易善軍，王炳然，竇姿麟，劉少午，王 欣

(1.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.哈爾濱工業(yè)大學(威海) 新能源學院，山東 威海 264209；3.國家電網(wǎng)公司東北分部，遼寧 沈陽110180；4.中國科學院沈陽計算技術(shù)研究所有限公司，遼寧 沈陽 110168)

0 引言

當下PWM整流器在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域大范圍使用，但是在實際應(yīng)用過程中，在PWM整流器中，尤其是在單獨的小功率供電電網(wǎng)中經(jīng)常出現(xiàn)輸入電壓幅值、波形以及頻率波動等非正常情況[1]。此時，基于電網(wǎng)電壓平衡的控制策略，無法有效很好地調(diào)制電網(wǎng)電壓中的無序并且不可預(yù)測電網(wǎng)電壓的不平衡狀態(tài)，導(dǎo)致電網(wǎng)運行安全存在很大隱患。電網(wǎng)運行安全是指使電網(wǎng)符合相關(guān)規(guī)定，連續(xù)、穩(wěn)定、正常地完成運行[2]。電網(wǎng)運行安全調(diào)制是指在電網(wǎng)電壓處于平衡狀態(tài)以外的任何1種非正常情況下，例如電壓不平衡、頻率和輸入的幅值不對等等情況，通過調(diào)制這些跟電網(wǎng)電壓關(guān)聯(lián)較大的影響因素，保證電網(wǎng)安全運行。例如王凌云等為了確保電網(wǎng)安全運行，提出基于改進功率環(huán)的微電網(wǎng)對等控制策略研究[3]；李圣清等提出的基于改進動態(tài)下垂系數(shù)的微電網(wǎng)控制策略研究[4]，這2種策略在控制電網(wǎng)安全同時，均存在一些電壓的控制誤差及出現(xiàn)電壓不穩(wěn)的情況。為了有效改善上述問題，本文研究基于改進PWM控制的電網(wǎng)運行安全調(diào)制策略，以期有效完成微電網(wǎng)在非正常情況下的調(diào)制，并保證微電網(wǎng)的安全運行。

1 基于改進PWM控制的電網(wǎng)運行安全調(diào)制策略

為了提升電網(wǎng)運行安全性與穩(wěn)定性，研究基于改進PWM控制的電網(wǎng)運行安全調(diào)制策略，采用三相PWM整流器負序電壓不平衡控制策略的控制系統(tǒng)執(zhí)行流程如圖1所示。PWM整流器即把PWM控制技術(shù)引入到整流器的控制中，以使整流器輸入電流正弦化，且和輸入電壓同相位，功率因數(shù)近似為1的整流器，這種整流電路也可以稱為高功率因數(shù)整流器。

圖1 控制系統(tǒng)執(zhí)行流程Fig.1 Execution procedure of control system

1.1 電網(wǎng)不平衡問題分析

輸入的三相電壓幅值和頻率不對稱會導(dǎo)致三相電網(wǎng)的不平衡[5]。分別以1個正序旋轉(zhuǎn)和1個負序旋轉(zhuǎn)的矢量與反饋之和，表示在三線制電網(wǎng)不對稱情況下的電網(wǎng)電壓，如式(1)所示：

(1)

式中：Ua、Ub、Uc分別為電網(wǎng)三相中各個交流電壓；ω為三相電力系統(tǒng)角頻率，rad/s；Ux+、Ux-分別為正、負序電壓分量，V；θo、t分別表示相位初始夾角與時間點。若三相電網(wǎng)電壓在理想的平衡情況下，θo、Ux-需滿足θo=0、Ux-=0，由此看出，理想的三相交流電源是不存在的。

1.2 三相PWM整流器負序電壓不平衡控制策略

(2)

電網(wǎng)電壓不平衡時，為抑制PWM整流器直流側(cè)電壓2次諧波，必須保證控制整流器有效功率是恒定值，并且滿足以下條件，如式(3)所示：

(3)

在PWM整流器單位功率因數(shù)運行在控制時，正序電流和電壓需要滿足下述相位關(guān)系，如式(4)所示：

(4)

根據(jù)式(3)的第1項和式(4)，負序電流和負序電壓相位必須滿足以下條件，如式(5)所示：

(5)

電網(wǎng)正負序電壓和正負序電流分量必須滿足以下條件，如式(6)所示：

(6)

