电网不平衡下基于SVM三相整流器直接功率控制

摘要：电网电压不平衡故障时，会引起中间直流电压明显振荡，对整个系统安全稳定运行造成很大威胁。通过分析电网不平衡下的功率传输特性，添加功率补偿项对系统进行补偿控制，从而稳定有功功率和中间直流电压。采用T／4延时法只提取正负序分量，进而达到控制目标的要求。理论推导和实验结果证明了该控制策略的正确性和有效性。
关键词：整流器；直接功率控制；电网不平衡

1 引言
在理想电网电压条件下的整流器控制技术已日趋成熟，然而在电网不平衡条件下，国内外大部分学者将目光投向基于电压定向或虚拟磁链定向的电流控制。文献根据各自侧重点的不同，提出了相应的控制策略。
同样，不平衡电压下的直接功率控制(DPC)以其结构简单、动态响应迅速等优势也得到一定关注。由于传统DPC采用滞环控制，在理想情况下，反馈能够在全频带范围内无差跟踪指令信号。但其存在开关频率不恒定的缺点，当采用空间矢量调制(SVM)算法来代替传统的开关表时，此缺点能够得到有效克服，将矢量控制与传统DPC相结合，得到基于SVM的DPC(DPC-SVM)。DPC-SVM控制器为传统PI调节器，只能对直流信号进行无差调节，而无法实现对交流信号的无差跟踪。因此若将DPC在不平衡电压下的控制策略应用于DPC-SVM时，就不再适用。
针对此问题，通过研究在不平衡电压下的功率传输特性，将能实现对指定频率交流信号无差调节的谐振控制器引入DPC-SVM系统，采用一种新的不平衡电压下的DPC-SVM策略。

2 电网不平衡下功率传输特性
电网不平衡下，任意一个空间矢量可以表示为负序分量口u-和正序分量u+之和，即：u=u++u-。u-和u+分别以-ω1和ω1速度旋转，如图1所示。此处采用T／4延时法来提取u-和u+。

在α，β坐标系下，电压和电流可表示为：

式中：P0，Q0为功率稳态分量；P1，Q1为负序电流产生的功率2倍波动成分；P2，Q2为正序电流产生的功率2倍波动成分。
直流母线电压波动的幅值与电网电压的不平衡度成正比。在工业应用中，当直流母线电压超过一定范围时，必然会影响机侧变流器的稳定运行，甚至造成飞车事故。虽然加大直流母线上电解电容可抑制一定的直流母线电压波动，但加大电容必然大大增加系统成本。因此，在电网发生不平衡故障时，在控制策略上采取措施有效地抑制变流器直流母线电压的波动具有非常现实的意义。

3 电网不平衡下DPC-SVM控制策略
当电网电压出现不平衡时，网侧有功功率中会出现频率为2倍工频的振荡功率，继而影响直流母线出现2倍工频的振荡电压。由PI调节器的特性可知，其仅可对直流信号实现无差调节，而对交流信号有一定的放大作用但无法实现无静差控制，放大的2倍工频信号继而对电压给定产生影响，使网侧变流器输出电流中含有大量的3次谐波，电流正弦度差。因此首先对电流信号进行带通滤波，来消除3次谐波电流所形成的功率中波动分量，采用比例积分谐振器PI-RES进行无差控制，其次采用T／4延时法提取正负序分量，再进行功率计算作为参考信号进行控制，控制框图如图2所示。

由于电网电流、瞬时有功功率、瞬时无功功率三者之间存在一定的矛盾关系，因此当设置消除有功的100 Hz波动的控制目标时，瞬时无功功率会出现波动，且电流存在负序分量。
若想达到消除有功的100 Hz波动的目标，则有P1=P2=0，此时允许系统中还存在负序电流分量，为得到恒定的功率指令，则必须在原来功率指令中加入功率补偿项Q1+Q2作为新的功率指令，对系统进行控制。


4 实验
实验模型主要参数为：电网线电压380 V，交流侧滤波电感2 mH，直流电压为600 V，直流侧支撑电容3 mF，开关频率2．1 kHz。功率环参数设置：Kp=6，Ki=0．002，Kwi=0．000 9，电压环参数设置：Kp=4，Ki=0．000 5，Kwi=0．005，b，c两相电网电压幅值都跌落1／3。图3，4分别示出电网电压出现不平衡时添加补偿项前后的实验波形。

由图3可知，当电网电压出现不平衡时，中间直流电压Udc出现明显2倍频振荡，电流iabc波形畸变严重，正弦度很差，必然对电网造成严重污染，同时P，Q也都出现2倍频波动。由图4可知，当对系统添加补偿项后，Udc振荡明显减小，虽然电流中仍含有负序分量，但与图3a相比正弦度较好，有效抑制了谐波电流。因为P，Q，iabc三者之间的矛盾关系，当稳定P时，则Q会出现较为明显波动，iabc还存在负序分量。

5 结论
将空间矢量调制应用于直接功率控制，继承了直接功率控制的特点，并且实现了定频控制。当电网出现不平衡时，采用添加功率补偿项的控制算法有效抑制了直流电压和有功功率的2倍频波动，同时降低了电流的谐波含量。通过理论推导和实验验证了该控制算法的可行性和正确性。