基于改進PWM控制的電網運行安全調制策略研究*

易善軍，王炳然，竇姿麟，劉少午，王 欣

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

0 引言

當下PWM整流器在工業生產領域大范圍使用，但是在實際應用過程中，在PWM整流器中，尤其是在單獨的小功率供電電網中經常出現輸入電壓幅值、波形以及頻率波動等非正常情況[1]。此時，基于電網電壓平衡的控制策略，無法有效很好地調制電網電壓中的無序并且不可預測電網電壓的不平衡狀態，導致電網運行安全存在很大隱患。電網運行安全是指使電網符合相關規定，連續、穩定、正常地完成運行[2]。電網運行安全調制是指在電網電壓處于平衡狀態以外的任何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，通過調制這些跟電網電壓關聯較大的影響因素，保證電網安全運行。例如王凌云等為了確保電網安全運行，提出基于改進功率環的微電網對等控制策略研究[3]；李圣清等提出的基于改進動態下垂系數的微電網控制策略研究[4]，這2種策略在控制電網安全同時，均存在一些電壓的控制誤差及出現電壓不穩的情況。為了有效改善上述問題，本文研究基于改進PWM控制的電網運行安全調制策略，以期有效完成微電網在非正常情況下的調制，并保證微電網的安全運行。

1 基于改進PWM控制的電網運行安全調制策略

為了提升電網運行安全性與穩定性，研究基于改進PWM控制的電網運行安全調制策略，采用三相PWM整流器負序電壓不平衡控制策略的控制系統執行流程如圖1所示。PWM整流器即把PWM控制技術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，功率因數近似為1的整流器，這種整流電路也可以稱為高功率因數整流器。

圖1 控制系統執行流程Fig.1 Execution procedure of control system

1.1 電網不平衡問題分析

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

(1)

式中：Ua、Ub、Uc分別為電網三相中各個交流電壓；ω為三相電力系統角頻率，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)

電網電壓不平衡時，為抑制PWM整流器直流側電壓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運行在控制時，正序電流和電壓需要滿足下述相位關系，如式(4)所示：

(4)

根據式(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整流器相對于電網的等效正序和負序阻抗分別為Zz+、Zz-，Ω。

根據式(3)的第2項、式(5)和式(6)能夠得出式(7)：

Zz-=-Zz+

(7)

設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，可得電網不對稱時PWM整流器不平衡單周控制數學模型，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，是通過檢測交流電流的正負序分量完成電流內環的控制[6]。但是目前的檢測方法都會在采樣時產生延時的情況發生，該情況會對電流內環的響應速度造成影響，導致整個控制系統的控制性能受到影響。因此，為了避免上述問題的發生，補償負載擾動對直流側電壓的影響，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控制器的輸出表示，并且使電壓外環PI調節器的線性工作范圍大幅度增加，即使負載發生大范圍變化，也不會導致調節器的線性工作特性也受到影響[9-11]。

計算內環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]，計算電流內環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分別為指電流內環控制器的比例調節增益和積分調節增益；Uj、Ug分別為電網電壓的前饋量。

2 測試分析

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

圖2 直流電壓狀態Fig.2 Status of DC voltage

表1 電壓平衡狀態下三相交流電流狀態統計Table 1 Statistics of three-phase AC current state under voltage balance

表2 電壓不平衡狀態下三相交流電流狀態統計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電壓不平衡狀態下，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，電網電壓不平衡度約為12%。

在電壓不平衡的情況下，要實現改進的功率平衡控制策略能夠代替平衡控制電網策略，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果，采用基于改進功率環的微電網對等控制策略研究、基于改進動態下垂系數的微電網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，電網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。采用延時法對電網電壓正負序分量進行分離，3種策略控制的對比結果，如圖3、表3和表4所示。

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

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

表4 電壓不平衡狀態下三相交流電流控制結果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，和電網電壓平衡時的統計結果相近，建壓過程中僅出現很小的波動。另外2種對比策略在控制的過程中，均呈現出大幅度電壓波動，說明本文策略具備較好的靜態性能，能夠實現對直流電壓的有效控制，并且控制結果優于另外2種對比策略。

分析表3和表4可以得出：在電網電壓不平衡的情況下2種對比策略在三相交流電流發生浮動后產生畸變，導致電流波動較大，這是由電網電壓負序分量導致大量的負序電流分量的形成，對電網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，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，使電網變為空載運行狀態，觀察直流電壓電網的空載情況并完成統計。其統計結果如圖4～5所示。

圖5 電網直流電流的狀態結果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，直流電壓波形出現了小幅度下降，但隨即很快回到穩態值，穩態波形沒有出現波動，具有很好的抗負載擾動能力。電網電壓和交流電流依舊處于同相位，功率因數為1。直流電壓在空載時依舊穩定，直流電流為0，說明本文策略具有良好的動態特性，以及很好的空載能力。

3 結論

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

2)經測試表明：第一，電網電壓不平衡時，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，和電網電壓平衡時的統計結果相近，建壓過程中僅出現很小的波動。第二，在0.6 s加入30 Ω負載時，直流電壓波形為穩態值，穩態波形沒有出現波動，具有很好的抗負載擾動能力。電網電壓和交流電流依舊處于同相位，功率因數為1。直流電壓在空載時依舊穩定，直流電流為0，說明本文策略具有良好的動態特性，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出現電網電壓的其他問題，進一步研究能夠實現電網安全的有關策略。