基于T 型三電平的三相不平衡調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)

雷司宇 譚聰 彭海超 王赫 孫冰南

（國網(wǎng)吉林省電力有限公司松原供電公司，吉林松原 138000）

低壓配電網(wǎng)在為工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及居民用戶供電時(shí)，由于負(fù)荷種類多樣且多變，容易引起電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡。目前，我國的低壓配電網(wǎng)主要采用三相四線制結(jié)構(gòu)，適用于居民日常用電和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，然而這些負(fù)荷無法進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)控，因此不能對負(fù)荷的用電量進(jìn)行預(yù)測[1-2]。

對于三相系統(tǒng)，每一相的負(fù)荷用戶不同，當(dāng)某一相輕載或重載時(shí)，會(huì)改變流過線路上的電流，使三相負(fù)荷不平衡。[3-5]。

針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于T 型三電平的三相不平衡調(diào)節(jié)裝置，通過電流檢測算法識(shí)別需要補(bǔ)償?shù)碾娏鞔笮。⒉捎秒p環(huán)控制策略實(shí)現(xiàn)對三相負(fù)荷不平衡度進(jìn)行補(bǔ)償，最后通過仿真驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)方法的正確性及有效性。

1 T 型三電平的工作原理及數(shù)學(xué)模型

三相四線制T 型三電平補(bǔ)償系統(tǒng)簡化結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 T 型三電平三相四線制拓?fù)?/p>

其中，udc1、udc2為直流側(cè)電容C1和C2電壓，idc1和idc2為直流側(cè)電容C1、C2電流，iiabc為流入三電平變換器的三相電流，ilabc為流入三相負(fù)載的相電流，isabc為流出網(wǎng)側(cè)三相電流，usabc為電網(wǎng)三相電壓，iin為流入T 型三電平變換器中性點(diǎn)的電流，iln為流入三相負(fù)載中性點(diǎn)電流，isn為流出網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)電流。對于直流側(cè)，假定直流母線上、下橋臂電容的電壓平衡，則直流側(cè)母線電壓的關(guān)系可以表示為udc1=udc=udc1/2。

三電平變換器的交流出口采用LCL 濾波器進(jìn)行濾波，由于LCL 濾波器在諧振頻率以上時(shí)，其濾波衰減效果優(yōu)于L 型濾波器，因此濾波器體積較小。交流電容C 的能夠有效濾除開關(guān)頻率附近的諧波，當(dāng)工作在正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可以將其視為開路，則三電平變換器電壓uiabc與電流iiabc的關(guān)系為

其中Ts為控制周期大小，kTs為第k 個(gè)控制周期，通過測量usa(kTs)、usb(kTs)、usc(kTs)和iia[(k-1)Ts]、iib[(k-1)Ts]、iic[(k-1)Ts]，然后根據(jù)算法設(shè)計(jì)使補(bǔ)償裝置輸出電壓ua(kTs)、ub(kTs)、uc(kTs)，最終輸出期望的目標(biāo)電流iia(kTs)、iib(kTs)、iic(kTs)。

采用T 型三電平變換器作為三相不平衡調(diào)節(jié)裝置的基本補(bǔ)償步驟為：

（1）利用電流互感器對負(fù)載電流進(jìn)行采集。

（2）根據(jù)負(fù)載電流計(jì)算補(bǔ)償基波正序無功電流和負(fù)序、零序電流期望值，從而獲取指令電流的大小。

（3）根據(jù)指令電流控制補(bǔ)償裝置的各IGBT 器件，輸出對應(yīng)的參考電壓。其中，補(bǔ)償系統(tǒng)注入系統(tǒng)的電流為檢測正序無功電流和負(fù)序、零序電流期望值的相反數(shù)。從而保證網(wǎng)側(cè)電流只有基波正弦有功電流。

2 三相不平衡補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)

2.1 指令電流檢測算法設(shè)計(jì)

2.2 雙閉環(huán)控制策略設(shè)計(jì)

變換器的反饋控制方案采用電感電流瞬時(shí)值反饋內(nèi)環(huán)和輸出電壓瞬時(shí)值反饋外環(huán)，其控制框圖如圖3 所示。

圖3 中，電壓外環(huán)利用比例積分控制（PI）消除電壓誤差。電流內(nèi)環(huán)反饋量可以選擇電容電流或電感電流。當(dāng)取電容電流作為內(nèi)環(huán)反饋時(shí)，iC被瞬時(shí)控制，輸出電壓由于iC的積分作用提前補(bǔ)償，所以系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能較好，但無法對逆變器進(jìn)行限流保護(hù)。因此，本文仍采用電感電流反饋內(nèi)環(huán)，并采用無差拍控制進(jìn)行電流跟蹤。電流環(huán)還引入了負(fù)載電流補(bǔ)償和輸出電壓交叉反饋解耦。一則，負(fù)載電流補(bǔ)償能有效抑制負(fù)載擾動(dòng)對輸出波形的影響，保證系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。二則，變換器的輸出電壓引入多反饋量，由于控制器間的交互作用，會(huì)使得控制系統(tǒng)更為復(fù)雜。因此，為了有效控制目標(biāo)對象、達(dá)到較好的補(bǔ)償效果，需要使內(nèi)外環(huán)解耦。

圖3 逆變器雙閉環(huán)控制框圖

引入輸出電壓反饋后，電流環(huán)輸出控制量為持器，用于被控對象離散化。

圖2 電流算法檢測框圖

圖4 是解耦簡化后的電流環(huán)控制框圖。其中，ZOH 是零階保

圖4 解耦后電流環(huán)

引入負(fù)載電流補(bǔ)償后，電壓環(huán)的輸出控制量如下：

圖5 是加入負(fù)載電流補(bǔ)償后并將內(nèi)電流環(huán)看作為常數(shù)增益后的簡化電壓環(huán)。

圖5 解耦后電壓環(huán)

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的三相不平衡調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)方案的正確性及有效性?；贛atlab/Simulink 搭建仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)的主電路參數(shù)如表1 所示。

表1 三相不平衡調(diào)節(jié)裝置主電路參數(shù)

三相負(fù)載的為RC 串聯(lián)電路，分別為A 相2Ω+1mF，B 相1Ω+1mF，C 相1Ω+1mF。在0.3s 時(shí)補(bǔ)償裝置投入，圖6 為補(bǔ)償裝置投入時(shí)A 相的電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電流，可見隨著補(bǔ)償裝置投入，能夠?qū)€路無功進(jìn)行補(bǔ)償，減小電網(wǎng)電壓與電流的相位偏差。圖7 為投入時(shí)的網(wǎng)側(cè)三相電流，隨著補(bǔ)償裝置的投入對三相負(fù)荷不平衡度有明顯的抑制效果。

圖6 A 相電壓電流

圖7 網(wǎng)側(cè)電流

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于T 型三電平的三相不平衡調(diào)節(jié)裝置，通過電流檢測算法識(shí)別需要補(bǔ)償?shù)碾娏鞔笮?，并采用雙環(huán)控制策略實(shí)現(xiàn)對三相負(fù)荷不平衡度進(jìn)行補(bǔ)償，仿真結(jié)果表明，本文提出的方法能夠有效解決三相負(fù)荷不平衡問題。