張鴻博，蔡曉峰

直流電壓含二次紋波條件下并網(wǎng)逆變器輸出諧波抑制

張鴻博1，蔡曉峰2

(1.華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，河南 鄭州 450045；2.河南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南 新鄭 451191)

單相并網(wǎng)逆變器及電網(wǎng)電壓不對(duì)稱(chēng)情況下的三相并網(wǎng)逆變器，直流母線電壓均含有明顯的二倍工頻紋波分量。受該紋波分量影響，逆變器交流側(cè)輸出含有明顯的三次諧波，影響逆變器輸出電能質(zhì)量。針對(duì)上述問(wèn)題，利用雙重傅里葉變換和開(kāi)關(guān)函數(shù)法對(duì)并網(wǎng)逆變器的輸出諧波特性進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上提出了抑制單相和三相逆變器輸出三次諧波的改進(jìn)脈寬調(diào)制方法。該方法根據(jù)直流母線電壓修正調(diào)制波，無(wú)需提取直流母線電壓紋波分量信息，算法復(fù)雜度低，易于實(shí)現(xiàn)。通過(guò)開(kāi)關(guān)函數(shù)法詳細(xì)證明了新型調(diào)制方法的可行性，給出了基于該調(diào)制方法的單相及三相光伏逆變器的控制策略。仿真驗(yàn)證了所提調(diào)制方法可顯著降低直流母線電壓含二次紋波條件下并網(wǎng)逆變器的輸出三次諧波成分。

直流母線電壓波動(dòng)；三次諧波；雙重傅里葉分析；開(kāi)關(guān)函數(shù)；調(diào)制方法

0 引言

單相并網(wǎng)逆變器瞬時(shí)功率存在二倍于電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，該波動(dòng)功率使直流母線疊加大量二倍頻紋波電壓(簡(jiǎn)稱(chēng)二次紋波)[1-2]。三相并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)三相電壓不對(duì)稱(chēng)時(shí)存在并網(wǎng)功率二倍頻脈動(dòng)的問(wèn)題[3-4]，也會(huì)導(dǎo)致直流母線電壓含有大量二次紋波。

在兩級(jí)式并網(wǎng)逆變器中，直流母線電壓二次紋波對(duì)前級(jí)DC/DC電路和后級(jí)DC/AC電路均有不良影響。對(duì)前級(jí)DC/DC電路，直流母線二次紋波電壓會(huì)導(dǎo)致DC/DC電路及直流電源流過(guò)二次諧波電流，已有不少文獻(xiàn)對(duì)前級(jí)DC/DC電路二次諧波電流的抑制方法進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[5]對(duì)這些方法進(jìn)行了梳理和總結(jié)。以下重點(diǎn)分析對(duì)后級(jí)DC/AC電路的影響。直流母線上的二次紋波電壓會(huì)導(dǎo)致后級(jí)DC/AC交流側(cè)輸出含有三次諧波和附加基頻分量[6-7]，影響逆變器輸出電能質(zhì)量。文獻(xiàn)[8]提出了一種能夠抑制PWM逆變器電流紋波的變開(kāi)關(guān)頻率調(diào)制方法，通過(guò)使用該方法進(jìn)行調(diào)制，可以使逆變器在不犧牲效率的前提下，有效降低電流紋波。文獻(xiàn)[9]以電流紋波中開(kāi)關(guān)頻率次諧波幅值最小為目標(biāo)計(jì)算各模塊的載波移相角，根據(jù)不同的工況調(diào)整移相角，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了一種抑制電流紋波的調(diào)制策略。文獻(xiàn)[10]采用大容量的直流母線電容抑制電壓波動(dòng)，但這會(huì)增加系統(tǒng)的體積和成本；文獻(xiàn)[1,11-12]通過(guò)增加輔助電路，并結(jié)合特定的控制算法在直流側(cè)吸收二次脈動(dòng)功率或者在交流側(cè)抵消二次脈動(dòng)功率以抑制直流母線電壓的波動(dòng)，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制算法更為復(fù)雜，成本增加更為顯著。

