面向不平衡補償的三相四橋臂并網逆變器控制策略研究

邱菱潔

(華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510640)

0 引 言

微電網中負載構成復雜，負載的不平衡特性會降低電源質量，導致電壓不平衡，更嚴重時會導致旋轉電機和變壓器的繞組出現意外高溫[1]，從而降低設備效率和壽命預期。不平衡的電壓也可能觸發錯誤的保護決策和更高控制級別的錯誤命令。通常有兩種可能的解決方案補償電壓不平衡，一種安裝專用的電能質量調節裝置，如有源或無源并聯電源濾波器[2-4]，這種方法會增加額外的電力電子裝置，增加系統體積和成本，且功能單一。另一種將補償功能為加入傳統并網逆變器控制策略，控制操作復雜，存在額外增加通信通道[5-6]等問題。近年來，三相四橋臂逆變器在補償不平衡非線性負載中發揮了關鍵作用，引起廣泛關注。目前研究主要集中在不平衡負載條件下快速有效控制上[7]，對電壓進行不平衡補償的研究卻相對匱乏。為此，本文提出一種既能并網又能補償微電網不平衡電壓的多狀態分層協同補償策略，即改進三相四橋臂逆變器的輸出端結構，引入三個相間斷路器，補償低壓相電流，進而補償微電網電壓。

1 不平衡電壓補償并網逆變器結構

三相四橋臂并網逆變器利用第四個橋臂控制中性點處的電壓，三相輸出解耦，產生三個完全獨立的輸出。采用基于a-b-c坐標系的三維空間調制算法對三相輸出電流進行單獨分別控制，以實現微電網不平衡電壓補償的目標。同時在三相電壓之間設計了由控制器控制的相間斷路器。通過調節相間斷路器和并網斷路器，靈活控制逆變器三相輸出電流，解決單相補償不夠的問題，拓撲結構如圖1所示。圖1中:微電網三相電壓分別為uga、ugb、ugc；直流電壓為E；四橋臂的中間點電壓分別為uA、uB、uC、uN；逆變器側電感Lf電流分別為iLa、iLb、iLc；微電網側電流分別為iga、igb、igc；濾波電路電容Cf上的壓降分別為ucfa、ucfb、ucfc；直流電壓為E；Ki(i=U,V,W)為并網斷路器，Kij(i,j=U,V,W)為相間斷路器，且1表示相應的斷路器閉合，0表示相應斷路器關斷。

電流控制器采用PI控制策略，設計三個獨立的電流閉環，控制跟蹤各相給定的電流值，由不平衡補償控制器給定電流值ISET，與逆變器網側電感瞬時電流ig進行比較，通過PI控制器調節ig可以快速跟蹤給定值。采用基于正、負序雙同步坐標系的SPLL系統結構，對兩個序分量進行坐標變換，將其分解成正序和負序，在dq坐標系下分量實現對微電網電壓相位、頻率和幅值的精準檢測。

2 微電網三相功率不平衡控制策略

針對解決公共點電壓不平衡的問題，利用電壓補償并網逆變器，給公共點注入補償的電流，將原本較低的電壓進行抬升，緩解原本電壓較低的相與其他相直接的不平衡程度。

圖1 微電網電壓補償系統

2.1 微電網功率不平衡補償策略方法

根據微網電壓情況將其分為四個狀態：狀態0下微電網三相電壓平衡；狀態1下一相電網電壓偏低，其他兩相電壓正常；狀態2下兩相電壓偏低且兩相電壓相等；狀態3下兩相電網電壓偏低，且兩低相電壓相差較大。定義不平衡閾值ε，當高壓相與低壓相差值大于ε，則需補償。設兩級控制，一級控制通過將高壓相電流減小到低壓相，以補償低壓相電壓，二級控制將高壓相直接并入到低壓相進行補償。

定義三相輸出電流為:

(1)

式中:ia、ib、ic為三相輸出電流;IA、IB、IC為三相電流有效值給定;φA、φB、φC為三相輸出電流給定相角。

2.2 狀態1控制策略

定義uU、uV、uW為微電網電壓由高相到低相的A、B、C三相，滿足如下關系：uU≥uV≥uW。

狀態1下，微電網U、V相正常，W相電壓跌落，滿足如下關系式。

(2)

式中:uU、uV、uW為A、B、C三相微電網電壓;ε為不平衡閾值;α為一級補償系數;β為二級補償系數。

控制流程圖如圖2(a)所示，首先進入一級補償模式，將U相給定IU減α(uU-uW)，并將其補償到W相電流有效值給定IW中。當IU的值減至接近0或者IW達到額定值Ie時，進入二級補償，斷開KU,KV，保證在進入二級補償時高壓相并網斷路器充分關閉后開始并相補償動作。經過0.02 s延遲后打開KUW、KVW，IU、IV、IW平均分擔一級控制結束時IW給定電流，并以β(uU-uW)的增值補償到W相中。