式中：三相PWM整流器相對于電網(wǎng)的等效正序和負序阻抗分別為Zz+、Zz-，Ω。

根據(jù)式(3)的第2項、式(5)和式(6)能夠得出式(7)：

Zz-=-Zz+

(7)

設(shè)Zz+=Zz，Zz為等效電阻，則如式(8)所示：

Zz-=-Zz

(8)

三相PWM整流器三相電流，A，如式(9)所示：

Ix=Ix++Ix-

(9)

通過對式(2)、式(6)和式(9)展開分析后，能夠得出式(10)：

(10)

可以將式(10)表示為式(11)：

(11)

對式(11)整理后，可得電網(wǎng)不對稱時PWM整流器不平衡單周控制數(shù)學模型，如式(12)所示：

(12)

1.3 改進功率平衡控制策略

由于正、負序電流獨立控制的三相電壓型PWM整流器控制系統(tǒng)，是通過檢測交流電流的正負序分量完成電流內(nèi)環(huán)的控制[6]。但是目前的檢測方法都會在采樣時產(chǎn)生延時的情況發(fā)生，該情況會對電流內(nèi)環(huán)的響應(yīng)速度造成影響，導(dǎo)致整個控制系統(tǒng)的控制性能受到影響。因此，為了避免上述問題的發(fā)生，補償負載擾動對直流側(cè)電壓的影響，將負載電流前饋使用在原有控制算法上[7]，改進后的電壓外環(huán)控制算法，如式(13)所示：

(13)

由式(13)可以看出，采用了負載電流前饋后，電容電壓的變化率能夠用電壓外環(huán)控制器的輸出表示，并且使電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的線性工作范圍大幅度增加，即使負載發(fā)生大范圍變化，也不會導(dǎo)致調(diào)節(jié)器的線性工作特性也受到影響[9-11]。

計算內(nèi)環(huán)控制算法的電流指令公式，如式(14)所示：

(14)

(15)

式中：

(16)

為獲取新的電流控制指令，將通過式(15)、(16)獲取的對應(yīng)量、正序電流指令和交流電流的前饋量相加后[14-15]，計算電流內(nèi)環(huán)控制器的輸入量公式，如式(17)所示：

(17)

式中：Ij和If分別為交流電流反饋值；θ為j軸和f軸之間的夾角，°，且θ=ωt+θ0。

(18)

式中：AiI、Aif分別為指電流內(nèi)環(huán)控制器的比例調(diào)節(jié)增益和積分調(diào)節(jié)增益；Uj、Ug分別為電網(wǎng)電壓的前饋量。

2 測試分析

選取某電網(wǎng)公司作為測試分析對象。參數(shù)設(shè)置為：電網(wǎng)電壓幅值為220 V，直流電壓給定460 V；交流側(cè)電路電感為2 mH；直流側(cè)電容為3 700 μF；交流側(cè)電阻為0.01 Ω；負載電阻為30 Ω。統(tǒng)計實驗對象在電壓平衡狀態(tài)下的直流電壓狀態(tài)、三相交流電流及諧波狀態(tài)，如圖2、表1以及表2所示。

圖2 直流電壓狀態(tài)Fig.2 Status of DC voltage

表1 電壓平衡狀態(tài)下三相交流電流狀態(tài)統(tǒng)計Table 1 Statistics of three-phase AC current state under voltage balance

表2 電壓不平衡狀態(tài)下三相交流電流狀態(tài)統(tǒng)計Table 2 Statistics of three-phase AC current state under voltage imbalance

2.1 控制策略的可行性和控制效果測試

為了測試實驗對象在電網(wǎng)電壓不平衡狀態(tài)下，本文策略的可行性和控制效果，將A相電動勢幅值降低21%，C相電動勢幅值增加21%，B相電動勢幅值保持不變，電網(wǎng)電壓不平衡度約為12%。

在電壓不平衡的情況下，要實現(xiàn)改進的功率平衡控制策略能夠代替平衡控制電網(wǎng)策略，其需要達到比平衡控制策略更好的控制效果。為了測試改進功率平衡控制策略的控制結(jié)果，采用基于改進功率環(huán)的微電網(wǎng)對等控制策略研究、基于改進動態(tài)下垂系數(shù)的微電網(wǎng)控制策略研究與本文策略，分別測試在0.02～0.2 s的時間段內(nèi)，電網(wǎng)直流電壓控制策略的可行性。2種對比策略分別是文獻[3]和文獻[4]策略。采用延時法對電網(wǎng)電壓正負序分量進行分離，3種策略控制的對比結(jié)果，如圖3、表3和表4所示。