與上述方法相比，改進(jìn)脈寬調(diào)制法[13-16]不僅不需增加額外的電路元件、易于實(shí)現(xiàn)，而且在直流母線高二次紋波條件下仍然能達(dá)到良好效果，這有助于逆變器采用小容量的直流母線電容。其中文獻(xiàn)[13]根據(jù)直流母線電流紋波信息對(duì)調(diào)制函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，有效抑制了逆變器輸出電流的低次諧波。文獻(xiàn)[14]在三角載波中融入直流母線電壓紋波信息，實(shí)現(xiàn)了交流側(cè)低次諧波的抑制。但文獻(xiàn)[13-14]都基于模擬電路實(shí)現(xiàn)，不適用于數(shù)字控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)[15-16]提出了動(dòng)態(tài)調(diào)制比的方法，即提取直流母線電壓中的紋波分量信息，并注入到調(diào)制比中，以補(bǔ)償二次紋波分量在輸出電壓側(cè)造成的畸變。這類(lèi)調(diào)制算法可在不增加電路拓?fù)浜涂刂撇呗詮?fù)雜度的條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)單相逆變器輸出電壓中低次諧波的有效削弱。但提取直流母線電壓中的紋波分量需要采用基于三階廣義積分器的增強(qiáng)型鎖相環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)，增加了調(diào)制算法的復(fù)雜度。

本文在文獻(xiàn)[15-16]的基礎(chǔ)上提出了一種直流側(cè)高二次紋波下抑制逆變器輸出諧波的新型調(diào)制方法，該方法根據(jù)實(shí)時(shí)采樣得到的母線電壓直接修正調(diào)制波，無(wú)需提取直流母線電壓中的紋波分量信息，通過(guò)開(kāi)關(guān)函數(shù)法詳細(xì)證明了新型調(diào)制方法的可行性。與文獻(xiàn)[15-16]相比，新調(diào)制方法復(fù)雜度低，更易于實(shí)現(xiàn)。本文給出了新型調(diào)制方法在單相及三相光伏并網(wǎng)逆變器中的具體應(yīng)用方案，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提調(diào)制方法的實(shí)用效果。

1 逆變器直流母線電壓二次波動(dòng)機(jī)理

1.1 單相并網(wǎng)逆變器

圖1 兩級(jí)式單相光伏并網(wǎng)逆變器

根據(jù)式(1)、式(2)，可以求出并網(wǎng)功率g為

可見(jiàn)，并網(wǎng)功率存在二倍工頻波動(dòng)。

假設(shè)H橋的變換效率為100%，則H橋直流側(cè)輸入功率等于H橋交流側(cè)輸出功率，于是有

圖2 兩級(jí)式單相逆變系統(tǒng)的簡(jiǎn)化原理圖

對(duì)上式積分，可得：

式(8)表明直流母線上含有二倍工頻紋波成分。

1.2 三相并網(wǎng)逆變器

三相并網(wǎng)逆變器如圖3所示，當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，逆變器交流側(cè)輸出功率在不平衡條件下表達(dá)形式為[6]

式中：為恒定直流量；、分別為二倍頻脈動(dòng)余弦分量幅值和正弦分量幅值。與單相逆變器類(lèi)似，此時(shí)二倍頻波動(dòng)功率同樣會(huì)使三相H橋直流側(cè)電流存在二倍工頻電流，當(dāng)二倍工頻電流全部或部分由提供時(shí)，即會(huì)導(dǎo)致直流側(cè)母線存在二倍頻紋波電壓。

2 逆變器交流側(cè)輸出諧波分析

如圖4所示，對(duì)調(diào)制波進(jìn)行雙極性PWM調(diào)制，得到的脈沖序列為，則為控制圖1功率開(kāi)關(guān)管、通斷的開(kāi)關(guān)函數(shù)[19]：當(dāng)時(shí)，上橋臂導(dǎo)通，下橋臂S3關(guān)斷，；當(dāng)時(shí)，上橋臂關(guān)斷，下橋臂導(dǎo)通，?？捎煤捅硎綶20]，即：。