2.3 狀態2控制策略

狀態2下，微電網U相正常，V、W相電壓跌落，滿足如下關系式：

(3)

式中:uU、uV和uW為A、B、C三相微電網電壓;ε為不平衡閾值;α為一級補償系數;β為二級補償系數。

控制流程圖如圖2(b)所示，先在一級補償模式下將V相電流有效值給定減去α(uU-uW)，平均補償到其他兩相中。系統在IU降低到接近零，或者IV，IW增到額定值Ie時仍未達到平衡狀態，則進入二級補償模式。在二級模式下，斷開KU，經過延遲后打開相間斷路器KVW，使得IV以β(uU-uW)的增量補償W相。

2.4 狀態3控制策略

狀態3下，微電網三相電壓有效值滿足如下關系式。

(4)

式中:uU、uV、uW為A、B、C三相微電網電壓;ε為不平衡閾值;α為補償系數。

控制流程圖如圖2(c)所示，先在一級補償模式下補償最低相電壓，將U相給定Iu減去α(uU-uW)并補償到中IW。如果在一級補償模式下UW提高狀態2情況，此時控制切換到狀態2下進行補償。否則進入二級補償，將U相并入W相再進行補償。

2.5 控制模式切換

由于微電網系統下負載的不確定性和多變性，微網系統中平衡情況多變，要求系統必須迅速切換到當前所屬狀態下進行控制，由不平衡控制系統調節下產生的狀態變化以及相應的控制模式切換如圖3所示。

圖2 不同狀態下控制策略流程圖

3 仿真及試驗研究

采用Simulink進行仿真驗證研究，接入容量為30 kVA、線電壓380 V 的模擬微電網，不平衡補償校正動作的最小臨界值設為1 V。三種狀態下補償前后逆變器輸出電流以及微電網電壓波形仿真結果如圖4所示。

不平衡狀態1：在0.05～0.12 s內進行狀態1下一級補償，在一級補償控制結束時約為199.5 V。經過0.002 s的延遲后，0.145 s進入狀態1下二級補償，最終將微電網A相電壓有效值抬升到218 V。

不平衡狀態2：0.05～0.11 s內為狀態3一級補償模式，減小IC補償到IA、IB，此時三相電壓有效值分別為199 V、197 V和213 V。0.002 s延遲后0.14 s進入二級補償模式，C相并入A相，在0.16 s時A相電壓已正常，C相仍較低，進入狀態1一級補償，由于IA到達額定值，故停止補償，最終三相電壓有效值分別為219 V、198 V和220 V。

不平衡狀態3：0.05 s開始補償，進入狀態3下一級控制模式，IC減小IA增大，在0.083 s時達到IA額，此時A相電壓有效值為213 V，經過0.002 s死區時間；0.103～0.164 s內為狀態3二級控制模式，將C相并A相補償，在0.164 s時A、B相電壓有效值同為217 V；在0.164～0.192 s內為狀態2下一級控制，最終微網三相電壓有效值分別為219 V、219 V和220 V。

圖4 三種狀態下仿真結果圖

為了進一步驗證本文補償策略的正確性，按圖1搭建每相最大輸出電流為16 A的三相四橋臂并網逆變器，對狀態1下補償結果進行試驗。圖5為實測的逆變器輸出電流以及微電網電壓波形。

圖5(a)為未進行補償前的電壓波形圖，微電網三相電壓有效值分別為205.5 V、220.5 V和221.8 V，0.05 s開始一級補償中，IA增大IB減小，在0.370 4 s時IA達到額定值16 A，微電網的三相電壓有效值分別為211 V、220.7 V、221.2 V。此時，斷開三相電流輸出，經過0.15 s延時后進入二級補償模式。圖5(b)為二級補償下波形，0.513 s處，給定三相輸出電流有效值為5 A并逐步增加，在1.38 s時，微電網三相電壓有效值分別為：220 V、221.1 V、219.1 V。

圖5 狀態1試驗波形圖

4 結束語

本文對微電網三相電壓不平衡補償問題進行了研究，提出了一種基于三相四橋臂并網逆變器的電壓補償策略，具有三相輸入靈活分配和多級協同補償的特點。仿真和試驗結果證明，針對微電網可能出現的一相或者兩相電壓跌落，有很好的補償效果。