電網(wǎng)不平衡時(shí)三相VSR變流器解耦控制策略研究*

李正國孫曉莉孟凡琨

電網(wǎng)不平衡時(shí)三相VSR變流器解耦控制策略研究*

李正國1，孫曉莉1，孟凡琨1，2

（1.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與交通學(xué)院，廣東 深圳 518055；2.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510800）

三相VSR變流器安全可靠運(yùn)行要求其控制器可以快速準(zhǔn)確地鎖定正序基波電壓分量的相位和頻率，針對變流器在電壓不平衡和畸變時(shí)產(chǎn)生非特征諧波，且三相電流不平衡，損耗增大等問題，本文提出一種基于解耦雙同步參考坐標(biāo)變換的控制策略，通過雙dq變換和解耦計(jì)算檢測出不平衡電網(wǎng)電壓中正序分量和負(fù)序分量的參數(shù)，為變流器控制器消除電壓不平衡影響提供信息和依據(jù)，在各種電壓不平衡情況下進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略的正確性和有效性．

解耦控制；不平衡電壓；同步參考坐標(biāo)系

在電力電子變流裝置運(yùn)行中，各種不平衡是無法可避免的，在這種情況下，變流器（特別是一些大容量的整流裝置[1]，如有源濾波器、靜止無功補(bǔ)償裝置等）將產(chǎn)生一些非特征諧波，且三相電流不平衡、損耗大等，會(huì)使變流裝置的性能下降，甚至燒壞整流裝置[2]．為了保證變流裝置在電網(wǎng)電壓不平衡和畸變情況下安全可靠運(yùn)行，必須快速準(zhǔn)確地檢測電網(wǎng)電壓正序基波分量的相位和頻率信息，為控制器消除不平衡影響提供必要的信息和依據(jù)，如文獻(xiàn)[3-5]提出采用陷波器的方法來消除二次諧波分量的影響．

針對實(shí)際的變流裝置，本研究通過分析基于單dq坐標(biāo)變換的工作原理和存在的問題，提出采用雙同步坐標(biāo)變換的方法，通過雙dq變換和解耦計(jì)算消除電壓不平衡[6-8]的影響，同時(shí)在電網(wǎng)電壓頻率突變等情況下也能適用，并且仿真驗(yàn)證該方法的正確性．

1 雙坐標(biāo)系解耦分序法

式中，+1，-1分別正序電壓和負(fù)序電壓的幅值；

則有

式（3）、（4）中，+1、-1坐標(biāo)系下的直流分量與電網(wǎng)電壓的正序、負(fù)序分量的幅值密切相關(guān)．

在三相不平衡狀態(tài)下，一個(gè)電壓矢量包括正、負(fù)序2個(gè)分量，分別以和的頻率旋轉(zhuǎn)，則電壓空間矢量在兩相靜止坐標(biāo)系下可表示為：

式中，φ，φ為正序電壓矢量和負(fù)序電壓矢量的初始相位角．

考慮2個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq和dq，其相位角分別為和，其中為鎖相環(huán)檢測的相位角，如果鎖相環(huán)能夠完全鎖相，即有，則電壓空間矢量在dq、dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的分量為:

為了消除dq坐標(biāo)系下信號(hào)的振蕩部分，獲取dq坐標(biāo)系下信號(hào)的軸和軸分量，采取圖1所示的解耦運(yùn)算單元．

圖2 dqn和dqm坐標(biāo)系的解耦網(wǎng)絡(luò)

對于圖2所示的解耦網(wǎng)絡(luò)，定義

解耦可得系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程為：

式中，

由狀態(tài)空間方程可知，這是一個(gè)MIMO系統(tǒng)，為了簡化分析，當(dāng)=+1，=-1，則電壓矢量分解到+1和-12個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上，系統(tǒng)原理框圖如圖3所示．電壓空間矢量在+1、-1旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的分量為：

圖3 解耦雙同步參考坐標(biāo)系

令

因此，雙同步參考坐標(biāo)系輸出估計(jì)值為：

2 仿真結(jié)果與分析

1）當(dāng)=0.1s時(shí)，A相發(fā)生單相接地故障，持續(xù)時(shí)間0.08s，仿真結(jié)果如圖4所示．

2）當(dāng)=0.1s，電網(wǎng)頻率發(fā)生突變，由50Hz變?yōu)?5Hz，持續(xù)時(shí)間為0.1s，仿真結(jié)果如圖5所示．