圖3 3種策略的直流電壓控制結(jié)果Fig.3 DC voltage control results of three strategies

表3 電壓平衡狀態(tài)下三相交流電流控制結(jié)果Table 3 Results of three-phase AC current control under voltage balance

表4 電壓不平衡狀態(tài)下三相交流電流控制結(jié)果Table 4 Three phase AC current control results under voltage imbalance

對圖3進行分析后可以看出：電網(wǎng)電壓不平衡時，從對直流電壓控制效果上看，本文策略對直流電壓具有很好的控制效果，和電網(wǎng)電壓平衡時的統(tǒng)計結(jié)果相近，建壓過程中僅出現(xiàn)很小的波動。另外2種對比策略在控制的過程中，均呈現(xiàn)出大幅度電壓波動，說明本文策略具備較好的靜態(tài)性能，能夠?qū)崿F(xiàn)對直流電壓的有效控制，并且控制結(jié)果優(yōu)于另外2種對比策略。

分析表3和表4可以得出：在電網(wǎng)電壓不平衡的情況下2種對比策略在三相交流電流發(fā)生浮動后產(chǎn)生畸變，導(dǎo)致電流波動較大，這是由電網(wǎng)電壓負序分量導(dǎo)致大量的負序電流分量的形成，對電網(wǎng)造成大量的諧波污染造成的，使得無法形成對直流電壓和交流電流的有效控制。

2.2 抗負載擾動性能測試

為了測試本文策略的抗負載擾動能力，在0.02～0.2 s的時間段內(nèi)，選取在0.06 s時加入30 Ω的負載電阻并與額定負載連接，觀察和交流電流的變化情況；在0.12 s時把所有負載全部切除，使電網(wǎng)變?yōu)榭蛰d運行狀態(tài)，觀察直流電壓電網(wǎng)的空載情況并完成統(tǒng)計。其統(tǒng)計結(jié)果如圖4～5所示。

圖5 電網(wǎng)直流電流的狀態(tài)結(jié)果Fig.5 State results of grid DC current

對圖4和圖5進行分析可看出：在0.6 s加入30 Ω負載時，直流電壓波形出現(xiàn)了小幅度下降，但隨即很快回到穩(wěn)態(tài)值，穩(wěn)態(tài)波形沒有出現(xiàn)波動，具有很好的抗負載擾動能力。電網(wǎng)電壓和交流電流依舊處于同相位，功率因數(shù)為1。直流電壓在空載時依舊穩(wěn)定，直流電流為0，說明本文策略具有良好的動態(tài)特性，以及很好的空載能力。

3 結(jié)論

1)本文針對電網(wǎng)不平衡的情況，提出基于改進PWM控制的電網(wǎng)運行安全調(diào)制策略。針對輸出直流電壓的控制，通過功率平衡的最優(yōu)控制策略，實現(xiàn)對于電網(wǎng)電壓的有效控制，該控制策略在避免由復(fù)雜的參考坐標系以及相序提取模塊帶來的相關(guān)復(fù)雜問題的同時，具備更佳的控制性能和抗負載擾動性能。

2)經(jīng)測試表明：第一，電網(wǎng)電壓不平衡時，從對直流電壓控制效果上看，本文策略對直流電壓具有很好的控制效果，和電網(wǎng)電壓平衡時的統(tǒng)計結(jié)果相近，建壓過程中僅出現(xiàn)很小的波動。第二，在0.6 s加入30 Ω負載時，直流電壓波形為穩(wěn)態(tài)值，穩(wěn)態(tài)波形沒有出現(xiàn)波動，具有很好的抗負載擾動能力。電網(wǎng)電壓和交流電流依舊處于同相位，功率因數(shù)為1。直流電壓在空載時依舊穩(wěn)定，直流電流為0，說明本文策略具有良好的動態(tài)特性，以及很好的空載能力。

3)由此可知，該策略具有很好的抗負載擾動能力和較好的控制效果。接下來將針對實際電力系統(tǒng)出現(xiàn)電網(wǎng)電壓的其他問題，進一步研究能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)安全的有關(guān)策略。