电网电压不平衡下直接功率矢量控制

摘要：基于三电平PWM整流器的数学模型，结合瞬时功率理论得到了三电平PWM整流器的功率数学模型。通过对电网电压不平衡时整流器进行分析得到了功率表达式。根据功率数学模型提出了用于电网电压不平衡抑制交流侧三相电流负序分量的DPC-SVM控制策略。仿真和实验结果表明，此处提出的控制策略能有效抑制交流侧负序电流。
关键词：整流器；电网电压不平衡；矢量控制

1 引言
在电网电压不平衡时，为使PWM整流器能正常工作，需研究新的控制策略。在当前电网环境下，由于如三相电网配电时三相负载不平衡；使用大容量单相负载；不对称故障或非全相运行造成的三相不对称；输电系统不对称。以下原因常会造成电网电压不平衡等一些原因，常会造成电网电压不平衡。通常，整流器本身的参数也是导致三相电网不平衡的因素之一，但通过整流器的合理设计可适当消除这种不平衡。为此，这里主要研究了在电网电压不平衡时三电平PWM整流器的直接功率控制。在研究三相电网电压不平衡时，假设三电平PWM整流器本身参数是对称的。

2 原理与设计
2．1 三电平PWM整流器数学模型
由三电平整流器的结构分析可得三电平整流器在α，β坐标系下的数学模型为：

式中：P0，Q0为有功、无功的平均值；Pc2，Qc2为有功、无功的余弦项谐波峰值；Ps2，Qs2为有功、无功的正弦项谐波峰值。
在电网电压不平衡时，整流器网侧有功、无功功率的平均值及其二次谐波分量的表达式为：

2．2 抑制交流负序电流控制策略
在三相电网电压不平衡时，整流器的三相电流畸变，出现不对称，此时一方面整流器对于电网而言是个谐波污染源，另一方面整流器的运行性能也会受到影响。为抑制三相电网电压不平衡时的负序电流，可令负序电流为零，即转化到d，q静止坐标系下的电流为零，则令，代入式(6)，此时仅考虑平均功率的控制，可得：

通过式(8)可得到控制时的实际平均有功功率和无功功率。
电网电压不平衡时的控制器仍采用直流母线电压外环和功率内环的双闭环控制。有功功率给定指令p0*与整流器的直流电压平均值有关，P0*为外环直流母线电压PI调节器的输出与给定直流母线电压的乘积。即：

式中：KuP，KuI分别为外环PI调节器的比例和积分增益。
对于无功功率给定指令q0*的值则是根据控制器所要求达到的功率因数所决定的。由于所希望的控制器一般要求达到单位功率因数控制，故此时应令q0*=0。
得到p0*和q0*后，再研究不平衡电网电压条件下的控制策略，采用电网电压定向下DPC-SVM控制器，可得两相同步旋转d，q坐标系下三相整流器功率控制时的电压给定值为：

电网电压不平衡时抑制负序电流的DPC-SVM控制框图如图1所示。

3 实验
额定输出功率11 kW，输入交流线电压有效值120 V，直流额定输出电压420 V，系统额定负载电阻为16 Ω，交流侧输入电感1．5 mH，直流侧输出滤波电容1 000μF，输入电压频率50 Hz，开关频率2 kHz，电网电压单相(a相)跌落50％。实验主电路如图2所示。

图3示出实验波形。由图3a，b可见，在交流侧三相电压中，a相电压幅值与另外两相不同，经过这里提出的不平衡算法控制后，交流侧电流基本呈现出正弦对称的波形。另外，此时电压与电流基本处于同相位，实现了单位功率因数控制。图3c，d为电网电压不平衡条件下稳态时的有功、无功功率给定、反馈波形及稳态时直流母线电压波形。由图可见，有功功率和无功功率给定与反馈能实现跟踪，但是从波形上可以看到，有功功率存在二次谐波，这是由于负序电压产生的，反映到直流母线电压稳态波形图上使得直流母线电压存在二次波动。

4 结论
此处针对电网电压不平衡下的整流器进行了分析，提出了在电网电压不平衡时的直接功率矢量控制的不平衡策略并进行了实验研究。实验结果证明了此处所提出算法的正确性与可行性。