inverter with SHEis analyzed. Then a control scheme to suppres

4、s theeffect of the grid background voltage harmonics on grid系統(tǒng)。在同樣電能質(zhì)量的條件下，特定諧波消除法（SHE）的等效開關(guān)頻率低于SVM 和S，因此采用 SHE可以減少并網(wǎng)逆變器開關(guān)損inverter with SHEis presented. An improved look-up耗，提升效率1-3。對于大功率光伏逆變器，如500KW，1MW 等，開關(guān)頻率通常只有幾千赫茲，table is designed so that the grid inverter has ability to generate the low-orde

5、r voltage harmonics such as 5th, 7th etc. Moreover, based on detecting grid current harmonics, the expected output voltage harmonic components can be calculated to inject to the bridge output voltage which can restrain the grid current harmonics. Then the realization of the improved look-up table an

6、d the grid current harmonic control loops are introduced in. Finally, the feasibility of this method is verified by bothsimulation and experiment.SHE的優(yōu)勢更加凸顯2。在面向電網(wǎng)變換器的應(yīng)用已經(jīng)有一SHE默認(rèn)電網(wǎng)為理想電網(wǎng)4。在并網(wǎng)逆變器可以獲得高質(zhì)些相關(guān)研究，這種情況下，SHE量的并網(wǎng)電流。事實上，實際電網(wǎng)中通常的一定的低次背景電壓諧波，如 5 次、7 次諧波等，它會嚴(yán)重破壞并網(wǎng)電流的質(zhì)量，。一種被稱之為選擇KEY WORDS: grid inv

7、erter,grid background harmonic,諧波補償?shù)膶崟r諧波補償策略已經(jīng)被，且應(yīng)用SHE, current harmonic在 SHE的電流源型整流器中5。非理想的電摘要：在理論上，相同的等效開關(guān)頻率的情況下，特定諧波網(wǎng)情況也將導(dǎo)致電流源型整流器網(wǎng)側(cè)電流嚴(yán)重畸變。通過檢測電網(wǎng)中的背景電壓諧波，整流器需要輸出的電壓諧波含量可以根據(jù)濾波器的參數(shù)計算消除法（SHE）的波形質(zhì)量比空間矢量調(diào)制或者正弦調(diào)制更好。但是，在實際電網(wǎng)中低次背景諧波電壓，這將導(dǎo)致SHE并網(wǎng)逆變器的網(wǎng)側(cè)電流出現(xiàn)嚴(yán)重的低次諧得到。這種并非直接的電網(wǎng)電流諧波方式可能波電流。本文首先分析了電網(wǎng)背景諧波電壓對 SHE并

8、會受到濾波器參數(shù)變化的影響。文獻6提到另外一種通過使得逆變器鎖相環(huán)輸出波動的有源補償方 法。雖然這很容易實現(xiàn)對某一次諧波的有效補償，但這會導(dǎo)致相鄰次電流諧波產(chǎn)生。本文首先分析了網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流的影響，提出了抑制電網(wǎng)背景諧波電壓影策略；通過改進表格使得 SHE響的并網(wǎng)逆變器具有輸出低次電壓諧波的能力，如 5 次、7 次諧波。通過檢測并網(wǎng)電流諧波，計算出需要注入到并網(wǎng)逆變器輸出電壓的電壓諧波分量，從而抵消背景諧波電壓的影響。然后詳細(xì)電網(wǎng)背景電壓諧波對 SHE并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電843電源學(xué)會第二十一屆學(xué)術(shù)年會集流的影響。了一種改進的 SHE并網(wǎng)逆變表格， 使得IA_n(s)、IB_n(s)和 IC_n

9、(s)是 n 次相電流諧波。LCL 濾波器是由 L1 和 L2 還有 C 組成。電感電容的串聯(lián)寄生電阻被忽略。器SHE：通過設(shè)計改進的并網(wǎng)逆變器能夠產(chǎn)生低次電壓諧波，如 5次、7 次；再通過檢測并網(wǎng)電流中的諧波電流，由并網(wǎng)逆變器發(fā)出抑制該電流所對應(yīng)的諧波電壓分在 SHE逆變器中，低于最低次剩余諧波的所有波分量全部為零。因此，對應(yīng)的三相逆量。然后，文章詳細(xì)了改進表格的實現(xiàn)和變器輸出呈短路狀態(tài)。但是，實際電網(wǎng)中通常會有一些低次背景電壓諧波，如 5 次、7 次等。根據(jù)圖2 可以推導(dǎo)出電網(wǎng)背景諧波電壓對并網(wǎng)電流的擾動增益:諧波電流的設(shè)計。最后，在 T 型三電平的光伏逆變器平臺上進行了和實驗驗證。2電網(wǎng)

