不平衡負荷下PET輸出級電能質量優化控制

程靜，趙振民,2*，岳雷

(1.新疆大學可再生能源發電與并網控制教育部工程研究中心，烏魯木齊 830017；2.國網新疆電力有限公司電力科學研究院，烏魯木齊 830011；3.新疆鐵道勘察設計院有限公司，烏魯木齊 830010)

近年來，在國家“碳達峰、碳中和”時代愿景和“清潔、低碳、安全、高效”的能源發展戰略背景下，電力系統向著高占比新能源大規模接入的方向發展[1-2]。伴隨電動汽車、光伏建筑一體化及智能家居等電力能源的廣泛應用，新型電力系統終端用能結構的電氣化水平大大提升，用電負荷更加復雜化、多樣化[3-4]。因此，解決高滲透率新能源接入下系統的強不確定性與脆弱性問題，實現靈活的交直流組網與多場景融合應用，進一步改善和提高電能質量，是促進新能源消納及保障系統安全穩定運行的前提。

電力電子變壓器(power electronic transformer，PET)在實現能量傳遞轉換、電氣隔離等功能的基礎上，借助于先進的控制技術，能夠實現靈活的電能質量調節、無功補償及潮流控制，因而在新型電力系統中備受關注，具有良好的應用前景[5]。文獻[6]針對非線性負荷影響輸出電壓質量的問題，在PET輸出級主從控制策略中加入諧波電流補償環節，有效降低輸出電壓畸變率。文獻[7]提出了將正弦脈寬調制替換為載波移項調制，極大降低輸出電壓、電流諧波含量。文獻[8-10]中均采用兩電平輸出結構，以主從控制、比例積分(proportional-integral，PI)控制或下垂控制等不同控制策略研究探尋提升電能質量的方法，并取得了一定的效果。文獻[11]中設計了三相四橋臂的輸出級逆變器拓撲結構，以雙重準比例復數積分控制完成不平衡負載的電能傳輸，但不能有效抑制負序分量。文獻[12]基于模塊化多電平的PET結構，提出了適用于高壓直流、大功率、大容量的功率協調控制方法，以滿足配電網功率需求，同時保證PET穩定運行。

上述研究中PET拓撲結構輸出級均采用兩電平、三相四線輸出結構，兩電平輸出會使得電流含有較大諧波分量，三相四線輸出結構不僅需要考慮正、負序電流，還需考慮零序電流的平衡問題；且大多數研究只針對三相平衡負荷或非線性負荷從不同控制策略進行電能質量的改進提升，對新型電力系統負載側大量涌現的不平衡負荷未考慮。為解決上述問題，基于T型三電平輸出級PET拓撲結構，其輸出電流諧波小且不需考慮零序電流平衡問題的強大優勢，提出一種針對不平衡負荷的計及正/負雙序電流的優化控制策略，以正/負序電壓控制環設定電流參考值，以期實現電流調節，保障配電網輸出級負荷三相電壓平衡或直流電壓恒定，保證配電網安全穩定運行。

1 PET主電路拓撲結構

PET主電路拓撲結構如圖1所示，采用輸入級、隔離級和輸出級三級結構。輸入級由半橋型模塊化多電平(modular multilevel converter，MMC)變流器串聯組成，以MMC模塊數目的增減實現不同電壓等級的交流接入。中間隔離級由雙向全橋(dual active bridge，DAB)逆變電路組成，以輸入串聯/輸出并聯(input series output parallel，ISOP)結構實現電氣隔離和功率雙向流動，其低壓直流母線提供風電、光伏等新能源并網端口。輸出級采用T型三電平輸出結構，為用戶側負荷提供穩定的工頻交流電壓。

UdcL為輸出級直流側母線電壓；UdcH為隔離級高壓直流母線電壓；usj、isj分別為輸入級接入的交流電壓和電流；Lr、Cr分別為隔離級電感和電容；C1、C2為上下兩個直流母線分壓電容，取相同的容抗值；Uc1、Uc2和ic1、ic2為分壓電容兩端的電壓和流過的電流；iNP為中點電流；以a相為例，LC型濾波電路由濾波電容Cf_a和濾波電感Lf_a組成；Rf_a為濾波電路的等效電阻；uL_a、iL_a為負荷側輸出電壓和輸出電流

