不平衡電網(wǎng)條件下的電網(wǎng)前饋量優(yōu)化方法

周 成

（安徽國際商務(wù)職業(yè)學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽合肥231131）

當(dāng)前，在低壓配電網(wǎng)中單項(xiàng)、三項(xiàng)、非線性等負(fù)載以及各種并網(wǎng)分布式能源繁多，這使得三相不平衡問題普遍存在。在這種工況下，電網(wǎng)環(huán)境惡化，而且會使掛網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境惡化[1]。風(fēng)電變流器作為一種風(fēng)力發(fā)電新能源設(shè)備，其主要構(gòu)成是由網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)變流器構(gòu)成的一種背靠背三相橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，電網(wǎng)側(cè)變流轉(zhuǎn)換器工作在整流器狀態(tài)，以控制背對背拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的公共直流側(cè)電壓的穩(wěn)定性，機(jī)器側(cè)變流轉(zhuǎn)換器運(yùn)行來控制轉(zhuǎn)子電流狀態(tài)以完成控制發(fā)電的功率。由于在電網(wǎng)不平衡工況下，電網(wǎng)電壓存在一定的擾動(dòng)量，另外背靠背拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的共直流側(cè)電壓也存在一定的擾動(dòng)量。在實(shí)際工程應(yīng)用中，通常采用引入電網(wǎng)電壓前饋的方法來減少對并網(wǎng)電流跟蹤性能的不利影響[2]。但是，如果對擾動(dòng)量不加以抑制，直接將這些擾動(dòng)量引入到變流器控制系統(tǒng)的前饋項(xiàng)中，會使得變流器的電流無法得到有效控制，從而影響變流器的實(shí)際控制效果。為了在不平衡電網(wǎng)工況下，變流器也能得到較好的控制效果，必需對引入的電壓前饋量進(jìn)行優(yōu)化。要實(shí)現(xiàn)該優(yōu)化策略需要對直流側(cè)以及電網(wǎng)側(cè)的電流和電壓進(jìn)行采樣。在這些采樣中，通常并網(wǎng)采樣回路的濾波很小，而且直流電壓為一個(gè)直流量，因此在算法控制中通?？梢院雎圆蓸訛V波對并網(wǎng)電流和直流電壓造成的時(shí)間延遲影響。但是，電網(wǎng)電壓的采樣濾波通常較大，采樣濾波對電網(wǎng)電壓所造成的時(shí)間延遲是不能忽略的。因此，要對電網(wǎng)電壓采樣前饋量進(jìn)行優(yōu)化，即對這個(gè)電壓采樣進(jìn)行相位補(bǔ)償來消除這種延遲的影響。

1 電網(wǎng)平衡下的電網(wǎng)前饋策略

在電網(wǎng)平衡的情況下，圖1所示的是正序電網(wǎng)矢量采樣，圖1中有兩個(gè)兩相坐標(biāo)系，分別為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d/q）和靜止坐標(biāo)系（D/Q）。圖1中，U1是相位角為θ的電網(wǎng)矢量采樣值，U是與U1對應(yīng)的真實(shí)電網(wǎng)矢量，電網(wǎng)矢量采樣值U1滯后真實(shí)電網(wǎng)矢量U的角度為θ1。電網(wǎng)前饋量計(jì)算如下[3]：

最終的前饋量為轉(zhuǎn)換到兩相靜止D/Q坐標(biāo)系下的值，記為UQf、UDf。

上述前饋計(jì)算方案適用于只需對正序分量進(jìn)行角度補(bǔ)償?shù)膬煞N情況：一種是對稱電網(wǎng)情況下，電網(wǎng)電壓只有正序分量的情況，另一種是雖然存在負(fù)序電壓分量，但是采樣不存在延時(shí)，即θ1=0的情況。這兩種情況下，采用上述前饋量計(jì)算方法能很好地反映真實(shí)電網(wǎng)。除此之外，當(dāng)電網(wǎng)為不平衡電網(wǎng)時(shí)，或者采樣存在延時(shí)，即θ1≠0存在相位差時(shí)，上述電網(wǎng)前饋量的計(jì)算存在較大誤差無法反映真實(shí)電網(wǎng)情況。在風(fēng)電變流器進(jìn)行低電壓穿越時(shí)，如果采用上述電網(wǎng)前饋計(jì)算方案，變流器在LVRT過程中所存在的大量負(fù)序分量將造成交流輸出量與電網(wǎng)電壓存在較大誤差[3]，從而無法實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流的有效控制。

2 電網(wǎng)不平衡下的電網(wǎng)前饋策略

在實(shí)際應(yīng)用中，在不平衡電網(wǎng)狀態(tài)時(shí)電網(wǎng)不僅存在負(fù)序分量，而且有采樣的延遲存在。電網(wǎng)的正、負(fù)序的分量采樣如圖2中d/q坐標(biāo)系中所示。在圖2中，電網(wǎng)的實(shí)際正、負(fù)序的分量值為U+和U-，采樣而得到的正、負(fù)序的分量值為U1+和U1-。如圖2所示，U1+和U1-分別是滯后了U+和U-的角度為θ1。