根據(jù)文獻(xiàn)[21]，開(kāi)關(guān)函數(shù)s1可以通過(guò)雙重傅里葉變換得到，其傅里葉級(jí)數(shù)為

以上是針對(duì)母線電壓恒定時(shí)進(jìn)行的分析，而當(dāng)母線電壓存在二倍工頻波動(dòng)時(shí)，為方便分析，直流母線電壓記為

為抑制直流側(cè)二次紋波電壓對(duì)逆變器輸出電能質(zhì)量的影響，文獻(xiàn)[15-16]提出了動(dòng)態(tài)調(diào)制比的方法，通過(guò)提取直流母線電壓中的紋波分量信息并注入到調(diào)制比中，來(lái)補(bǔ)償二次紋波分量在輸出電壓側(cè)造成的畸變。但提取直流母線電壓中的紋波分量需要采用基于三階廣義積分器的增強(qiáng)型鎖相環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)，增加了調(diào)制算法的復(fù)雜度。為此本文提出以下新型調(diào)制方法。

3 新型調(diào)制方法

3.1 單相逆變器

取H橋調(diào)制波m1x、m2x分別為

則對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)函數(shù)變?yōu)?/p>

于是有

由此可見(jiàn)，通過(guò)實(shí)時(shí)采樣直流母線電容電壓并對(duì)目標(biāo)期望電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，然后將修正后的電壓作為調(diào)制波，與幅值為±1的三角載波進(jìn)行脈寬調(diào)制，即可在直流電壓存在二倍工頻波動(dòng)的情況下仍然輸出期望的目標(biāo)電壓，且不會(huì)出現(xiàn)三次諧波和附加基頻分量。因此，沒(méi)有必要從波動(dòng)的直流母線電壓中提取出直流成分或者二次波動(dòng)成分。

該調(diào)制方法根據(jù)采樣得到的直流側(cè)電容電壓直接修正調(diào)制波，無(wú)需提取直流母線電壓中的紋波分量信息，與文獻(xiàn)[15-16]相比，該方法復(fù)雜度大大降低，更易于實(shí)現(xiàn)。

采用新型調(diào)制方法的單相并網(wǎng)逆變器控制原理如圖5所示。圖中前級(jí)Boost電路采用直接占空比擾動(dòng)法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤[22]。后級(jí)逆變器采用直流電壓外環(huán)、并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)的控制方式，電壓外環(huán)采用PI控制，電流內(nèi)環(huán)采用比例諧振(PR)控制，即

3.2 三相逆變器

以上分析針對(duì)單相并網(wǎng)逆變器，對(duì)于三相并網(wǎng)逆變器，設(shè)調(diào)制波為

經(jīng)過(guò)PWM調(diào)制得到的三橋臂開(kāi)關(guān)函數(shù)忽略其中的高頻載波分量，有：

同理可得

顯然，當(dāng)期望輸出電壓三相幅值相等時(shí)，1、2、3三者相等，否則三者不相等，且期望輸出電壓幅值越大，值越大。

當(dāng)直流母線電壓含有二倍工頻波動(dòng)時(shí)，根據(jù)式(16)和式(33)，有

同理可得：

可見(jiàn)，三相輸出電壓中除了期望輸出基波電壓外，還存在三次諧波和負(fù)序分量，且三次諧波電壓與該相期望輸出基波電壓對(duì)應(yīng)的調(diào)制系數(shù)有關(guān)，期望輸出基波電壓越大，越大，因此輸出電壓中含有的三次諧波電壓也就越大，由三次諧波電壓引起的三次諧波電流也會(huì)隨之增大。

為了避免輸出電壓存在三次諧波和負(fù)序分量，將期望電壓修正為

當(dāng)直流母線電壓波動(dòng)時(shí)

同理可得：

此時(shí)三相電壓與期望輸出一致，不存在三次諧波和負(fù)序分量。

對(duì)比式(21)和式(38)可以看出，單相逆變器和三相逆變器在對(duì)調(diào)制波進(jìn)行修正時(shí)存在一個(gè)2倍系數(shù)項(xiàng)的差別，其原因在于單相逆變器是對(duì)通過(guò)兩個(gè)橋臂輸出電壓的差值形成單相電壓的，而三相逆變器只是通過(guò)一個(gè)橋臂輸出電壓與直流側(cè)中性點(diǎn)形成單相電壓的。

圖6 三相光伏并網(wǎng)逆變器控制原理圖

本文所提出的改進(jìn)調(diào)制方法除適用于以上介紹的單相并網(wǎng)逆變器及不對(duì)稱(chēng)情況下的三相并網(wǎng)逆變器外，也適用于其他直流母線電壓存在二次紋波的場(chǎng)合，如離網(wǎng)單相逆變器或離網(wǎng)三相逆變器三相負(fù)載不對(duì)稱(chēng)等，篇幅所限，不再一一介紹。