圖4 單相接地故障時(shí)系統(tǒng)仿真結(jié)果圖

圖5 頻率突變時(shí)系統(tǒng)仿真結(jié)果

3）當(dāng)=0.1s時(shí)，A相產(chǎn)生正序3次諧波，幅值0.2（PU），初始相位角=25°，B相產(chǎn)生負(fù)序5次諧波，幅值0.1（PU），初始相位角=60°，持續(xù)時(shí)間0.2s．仿真結(jié)果如圖6所示．

圖6 含有諧波時(shí)系統(tǒng)仿真結(jié)果

從圖4~6可得出：

1）當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，在穩(wěn)態(tài)情況下，鎖相環(huán)能夠準(zhǔn)確檢測出正序電壓相位以及電壓頻率，由于鎖相環(huán)中有一階濾波慣性環(huán)節(jié)，在一定程度上影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)．

2）當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生突變時(shí)，鎖相環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確鎖相，表現(xiàn)出了良好的頻率自適應(yīng)性．

3）當(dāng)電網(wǎng)電壓含有諧波時(shí)，DSRF解耦控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)正負(fù)序解耦控制，消除非特征諧波的影響．

[1] Busquets-Monge S, Bordonau J, Boroyevich D, et al. The nearest three virtual space vector PWM- a modulation for the comprehensive neutral-point balancing in the three-level NPC inverter[J]., 2004，2（1）：11-15．

[2] Dugan R C, McGranaghan M F, Santoso S. Electrical Power System Quality[M]. 2ndedition. New York: McGraw-Hill, 2002．

[3] Okayama H, Uchida R，Koyama M, et al. Large capacity large high performance three-level GTO inverter systems for steel main rolling mill drives [C]/IEEE Pros IAS Ann Meet Conf Res, 1996：174-179．

[4] 張興．電壓型逆變器不同導(dǎo)電型電壓矢量控制研究[J]．電氣傳動(dòng)，1992（3）：2-7．

[5] 張純江，張金泉，孫孝峰．空間矢量PWM波形的諧波仿真研究[J]．燕山大學(xué)學(xué)報(bào)，2000（2）：141-144．

[6] Bollen M H J. Understanding Power Quality Problems [M]. New York: IEEE Press, 2000．

[7] 許謹(jǐn)．自動(dòng)連續(xù)多調(diào)諧濾波器的研究[D]．西安：西安理工大學(xué)，2006．

[8] Rodriguez P, Sainz L, Bergas J. Synchronous double reference frame PLL applied to a unified power quality conditioner[C]/ Proc IEEE Int Conf Harm and Power Quality, 2002，2：614-619．

[9] Pedro Rodriguze, Josep Pou Joan Bergas. Decoupled Double Synchronous Reference Frame PLL for Power Converters Control[J]., 2000，22（2）：584-592．

Three-phase Voltage Source Rectifier(VSR) Decoupling Control Strategy Under Unbalanced Grid Voltage

LI Zhengguo1, SUN Xiaoli1, MENG Fankun1,2

（）

In order to ensure a safe and reliable running of the grid rectifier in power system, it is a basic requirement that the phase and frequency of the positive sequence fundamental component of the grid voltage should be obtained quickly and accurately. To solve the problem of non-characteristic harmonics caused by rectifier with unbalanced and distorted voltage, a method based on the single synchronous reference frame was put forward to detect the positive and negative sequence components of unbalanced grid voltage by double dq transformation and decoupling calculation. The simulation results verified the validity and the effectiveness of the method under the unbalanced and distorted grid voltage as well as the sudden change of grid voltage frequency.

decoupling control; unbalanced voltage; double synchronous reference frame(DSRF)

10.13899/j.cnki.szptxb.2019.05.001

2019-05-13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51707014）

李正國（1972-），男，湖南汨羅人，教授，博士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮涌刂评碚撆c應(yīng)用．

TP202

A

1672-0318（2019）05-0003-06