10、背景諧波副作用分析本文以 T 型三電平逆變器為例。主電路如圖 1 所示。電路相關(guān)的參數(shù)在表 1 中。T 型三電平拓?fù)溆袨V波器小開關(guān)損耗低的特點7。LCL 濾波器連接在逆變橋和輸出的升壓變壓器之間。()- 1 + 3CL s2I(s)1G(s) =A_ n=(1)(+ L ) sUG_ n(s)3CL L s + L3UGA _ n1 212在穩(wěn)態(tài)下，s 等于 jwn，wn 是 n 次諧波的角頻率。式 2 由式 1 推導(dǎo)得到。1 - 3CL w 2GU (s) =1 n(2)(+ L )w-3CL L w + L3G_ n+SSS1 2 n12n1591/2Udc SGridUAL2L1 L1L

11、13-根據(jù)式 2，電網(wǎng)背景諧波與并網(wǎng)電流諧波之間如圖 3 所示。S2aL2L2USUdcB7NSb的6SU11C+Sc1Transformer1/2Udc0S8 S12S4-0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020圖 1 T 型三電平光伏逆變器主電路原理圖表 1光伏逆變器的主電路參數(shù)參數(shù)符號數(shù)值Po250kW額定功率直流電壓Udc500V00.010.020.030.040.050.06電網(wǎng)電壓Ul_rms270Vgrid background voltage harmonics (p.u.)額定并網(wǎng)電流Ip_rms535A圖 3電網(wǎng)背景諧波與并網(wǎng)電流諧波

12、之間的f50Hz電網(wǎng)頻率在圖 3 中，隨著電網(wǎng)電壓背景諧波的增長，并網(wǎng)電流諧波迅速增長。因此，低次并網(wǎng)電流諧波對電網(wǎng)背景諧波極其敏感，這可能會導(dǎo)致并網(wǎng)電流不能滿足 IEEE 1547 標(biāo)準(zhǔn)中對 THD 的要求。3諧波抑制策略100mH逆變側(cè)電感L125mH網(wǎng)側(cè)電感L2100mF濾波電容CN58開關(guān)角個數(shù)為了分析電網(wǎng)背景諧波的副作用，電路的諧波模型演變?yōu)閳D 2 所示的結(jié)構(gòu)8-9。如果 SHE并網(wǎng)逆變器只能輸出分量，將導(dǎo)致逆變器失去抑制電網(wǎng)背景諧波對并網(wǎng)電流影響的能力。但是，如果逆變器能夠在輸出電壓中注入適當(dāng)?shù)碾妷褐C波分量，并網(wǎng)電流中的諧波分量就能夠被消除5。簡化的諧波模型如圖 4 所示。圖 2

13、SHE并網(wǎng)逆變器的諧波電路模型在圖 2 中，n 是諧波的次數(shù)。UGA_n(s)、UGB_n(s)和 UGC_n(s)是 n 次實際電網(wǎng)的相電壓諧波分量。844grid current harmonics (p.u.)5th current harmonic7th current harmonicCCCIA_ n(s)UGA _ n(s)電源學(xué)會第二十一屆學(xué)術(shù)年會集圖 4 改進的SHE并網(wǎng)逆變器的諧波電路模型UinvA_n(s)、UinvB_n(s)和 UinvC_n(s)是 n 次三相逆變器的橋臂輸出諧波電壓，諧波模型中的數(shù)學(xué):()()U(s) = 3CL L s + L + L s I (s

14、)+ 1 + 3CL s U32(s)invA _ n1 212A_n1GA _n()()U(s) =3CL L s + L + L sI (s)+ 1 + 3CL s U32(s)invB_n 1 212B_n 1GB_n ()(3)()(s) = 3CL L s + L + L s I (s)+ 1 + 3CL s U32UinvC _n (s)1 212C _n 1GC _n 為了抑制并網(wǎng)電流諧波，逆變器輸出電壓諧波UinvA_n(s)、UinvB_n(s)和 UinvC_n(s)可以根據(jù)式 3 得到。為了直接抑制低次并網(wǎng)電流諧波，逆變器輸出圖 5 改進的SHE策略的實現(xiàn)流程如下：框圖電