4 仿真分析

4.1 單相并網(wǎng)逆變器

單相光伏并網(wǎng)逆變器的仿真建模主要依據(jù)圖1和圖5且在Matlab/Simulink中進(jìn)行，為方便對(duì)比，分別建立了3種模型，模型1不采用滑動(dòng)周期平均濾波器且采用常規(guī)調(diào)制方法(以下簡(jiǎn)稱(chēng)常規(guī)策略)，模型2采用滑動(dòng)周期平均濾波器但未采用本文改進(jìn)調(diào)制方法而仍采用常規(guī)調(diào)制方法(以下簡(jiǎn)稱(chēng)改進(jìn)策略1)，模型3同時(shí)采用滑動(dòng)周期平均濾波器和本文改進(jìn)調(diào)制方法(以下簡(jiǎn)稱(chēng)改進(jìn)策略2)。仿真模型中的參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 單相逆變器仿真參數(shù)

單相并網(wǎng)逆變器仿真結(jié)果如圖7。0.2 s前逆變器處于直流電容充電、鎖相環(huán)鎖相及最大功率點(diǎn)追蹤的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，電路還不穩(wěn)定，0.2 s后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。從穩(wěn)態(tài)后的直流電容電壓波形圖中(圖7(a))可以看出，直流側(cè)電壓存在明顯的二倍頻波動(dòng)，3種策略下直流側(cè)電壓波動(dòng)情況相近，不再一一給出。

并網(wǎng)電流離散傅里葉分析(DFT)結(jié)果(圖7(b)-—圖7(d))表明，常規(guī)策略并網(wǎng)電流含有較多的三次諧波，改進(jìn)策略1雖可使并網(wǎng)電流三次諧波有所減少，但仍然含有相當(dāng)份量的三次諧波，改進(jìn)策略2則可使并網(wǎng)電流中的三次諧波含量進(jìn)一步減少，甚至接近于零，較徹底地抑制并網(wǎng)電流三次諧波，證明了所提出的改進(jìn)調(diào)制策略的有效性，同時(shí)也驗(yàn)證了前文所分析的將滑動(dòng)周期平均濾波器和本文所提出的改進(jìn)調(diào)制方法結(jié)合使用的必要性。

圖7 單相并網(wǎng)逆變器仿真結(jié)果

4.2 三相并網(wǎng)逆變器

三相光伏并網(wǎng)逆變器的仿真模型主要依據(jù)圖3和圖6，為對(duì)比分析，分別建立了采用常規(guī)調(diào)制方法的仿真模型(簡(jiǎn)稱(chēng)三相常規(guī)策略)和采用本文改進(jìn)調(diào)制方法的仿真模型(簡(jiǎn)稱(chēng)三相改進(jìn)策略)。模型中的參數(shù)見(jiàn)表2，表2中未列寫(xiě)的參數(shù)同表1。

表2 三相逆變器部分仿真參數(shù)

仿真采用的電網(wǎng)電壓波形如圖8所示，0～0.3 s，三相電壓對(duì)稱(chēng)(幅值311 V)，0.3 s后出現(xiàn)BC兩相電壓跌落，對(duì)應(yīng)的三相正序電壓跌落為186.6 V，負(fù)序電壓則從0升至124.4 V。

0.2 s前，逆變器處于直流電容充電、鎖相環(huán)鎖相及最大功率點(diǎn)追蹤的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，0.2 s后達(dá)到穩(wěn)態(tài)。0～0.3 s，三相電壓對(duì)稱(chēng)，Boost電路運(yùn)行于MPPT模式，后級(jí)逆變器運(yùn)行于雙閉環(huán)模式，0.3 s后出現(xiàn)兩相電壓跌落，Boost運(yùn)行于穩(wěn)壓模式，后級(jí)逆變器運(yùn)行于單電流環(huán)模式，經(jīng)過(guò)短暫的過(guò)渡過(guò)程，逆變器進(jìn)入三相不對(duì)稱(chēng)的新的穩(wěn)態(tài)，仿真所得的波形如圖9所示。