相對于傳統兩電平逆變器，三電平逆變器每相橋臂多兩個絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)功率管，具有諧波特性好、IGBT功率器件選擇空間大和功率損耗小等優點，被用作輸出級。從電路結構上，能大大削弱諧波分量，降低電能損耗。因此，主要針對輸出級設計控制器，并優化控制策略，保障不平衡負載工況下配電網的電能質量滿足要求。

2 PET輸出級數學模型

2.1 T型三電平逆變器建模

圖1為PET主電路拓撲結構圖，由基爾霍夫電壓定律(Kirchoff ’s voltage law，KVL)得電壓方程為

(1)

式(1)中：t為時間。

將式(1)的三相負載電壓和電流進行Park變換，得到d-q旋轉坐標系下的微分方程為

(2)

式(2)中：uL_d、uL_q為輸出級變換器的輸出電壓d、q軸分量，V；iL_d、iL_q為輸出級變換器的輸出電流d、q軸分量，A；Lf為d-q旋轉坐標系下逆變器至負荷的線路總電感，mH；Rf為d-q旋轉坐標系下逆變器至負荷的線路電阻，Ω。

2.2 不平衡負荷對配電網電能質量的影響

當負荷平衡時，負載電壓和電流只包含正序分量；而負荷不平衡時，其負載電壓和電流中包含正序分量和負序分量[8]。由三相向量對稱分量法，當不考慮諧波時，不平衡負載條件下PET的三相輸出電壓uL_a、uL_b和uL_c可表示為

(3)

式(3)中：Um0、UmP和UmN分別為輸出電壓零序、正序和負序分量的幅值，V；θ0、θP和θN分別為零序、正序和負序電壓初相位，(°)。

將式(3)進行Park變換，轉換至d-q旋轉坐標，可表示為

目前，甲魚主要養殖模式為池塘養殖和溫室大棚養殖，山塘水庫仿野生養殖、魚鱉混養的模式尚屬少見。山塘水庫仿野生養殖甲魚，養殖周期較長（3年以上），但商品鱉的價格比普通人工養殖的甲魚價格高出2倍以上，養殖綜合效益明顯。本文主要介紹山塘水庫魚鱉混養，綜合利用水體的關鍵技術。

(4)

式(4)中：uL_d、uL_q、uL_0分別為d-q坐標系下輸出電壓的正序、負序及零序分量，V；Tabc/dq為坐標變換矩陣。

由式(4)可知，當負荷三相不平衡時，PET負荷側三相電壓出現二倍頻分量，且與UmN有關，即負載電壓的二倍頻分量由負序分量引起。

在負荷不平衡情況下，PET負荷側瞬時有功功率P和無功功率Q可表示為

(5)

由式(5)可知，不平衡負荷也將產生瞬時功率的二倍頻分量，引起輸出有功和無功脈動。由d-q軸正/負序分量可表示為

(6)

3 PET輸出級控制策略

3.1 傳統PI控制策略

目前，大多數PET輸出級控制策略都是基于傳統的比例積分PI控制，對其進行不同方法的改進，從而實現控制目標。傳統PI控制原理框圖如圖2所示。

圖2 傳統PI控制原理框圖

3.2 計及正/負雙序電流的優化控制策略

當負荷三相不平衡時，引起輸出電壓二倍頻分量和功率脈動的重要因素是負序分量，而傳統PI控制策略中未考慮負序分量的影響。因此，提出一種考慮正/負雙序分量的優化控制策略，其控制結構框圖如圖3所示。

L為濾波電路的電感

根據圖1的電路拓撲結構，T型三電平輸出級的電路結構存在中點電位平衡問題，因此在調制電壓e*的調節過程中加入中點電位平衡控制，注入電壓零序分量，實現兩個分壓電容的電壓平衡，解決中點電位平衡問題[14-15]。具體調節方法，可表示為

(7)

式(7)中：u0為電壓零序分量，V；C為兩個分壓電容C1、C2的容抗值，mF，C=C1=C2；UC1、UC2分別為C1、C2兩端電壓，V；inpav為中點n處的電流，A；inp0為采取平衡控制措施后的中點電流，A；fs為載波頻率，kHz。