15、壓諧波分量應(yīng)該由并網(wǎng)電流諧波環(huán)路直接1）實時監(jiān)測并網(wǎng)電流，分別在、5 次、7次諧波旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)中做 abc-dq0 的旋轉(zhuǎn)變換，如此， 、5 次、7 次的并網(wǎng)電流 d、q 軸分量也就相應(yīng)的得到；2）與對應(yīng)的d、q 軸坐標(biāo)下的基準(zhǔn)作比較，得到的誤差量經(jīng)過 PI 調(diào)節(jié)器的計算和低通濾波器的計算得到。然后通過查表，向逆變器輸出電壓中注入對應(yīng)的諧波電壓分量。被注入的電壓諧波的幅值和應(yīng)該和電網(wǎng)背景諧波電壓的幅值配。相匹為了獲得較并網(wǎng)電流質(zhì)量，在原有的中加入諧波電流環(huán)路，特別是 5 次、7 次，過濾，獲得輸出橋臂電壓的幅值；*3） ud1*等于歸一化的 m1，uq1 等于 0，ud5 、uq5 、*ud7

16、 和 uq7 分別等于歸一化的 ud5、uq5、ud7 和 uq7；*4） 根據(jù) ud1 、ud5 、uq5 、ud7 和 uq7 ，相應(yīng)的如圖 5 所示。這種方式和空間矢量調(diào)制的諧波極其相似9-10，最大的不同在于的發(fā)生方式。圖 5 中，iabc 和uabc 分別是并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓。根據(jù)可以得到：電流回路，查表的電壓指令開關(guān)角可以在預(yù)先設(shè)計表中定位到； SHE發(fā)出相應(yīng)的設(shè)計根據(jù)查表得到的開關(guān)角（1 到N）脈沖。m=u 2 + u21d 1q1q表和環(huán)路參數(shù)設(shè)計將在接下來= arctan uq1(4)電壓的1u詳細(xì)。d1 m1 是電壓的幅值。ud1 和 uq1 是4建立改進的表格d、q 軸分

17、量。是 PLL 的輸出，即電網(wǎng)電壓的相位。q*是橋臂輸出電壓的。102-1圖 6 含有諧波的 SHE調(diào)制示意圖如圖 6 所示，由于對稱性的特點，含有不同幅值和的諧波的波的開關(guān)角至少應(yīng)該在半個周期范圍內(nèi)討論，而非 1/4 個周期。因周期中。此非線性方程組也要擴展到半個如果正弦波中只包含周期分量，則關(guān)于845123/2N電源學(xué)會第二十一屆學(xué)術(shù)年會集/2 偶對稱。但是注入諧波分量后，將不這一性來說）態(tài)下，假設(shè)電網(wǎng)背景諧波是式 8。，可以得到式 7 和質(zhì)11。為了獲得不同幅值和（相對的諧波，SHE周期內(nèi)。通過在 d 軸和q 軸下，電壓諧波的范圍是相同的，的非線性方程應(yīng)該擴展到半個葉展開建立非線性方程組

18、在式 7 和式 8 中，表的參數(shù) un_invmin、un_invmax、（5）。假設(shè)等式的個數(shù)是 N，一組開關(guān)角 1 到 N可以通過這 N 個方程求解得到。udn_inv、uqn_inv 都已經(jīng)計算出來。因此，橋臂輸出電壓的不同幅值和的諧波可以一個一個的計算得到。然后將諧波電壓的幅值歸一化，通過式 5 就可以計算出相應(yīng)的開關(guān)角。所有的開關(guān)角共同組成N2(-1) sin (1 ak ) = uq 1k*1p k =1 表格。用相應(yīng)的，每一組開關(guān)角都可以通2N(-1)(k +1 )cos 1 a = u*1p k =1 kd1過橋臂需要的諧波電壓幅值和表格中。等定位到2N(-1) sin (5

19、a ) = uk* 5 p kq 5k =1 2k +1 N( )( a ) =得到表格后，所有含有不同諧波的-*1cos 5ud 5 p k =1 k5以通過逆變器生成。很明顯，求解的精度越 2kN( )()-1 sin 7 a = u*kq 7(5)7 p 高，諧波補償?shù)木仍礁撸切枰脑酱??？臻g也=k 1 2 Nk +1 ( 1)(k =1 )- cos 7 a = u*kd7 p 7 52N N 2( 1)k*-sin 3 - 2 ak = uqNN3 2-23 - 2 pk =1 中采用的是一臺 250KW 的 T 型三電平光伏并網(wǎng)逆變。逆變器的參數(shù)在表 1.通過在理想三相交流電

20、源中注入不同含量的電壓諧波來模擬實際電網(wǎng)的背景電壓諧波。不同條件下的并網(wǎng)電流結(jié)果如下：2 2k +1 NN(-1)3 - 2 a = u*cosk Nd 3 N -2 22 3 - 2 p k =1 2由式 5 可以看出，每一次諧波分量都有兩個正*交的分量組成，其中 udn 和 uqn 是歸一化的 dq 坐標(biāo)系下 n 次諧波分量。當(dāng) n 為 1 時，ud1 和 uq1 是*109876543210without harmonics control with harmonics control6.94.15THD=8.3 THD=2.4的兩個歸一化分量，k 是 SHE的開關(guān)角。0.360.293