從穩(wěn)態(tài)后的并網(wǎng)電流波形及諧波含量可以看出，三相常規(guī)策略并網(wǎng)電流含有較多的三次諧波，THD(Total Harmonic Distortion)存在超標(biāo)情況，且三相三次諧波電流不同，其中A相三次諧波電流最大，B、C相較小且接近，原因在于，A相電網(wǎng)電壓最高，逆變器的輸出電壓和電網(wǎng)電壓接近，因此調(diào)制比A相最大，BC相相對(duì)較小且接近，根據(jù)3.2節(jié)的分析，A相輸出的三次諧波電壓也最大，由此產(chǎn)生的三次諧波電流也相應(yīng)最大。

三相改進(jìn)策略則可使并網(wǎng)電流中的三次諧波減少90%左右，較徹底地抑制了并網(wǎng)電流三次諧波，THD明顯改善，證明了所提出的改進(jìn)調(diào)制方法的有效性。

圖8 電網(wǎng)電壓波形圖

5 結(jié)論

1)?通過(guò)實(shí)時(shí)采樣直流母線電容電壓并對(duì)目標(biāo)期望電壓按本文方法進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，即可在直流母線電壓存在二次紋波的情況下輸出期望的目標(biāo)電壓。不必從直流母線電壓中提取出直流成分或者二次波動(dòng)成分。

2)?單相光伏并網(wǎng)逆變器輸出三次諧波電流同時(shí)受到并網(wǎng)指令電流中三次諧波成分和調(diào)制過(guò)程中引入的三次諧波成分的影響。因此抑制單相光伏并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流中的三次諧波成分，需要同時(shí)削弱并網(wǎng)指令電流中的三次諧波成分和調(diào)制過(guò)程所產(chǎn)生的三次諧波成分。

3)?由于單相逆變器和三相逆變器在相電壓的形成上存在差別，導(dǎo)致單相逆變器和三相逆變器在對(duì)調(diào)制波進(jìn)行修正時(shí)存在一個(gè)2倍系數(shù)項(xiàng)的差別。

[1] 林智樂(lè), 何良宗, 周鴻彥. 基于有源負(fù)電容的電壓源型逆變器直流母線二次功率脈動(dòng)的抑制方法[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2021, 41(22): 7772-7781.

LIN Zhile, HE Liangzong, ZHOU Hongyan. Suppressing secondary power pulsation method for DC bus of voltage source inverter based on active negative capacitor[J]. Proceedings of the CSEE, 2021, 41(22): 7772-7781.

[2] 郭曉瑞, 王培良, 郭吉豐, 等. 光伏并網(wǎng)逆變器母線電壓紋波的分析與控制[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2017, 37(5): 48-53.

GUO Xiaorui, WANG Peiliang, GUO Jifeng, et al. Analysis and control of bus voltage ripples for grid-connected photovoltaic inverter[J]. Electric Power Automation Equipment, 2017, 37(5): 48-53.

[3] 唐圣學(xué), 宋聲遠(yuǎn), 姚芳. 抑制漏電流的非隔離電流型光伏并網(wǎng)逆變器[J]. 電測(cè)與儀表, 2021, 58(1): 54-61.

TANG Shengxue, SONG Shengyuan, YAO Fang. A transformerless current source photovoltaic grid-connected inverter for suppressing leakage current[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2021, 58(1): 54-61.

[4] 杜田雨, 付子義, 任磊. 不平衡電網(wǎng)下逆變器功率波動(dòng)/電流質(zhì)量協(xié)調(diào)控制[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2020, 48(5): 141-150.

DU Tianyu, FU Ziyi, REN Lei. Coordinate control of power fluctuation and current quality for inverter[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(5): 141-150.

[5] 汪飛, 雷志方, 梁東, 等. 單相逆變器低頻脈動(dòng)電流抑制機(jī)理分析與方法綜述[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2017, 37(2): 184-191, 198.

WANG Fei, LEI Zhifang, LIANG Dong, et al. Analysis of mechanism and review of methods for low-frequency ripple current suppression of single-phase inverter[J]. Electric Power Automation Equipment, 2017, 37(2): 184-191, 198.

[6] 席曉林, 吳杰, 王寧, 等. 交直流混合微電網(wǎng)中關(guān)于紋波的研究[J]. 電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(6): 76-82.

XI Xiaolin, WU Jie, WANG Ning, et al. Research on ripple in AC/DC hybrid microgrid[J]. Journal of Electric Power Science and Technology, 2020, 35(6): 76-82.