圖1 正序電網(wǎng)矢量采樣

圖2 正負(fù)序電網(wǎng)矢量采樣

在d/q坐標(biāo)系下，電網(wǎng)電壓的正、負(fù)序的分量值為

但是由于電網(wǎng)Ua、Ub、Uc為不平衡的電網(wǎng)，使得（2）式中計(jì)算的正、負(fù)序的分量間存在較強(qiáng)的耦合，因此必須對其進(jìn)行交叉解耦，從而獲得正、負(fù)序的分量間的完全解耦，交叉解耦算式[5-7]為

使逆變器的前饋交流輸出與不平衡電網(wǎng)保持一致，需要將電網(wǎng)負(fù)序分量和電網(wǎng)正序分量均引入到前饋項(xiàng)中。將負(fù)序分量疊加到正序分量中并計(jì)算獲得不平衡電網(wǎng)的前饋量：

3 兩種電網(wǎng)前饋策略對比分析

為便于對兩種電網(wǎng)前饋策略進(jìn)行對比分析，將上述電網(wǎng)平衡情況下的電網(wǎng)前饋策略定義為電網(wǎng)前饋方案1，而將電網(wǎng)不平衡情況下的電網(wǎng)前饋策略定義為電網(wǎng)前饋方案2。圖3至圖6所示為使用兩個(gè)電網(wǎng)前饋方案時(shí)，電網(wǎng)電壓和逆變器輸出的前饋電壓的對比波形。圖3為使用電網(wǎng)前饋方案1、電網(wǎng)只含正序分量并且存在采樣延時(shí)的仿真波形。圖4為使用電網(wǎng)前饋方案1，電網(wǎng)含有負(fù)序分量并且不存在采樣延時(shí)的仿真波形。圖5為使用電網(wǎng)前饋方案1、電網(wǎng)含有負(fù)序分量并且存在采樣延時(shí)的仿真波形。圖6為使用電網(wǎng)前饋方案2、電網(wǎng)含有負(fù)序分量并且存在采樣延時(shí)的仿真波形。

由圖3可知，在電網(wǎng)平衡條件下，若電網(wǎng)只含正序分量且存在采樣延時(shí)時(shí)，采用電網(wǎng)前饋方案1。由于不存在負(fù)序分量，所以無需對負(fù)序分量進(jìn)行相位補(bǔ)償，此種情況下的逆變器輸出的前饋電壓與電網(wǎng)電壓基本吻合。

圖3 電網(wǎng)含正序分量并有采樣延遲下采用方案1

圖4 電網(wǎng)含負(fù)序分量且無采樣延遲下采用方案1

由圖4波形可知，在電網(wǎng)平衡條件下，若電網(wǎng)含有負(fù)序分量且無采樣延時(shí)時(shí)，采用電網(wǎng)前饋方案1。由于不存在采樣延時(shí)，所以采樣電壓沒有引入擾動(dòng)量到前饋項(xiàng)中，此種情況下的逆變器輸出的前饋電壓與電網(wǎng)電壓也能夠基本吻合。

由圖5波形可知，在不平衡電網(wǎng)下，若電網(wǎng)含有負(fù)序分量且存在采樣延時(shí)時(shí)，采用電網(wǎng)前饋方案1。此種情況下的逆變器輸出的前饋電壓與電網(wǎng)必然存在較大的偏差，不利于變流器的穩(wěn)定控制。

由圖6可知，在電網(wǎng)不平衡條件下，若電網(wǎng)含有負(fù)序分量且存在采樣延時(shí)時(shí)，采用電網(wǎng)前饋方案2。由于對采樣延時(shí)和負(fù)序分量均進(jìn)行了相應(yīng)處理，此種情況下的逆變器輸出的前饋電壓與電網(wǎng)電壓也能夠完全吻合。

圖5 電網(wǎng)含負(fù)序分量且有采樣延遲下采用方案1

圖6 電網(wǎng)含負(fù)序分量且有采樣延遲下采用方案2

從圖3至圖6的仿真波形可知，本文理論分析是正確的。由于變流器中的電網(wǎng)采樣電路均存在較大的采樣延時(shí)，因此，在不平衡電網(wǎng)下，使用電網(wǎng)前饋方案2進(jìn)行前饋量計(jì)算可使逆變器輸出前饋電壓可以與電網(wǎng)電壓完全一致，以利于對并網(wǎng)電流進(jìn)行良好的控制。

4 結(jié) 論

由于目前風(fēng)機(jī)變流器均需要具備LVRT功能，在不平衡電網(wǎng)下，變流器必須要具備良好的控制能力，前饋項(xiàng)的引入，除了可以抑制電網(wǎng)擾動(dòng)外，還可以增強(qiáng)電流調(diào)節(jié)器的控制裕度，有利于對并網(wǎng)電流的良好控制。電網(wǎng)前饋方案2的關(guān)鍵部分是對負(fù)序分量補(bǔ)償角度的處理方式。負(fù)序分量和正序分量的滯后方向是不一樣的。因此，必須將負(fù)序和正序分解開，然后單獨(dú)進(jìn)行相位補(bǔ)償，補(bǔ)償后再進(jìn)行合并，形成最終的前饋目標(biāo)矢量，最后變換成兩相靜止坐標(biāo)系下的前饋量，用于SVPWM發(fā)生。方案2適用于大部分并網(wǎng)變流器的前饋計(jì)算。