基于T 型三電平的三相不平衡調節裝置設計

雷司宇 譚聰 彭海超 王赫 孫冰南

（國網吉林省電力有限公司松原供電公司，吉林松原 138000）

低壓配電網在為工業生產、農業生產以及居民用戶供電時，由于負荷種類多樣且多變，容易引起電網三相負荷不平衡。目前，我國的低壓配電網主要采用三相四線制結構，適用于居民日常用電和工農業生產，然而這些負荷無法進行統一的調控，因此不能對負荷的用電量進行預測[1-2]。

對于三相系統，每一相的負荷用戶不同，當某一相輕載或重載時，會改變流過線路上的電流，使三相負荷不平衡。[3-5]。

針對上述問題，本文設計了一種基于T 型三電平的三相不平衡調節裝置，通過電流檢測算法識別需要補償的電流大小，并采用雙環控制策略實現對三相負荷不平衡度進行補償，最后通過仿真驗證本文設計方法的正確性及有效性。

1 T 型三電平的工作原理及數學模型

三相四線制T 型三電平補償系統簡化結構如圖1 所示。

圖1 T 型三電平三相四線制拓撲

其中，udc1、udc2為直流側電容C1和C2電壓，idc1和idc2為直流側電容C1、C2電流，iiabc為流入三電平變換器的三相電流，ilabc為流入三相負載的相電流，isabc為流出網側三相電流，usabc為電網三相電壓，iin為流入T 型三電平變換器中性點的電流，iln為流入三相負載中性點電流，isn為流出網側中性點電流。對于直流側，假定直流母線上、下橋臂電容的電壓平衡，則直流側母線電壓的關系可以表示為udc1=udc=udc1/2。

三電平變換器的交流出口采用LCL 濾波器進行濾波，由于LCL 濾波器在諧振頻率以上時，其濾波衰減效果優于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頻率附近的諧波，當工作在正常運行狀態時，可以將其視為開路，則三電平變換器電壓uiabc與電流iiabc的關系為

其中Ts為控制周期大小，kTs為第k 個控制周期，通過測量usa(kTs)、usb(kTs)、usc(kTs)和iia[(k-1)Ts]、iib[(k-1)Ts]、iic[(k-1)Ts]，然后根據算法設計使補償裝置輸出電壓ua(kTs)、ub(kTs)、uc(kTs)，最終輸出期望的目標電流iia(kTs)、iib(kTs)、iic(kTs)。

采用T 型三電平變換器作為三相不平衡調節裝置的基本補償步驟為：

（1）利用電流互感器對負載電流進行采集。

（2）根據負載電流計算補償基波正序無功電流和負序、零序電流期望值，從而獲取指令電流的大小。

（3）根據指令電流控制補償裝置的各IGBT 器件，輸出對應的參考電壓。其中，補償系統注入系統的電流為檢測正序無功電流和負序、零序電流期望值的相反數。從而保證網側電流只有基波正弦有功電流。

2 三相不平衡補償算法設計

2.1 指令電流檢測算法設計

2.2 雙閉環控制策略設計

變換器的反饋控制方案采用電感電流瞬時值反饋內環和輸出電壓瞬時值反饋外環，其控制框圖如圖3 所示。

圖3 中，電壓外環利用比例積分控制（PI）消除電壓誤差。電流內環反饋量可以選擇電容電流或電感電流。當取電容電流作為內環反饋時，iC被瞬時控制，輸出電壓由于iC的積分作用提前補償，所以系統的動態性能較好，但無法對逆變器進行限流保護。因此，本文仍采用電感電流反饋內環，并采用無差拍控制進行電流跟蹤。電流環還引入了負載電流補償和輸出電壓交叉反饋解耦。一則，負載電流補償能有效抑制負載擾動對輸出波形的影響，保證系統在正常運行時的穩定性。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，會使得控制系統更為復雜。因此，為了有效控制目標對象、達到較好的補償效果，需要使內外環解耦。

圖3 逆變器雙閉環控制框圖

引入輸出電壓反饋后，電流環輸出控制量為持器，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控制框圖。其中，ZOH 是零階保

圖4 解耦后電流環

引入負載電流補償后，電壓環的輸出控制量如下：

圖5 是加入負載電流補償后并將內電流環看作為常數增益后的簡化電壓環。

圖5 解耦后電壓環

3 仿真驗證

為了驗證本文提出的三相不平衡調節裝置設計方案的正確性及有效性。基于Matlab/Simulink 搭建仿真系統。系統的主電路參數如表1 所示。

表1 三相不平衡調節裝置主電路參數

三相負載的為RC 串聯電路，分別為A 相2Ω+1mF，B 相1Ω+1mF，C 相1Ω+1mF。在0.3s 時補償裝置投入，圖6 為補償裝置投入時A 相的電網電壓和電網電流，可見隨著補償裝置投入，能夠對線路無功進行補償，減小電網電壓與電流的相位偏差。圖7 為投入時的網側三相電流，隨著補償裝置的投入對三相負荷不平衡度有明顯的抑制效果。

圖6 A 相電壓電流

圖7 網側電流

4 結論

本文設計了一種基于T 型三電平的三相不平衡調節裝置，通過電流檢測算法識別需要補償的電流大小，并采用雙環控制策略實現對三相負荷不平衡度進行補償，仿真結果表明，本文提出的方法能夠有效解決三相負荷不平衡問題。