[7] 翦志強(qiáng), 司徒琴. 三相電壓不對(duì)稱(chēng)跌落光伏并網(wǎng)逆變器控制方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(14): 126-130.

JIAN Zhiqiang, SITU Qin. Control method of photovoltaic grid-connected inverter under three-phase voltage unbalanced dips[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(14): 126-130.

[8] 李艷麗, 王輝. 一種抑制PWM 逆變器電流紋波的變開(kāi)關(guān)頻率調(diào)制方法[J]. 電測(cè)與儀表, 2021, 58(2): 190-195.

LI Yanli, WANG Hui. Variable switching frequency modulation method for suppressing currentripple of PWM inverter[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2021, 58(2): 190-195.

[9] 陳天牧, 曾國(guó)宏, 王靜, 等. 抑制電流紋波的模塊化多電平直流變換器移相調(diào)制策略[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2021, 45(21): 206-214.

CHEN Tianmu, ZENG Guohong, WANG Jing, et al. Phase-shifted modulation strategy of modular multilevel DC/DC converter for current ripple suppression[J]. Automation of Electric Power Systems, 2021, 45(21): 206-214.

[10] KREIN P T, BALOG R S, MIRJAFARI M. Minimum energy and capacitance requirements for single-phase inverters and rectifiers using a ripple port[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(11): 4690-4698.

[11] TANG Y, BLAABJERG F, LOH P C, et al. Decoupling of fluctuating power in single-phase systems through a symmetrical half-bridge circuit[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(4): 1855-1865.

[12]章勇高, 孔令韜, 王增強(qiáng), 等. 微逆變器交流側(cè)泛Buck-boost功率解耦技術(shù)研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2020, 48(24): 16-26.

ZHANG Yonggao, KONG Lingtao, WANG Zengqiang, et al. Research on pan buck-boost power decoupling technology on the AC side of a micro-inverter[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(24): 16-26.

[13] LI R, CHUNG S, CHAN T. An active modulation technique for single-phase grid-connected CSI[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 22(4): 1373-1382.

[14] JANAKIRAMAN P A, RAHMAN S A. Linear pulse width modulation under fluctuating power supply[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014, 61(4): 1769-1773.

[15]涂春鳴, 李慧, 唐杰, 等. 電網(wǎng)電壓不對(duì)稱(chēng)對(duì)D-STATCOM的影響分析及抑制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2009, 24(10): 114-121.

TU Chunming, LI Hui, TANG Jie, et al. Analysis and suppression of influence on D-STATCOM under unbalanced voltage of power system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2009, 24(10): 114-121.

[16]徐辰華, 伍建松, 劉斌, 等. 直流側(cè)電壓高二次紋波率條件下的單相逆變器諧波削弱調(diào)制[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2020, 44(3): 176-184.

XU Chenhua, WU Jiansong, LIU Bin, et al. Harmonic reduction modulation strategy of single-phase inverter with high second-order ripple rate of voltage on DC side[J]. Automation of Electric Power Systems, 2020, 44(3): 176-184.

[17] 祝國(guó)平, 阮新波, 王學(xué)華, 等. 兩級(jí)式單相逆變器二次紋波電流的抑制與動(dòng)態(tài)特性的改善[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, 33(12): 72-80.

ZHU Guoping, RUAN Xinbo, WANG Xuehua, et al. Suppression of the second harmonic current and improvement of the dynamic performance for two-stage single-phase inverters[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(12): 72-80.

[18] JEONG H G, KIM G S, LEE K B. Second-order harmonic reduction technique for photovoltaic power conditioning systems using a proportional-resonant controller[J]. Energies, 2013, 6(1): 79-96.

[19]王汝田, 王建賾, 紀(jì)延超, 等. 基于補(bǔ)償函數(shù)的SPWM矩陣變換器控制策略[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2008, 28(4): 37-41.

WANG Rutian, WANG Jianze, JI Yanchao, et al. SPWM control based on compensation function for matrix converter[J]. Electric Power Automation Equipment, 2008, 28(4): 37-41.

[20] 武小梅, 徐新, 聶一雄. 基于開(kāi)關(guān)函數(shù)的三相電壓源型逆變器的新型仿真模型[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2009, 37(11): 74-77.