4 仿真驗證及分析

為驗證所提控制策略在不平衡負荷下對配電網輸出電能質量的改善效果及有效性，參照圖1的電路結構，在MATLAB/Simulink軟件平臺搭建PET電路仿真模型，進行仿真分析與驗證。三相不平衡負荷取值分別為10、15、20 Ω。輸入級電壓us有效值為10 kV，高壓直流母線電壓UdcH為20 kV，低壓直流母線電壓UdcL為750 V，載波頻率fs為20 kHz，有功功率P2設定10 kW。其他線路元件參數設置如表1所示。

表1 線路元件參數設置

4.1 傳統PI控制策略

在三相不平衡負荷情況下，采用傳統PI控制策略，分析觀察0.2～0.6 s時段系統穩定運行后，PET負荷側電能質量各項指標仿真曲線如圖4～圖8所示。

由圖4可以看出，PET輸出電流和電壓不平衡，相電壓峰值約為10 V波動，電壓不平衡度Ud達1.85%，不滿足《電能質量三相電壓不平衡》(GB/T 15543—2008)國家標準中要求的1.3%以下[16]。圖5中，隔離級低壓側直流母線電壓峰值達751.1 V，低壓直流電壓發生二倍頻振蕩。由圖6可以看出，輸出有功和無功脈動較大。由圖7可知，兩分壓電容兩端的電壓差值較大，中點平衡問題未解決。由圖8可知，輸出電壓的50 Hz基波幅值為316.2，總諧波畸變率THD為0.68%；輸出電流的50 Hz基波幅值為24.96，總諧波畸變率THD為0.66%，抑制諧波能力有待進一步提高。

iL為負載電流；uL為負載電壓；uccL為負載相電壓幅值；Ud為負載電壓不平衡度

圖5 低壓側直流母線電壓

圖6 輸出有功功率及無功功率

Uc1、Uc2為兩分壓電容兩端電壓

4.2 計及正/負雙序電流的優化控制策略

在三相不平衡負荷情況下，采用計及正/負雙序電流的優化控制策略，并加入中點平衡控制技術，分析觀察0.2～0.6 s時段系統穩定運行后，PET負荷側電能質量各項指標曲線如圖9～圖13所示。

圖9 優化后負載電流和電壓指標仿真曲線

圖10 中間隔離級直流母線電壓

圖11 優化后輸出有功功率及無功功率

圖12 兩分壓電容兩端電壓

圖13 負載電壓和電流諧波含量

由圖9可以看出，PET輸出電流不平衡，但負載電壓能夠保持平衡，相電壓基本穩定于311 V，電壓不平衡度為0.22%，滿足《電能質量三相電壓不平衡》(GB/T 15543—2008)國家標準規定中的要求。圖10中，隔離級低壓側直流母線電壓峰值達750.5 V，有效抑制低壓直流電壓振蕩；高壓側直流電壓近似20 kV，中間隔離級電氣隔離效果好。由圖11可以看出，負荷側有功和無功脈動有很大降低。由圖12可知，兩分壓電容兩端的電壓近乎完全相等，中點平衡問題得以很好的解決。由圖13可知，輸出電壓的50 Hz基波幅值為310.9，總諧波畸變率THD為0.21%；輸出電流的50 Hz基波幅值為25.2，總諧波畸變率THD為0.48%，抑制諧波能力很強。

5 結論

針對高占比新能源并網及負荷進一步復雜多元化的新型電力系統輸出電能質量下降問題，提出一種基于T型三電平輸出級的PET正/負雙序電流優化控制策略，能夠有效改善輸出電能質量。經仿真分析與驗證，得出以下結論。

(1)在PET電路中，以T型三電平替代兩電平型輸出級，有效降低其輸出電壓諧波含量和功率損耗。

(2)所提計及正/負雙序分量的優化控制策略，在負荷三相不平衡時，能夠很好的保證三相電壓平衡穩定運行，大大降低因電壓二倍頻分量引起的有功和無功功率脈動，提升了電能質量。

(3)以注入零序分量的方式，結合優化控制策略，實現了T型三電平輸出級分壓電容電壓相等，很好地解決了中點電位平衡問題，并助力降低負荷側電壓和電流的低次諧波。