21、 24 25理論上，適當(dāng)?shù)哪孀冚敵鲋C波電壓 UinvA_n(s)、harmonic orderUinvB_n(s)和UinvC_n(s)能夠有效地抑制相對的并網(wǎng)諧圖 7 并網(wǎng)電流波形（滿載；背景諧波：5th (0.05 p.u. & 36.9) , 7th (0.045 p.u. & -153.4)）波電流 IA_n(s)、IB_n(s)和 IC_n(s)。但是事實上，對于（a）無諧波（b）有諧波（c）電流頻譜一個查表的系統(tǒng)，并網(wǎng)電流中的諧波分量不可109876543210能完全被消除。因此，諧波補償?shù)木群椭C波補償?shù)姆秶枰{入考慮。式 2 可以通過 abc/dq0 變換寫成式 6：with

22、out harmonics control6.92with harmonics control4.13THD=8.3 THD=1.20.270.2623 24 25harmonic order圖 8 并網(wǎng)電流波形（滿載；背景諧波：5th (0.05 p.u. &143.1), 7th (0.045 p.u. &153.4)）dn_inv1 20120 qn () dn_g() () ()()32= 3CL L nw + L + L nw i + 1 + 3CL nwuu10qn _inv1 20120 dn (10 ) qn _g() () ()()32u= 3CL L nw + L + L

23、nw i + 1 + 3CL nwu(6)（a）無諧波（b）有諧波（c）電流頻譜10其中u和u是 dq 坐標(biāo)系下的n 次逆變9without harmonics controldn_invqn_inv6.19with harmonics control4.65THD=8.0電壓，u和 u是 dq 坐標(biāo)系下的 n 次電網(wǎng)諧波THD=2.0dn_gqn_g0.430.3 24 25電壓，idn 和iqn 是 dq 坐標(biāo)系下的n 次并網(wǎng)電流諧波，harmonic ordern 是諧波的次數(shù)，w0 是角頻率。式 6 描述的是圖 9 并網(wǎng)電流波形（滿載；背景諧波：5th (0.045 p.u. &-26

24、.6), 7th (0.05 p.u. & -36.9)）電網(wǎng)電壓諧波、橋臂輸出電壓諧波和并網(wǎng)電流諧波（a）無諧波（b）有諧波（c）電流頻譜之間的數(shù)學(xué)。因此，如果設(shè)定并網(wǎng)電流中圖 7、圖 8、圖 9 展示的是滿載情況下的情況。圖 7、圖 8 有相同幅值的 5 次和 7 次電網(wǎng)背的諧波電流含量 idn_max 和 iqn_max 以及實際電網(wǎng)中的背景諧波電壓含量un_gmin, un_gmax，最大表格存景諧波電壓，但是諧波的不同。圖 9 是任意選儲精度和的諧波含量的范圍就可以得到。在穩(wěn)擇不同于前兩種條件的幅值和的背景諧波下846current harmonic (%)current harmo

25、nic (%)current harmonic (%)電源學(xué)會第二十一屆學(xué)術(shù)年會集的結(jié)果。這三個結(jié)果表明這種補償方式在543210滿載有和理論相符的補償效果。1.61098765432108.25without harmonics control0.4with harmonics control0.59 0.65 0.2914 15 16 17 18 19 203 24 25harmonic order圖 12實驗條件下電網(wǎng)電壓頻譜圖 10 并網(wǎng)電流波形（0.66 滿載；背景諧波：5th (0.042 p.u.& -135), 7 (0.036 p.u. & 56.3)）th20.0018.0

26、016.0014.0012.0010.008.006.004.002.000.00CH1 0-CH1 0-（a）無諧波（b）有諧波（c）電流頻譜CH2 0-CH2 0-14 15 16 17 18 19 201098765432108.65harmonic orderCH1:400V/div CH2:20A/div(a)CH1:400V/div CH2:20A/div(b)(c)5.31圖 13 橋臂輸出電壓和并網(wǎng)電流（滿載）0.580.523 24 25harmonic order（a）無諧波（b）有諧波（c）電流頻譜圖 11 并網(wǎng)電流波形（0.66 滿載；背景諧波：5th (0.045 p