WU Xiaomei, XU Xin, NIE Yixiong. New simulation model of three-phase voltage source inverter based on switching functions[J]. Power System Protection and Control, 2009, 37(11): 74-77.

[21]王立喬. 正弦波逆變器脈寬調(diào)制技術(shù)的調(diào)制模型分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2008, 32(17): 45-49.

WANG Liqiao. Modulated model analysis of pulse width modulation technique for sinusoidal inverters[J]. Automation of Electric Power Systems, 2008, 32(17): 45-49.

[22]方波, 李明, 康龍?jiān)? 直接占空比擾動(dòng)的新型光伏自適應(yīng)爬山法[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào), 2014, 26(9): 30-34.

FANG Bo, LI Ming, KANG Longyun. Novel adaptive hill climbing algorithm for PV power system with direct duty cycle perturbation[J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2014, 26(9): 30-34.

[23]陳瑞成, 苗加振, 胡驄, 等. 單相光伏逆變器直流母線電壓二次波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)影響的分析與抑制[J]. 電測(cè)與儀表, 2017, 54(10): 7-13, 20.

CHEN Ruicheng, MIAO Jiazhen, HU Cong, et al. Analysis and suppression on effect of secondary voltage disturbances of DC bus for single-phase PV inverter[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2017, 54(10): 7-13, 20.

[24]歐陽(yáng)森, 馬文杰. 兼顧功率協(xié)調(diào)控制的兩級(jí)式光伏逆變器低電壓穿越控制策略[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2018, 46(5): 93-99.

OUYANG Sen, MA Wenjie. Control strategy considering power coordinated control for low-voltage ride through two-stage PV inverter[J]. Journal of South China University of Technology (Natural Science Edition), 2018, 46(5): 93-99.

[25]王景鋼, 劉軼. 考慮光伏逆變器電流裕度的主動(dòng)配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)電壓支撐策略[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2021, 49(6): 105-113.

WANG Jinggang, LIU Yi. Dynamic voltage support strategy for an active distribution network considering the current margin of a photovoltaic inverter[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(6): 105-113.

[26]孔祥平, 張哲, 尹項(xiàng)根, 等. 含逆變型分布式電源的電網(wǎng)故障電流特性與故障分析方法研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, 33(34): 65-74.

KONG Xiangping, ZHANG Zhe, YIN Xianggen, et al. Study on fault current characteristics and fault analysis method of power grid with inverter interfaced distributed generation[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(34): 65-74.

Output harmonic suppression of a grid-connected inverter with secondary ripple in DC voltage

ZHANG Hongbo1, CAI Xiaofeng2

(1. School of Electric Power, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China;2. School of Mechanical Engineering, Henan University of Engineering, Xinzheng 451191, China)

In a single-phase grid-connected inverter and three-phase grid-connected inverter with asymmetric grid voltage, the bus voltage on the DC side contains an obvious double power frequency ripple component. Affected by this ripple component, the AC output side of grid-connected inverter contains an obvious third harmonic, which affects the output power quality of the inverter. To solve the above problems, the output harmonic characteristics of grid-connected inverters are analyzed using a dual Fourier transform and switching function method. An improved pulse width modulation method is proposed to suppress the third harmonic output of single-phase and three-phase inverters. This method corrects the modulation wave according to the DC bus voltage, and does not need to extract the ripple component information of the DC bus voltage. The algorithm is low in complexity and easy to implement. The feasibility of the new modulation method is proved by the switching function method. The control strategies of single-phase and three-phase photovoltaic inverters based on this modulation method are given. Simulation results show that the proposed modulation method can significantly reduce the output third harmonic components of grid-connected inverters with secondary ripple in the DC bus voltage.

DC bus voltage fluctuation; third harmonic; dual Fourier analysis; switching function; modulation methods

10.19783/j.cnki.pspc.211393

2021-10-15；

2022-01-19

張鴻博(1980—)，男，通信作者，碩士，講師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用；E-mail: zhhbncwu@163.com

蔡曉峰(1981—)，女，碩士，講師，研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電技術(shù)。E-mail: cxfzjy@126.com

河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目資助(182102210333)；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目計(jì)劃支持(17A470011)

This work is supported by the Key Science and Technology Project of Henan Province (No. 182102210333).

(編輯 姜新麗)