27、.u.20.0018.0016.0014.0012.0010.008.006.004.002.000.00without harmonics controlwith harmonics control& 63.4), 7 (0.041 p.u. & -14)）10.18th3.010.56 0.40（a）無諧波（b）有諧波（c）電流頻譜1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20harmonic order圖 10 和圖 11 是 0.66 倍額定負(fù)載下的任意選取圖 14 橋臂輸出電壓和并網(wǎng)電流（0.6 滿載）的兩種不同幅值和的諧波條件下

28、的結(jié)果。（a）無諧波（b）有諧波（c）電流頻譜結(jié)果顯示：在非額定負(fù)載情況下，對于不同的諧波20.0018.0016.0014.0012.0010.008.006.004.002.000.0016.14without harmonics control幅值和，該仍的補償效果。with harmonics control1.740.59 0.326實驗在實驗中，采用的是一臺 10KW 的 T 型三電平光伏并網(wǎng)逆變器樣機。主電路如圖 1 所示，并網(wǎng)逆變器的參數(shù)在表 2 中。逆變器的輸出通過一臺升壓變壓器連接到線電壓 380V 的電網(wǎng)。1 2 3 4 5 6 7 8 919 20harmonic or

29、der圖 15 橋臂輸出電壓和并網(wǎng)電流（0.4 滿載）（a）無諧波（b）有諧波（c）電流頻譜根據(jù)實驗結(jié)果，可以看出并網(wǎng)電流中的 5 次、7 次諧波最為嚴(yán)重，其對電網(wǎng)背景諧波十分敏感。本文提出的諧波能夠有效地抑制電網(wǎng)背逆 變 器 使IKW40N120H3。CPLD 用來處理用的 開 關(guān) 器 件 是器是 DSP TMS320F2808，信號。景諧波引起的并網(wǎng)電流畸變。7總結(jié)通過分析電網(wǎng)背景諧波對 SHE表 2 10KW 光伏逆變器的主電路參數(shù)并網(wǎng)逆變參數(shù)符號數(shù)值器并網(wǎng)電流的影響，本文提出一種通過在逆變器輸出電壓中注入相應(yīng)諧波分量從而實現(xiàn)對并網(wǎng)電流10kW額定功率Po500V直流電壓Udc畸變有效消

30、除的并網(wǎng)電流諧波的。設(shè)計了270V電網(wǎng)電壓Ul_rms一種改進的表格，使得并網(wǎng)逆變器能夠產(chǎn)生低21.384A額定并網(wǎng)電流Ip_rms次諧波電壓，特別是 5 次、7 次。再者，基于并網(wǎng)電流諧波的檢測，通過計算獲得所需要的相應(yīng)的輸50Hz電網(wǎng)頻率f0.68mH逆變側(cè)電感L10.68mH網(wǎng)側(cè)電感L2出電壓諧波分量的幅值和，從而達到并網(wǎng)電流6mFC濾波電容諧波的有效。然后，實現(xiàn)了表格的設(shè)58開關(guān)角個數(shù)N計和環(huán)路的設(shè)計。最后，在 250KW 的 T 型三電平光伏并網(wǎng)逆變器平臺上完成了，實驗中電網(wǎng)電壓頻譜如圖 12 所示。圖 13、14、15 是在不同負(fù)載條件下的實驗結(jié)果。首先，在只有在10KW 的T 型

31、三電平光伏并網(wǎng)逆變器上完成了相應(yīng)的實驗驗證。實驗結(jié)果證實了該的可行性。基頻諧波電流的條件下完成實驗，然后按照本文提出的完成對比實驗。（a）（b）圖顯示參考文獻1 Bierk, H. A novel SHEtechnique with low的是橋臂的相電壓波形和并網(wǎng)電流的波形。（c）顯示的是先后兩種實驗條件的并網(wǎng)電流頻譜。switching frequency for current source inverters in high847current harmonic (%)current harmonic (%)current harmonic (%)current harmonic (%

32、)current harmonic (%)THD=17.2THD=3.8THD=11.4THD=3.2without harmonics controlwith harmonics controlTHD=10.2THD=2.1without harmonics control with harmonics control8.45THD=9.50.34THD=2.32.110.57THD=9.6THD=1.7電源學(xué)會第二十一屆學(xué)術(shù)年會集power applicationsC, Electric Power and Energy Conversion Systems (EPECS), 2011 2

33、nd International Conference on, vol. no. pp.1, 6, 15-17 Nov. 2011.Zhang, Yangfan; Yan, Cheng; Zou, Shenjian; Xu, Dehong,mitigation method for non-eliminated harmonics ofSHEthree-level multipulse three-phase active frontend converterC, Industrial Electronics, 2003. ISIE03. 2003 IEEE International Sym

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