三相變頻空調(diào)電網(wǎng)不平衡容錯(cuò)控制技術(shù)研究

作者簡介：胡斌（1988—），男，博士，研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程。

龍譚（1994—），男，碩士，研究方向?yàn)橛来磐诫姍C(jī)驅(qū)動(dòng)控制和功率變換控制。

摘" 要：當(dāng)三相電網(wǎng)不平衡時(shí)，三相電網(wǎng)供電的變頻空調(diào)容易因網(wǎng)側(cè)電流突變而觸發(fā)過流保護(hù)停機(jī)。為了增強(qiáng)三相變頻空調(diào)在電網(wǎng)不平衡下的容錯(cuò)運(yùn)行能力，文章探明了三相電網(wǎng)不平衡下的可控裕量與輸入輸出電壓調(diào)制比、電網(wǎng)電壓不平衡度之間的關(guān)系，并提出了不可控區(qū)域的退化Boost控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該控制方案的三相變頻空調(diào)即便在電網(wǎng)缺一相時(shí)仍能輸出較高的功率。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)不平衡" 三相維也納功率因數(shù)校正" 容錯(cuò)控制" 電網(wǎng)缺相

中圖分類號(hào)：TN77

Abstract： When the three-phase power grid is unbalanced， the variable-frequency air conditioner powered by the three-phase power grid is prone to shutdown because sudden changes in the current on the grid side trigger overcurrent protection. In order to enhance the fault-tolerant operation ability of three-phase variable-frequency air conditioners under unbalanced power grids， the article verifies the relationship between the controllable margin under unbalanced three-phase power grids and the input-output voltage modulation ratio and the voltage imbalance degree of power grids， and proposes a degraded Boost control for uncontrollable areas. The experimental results show that the three-phase variable-frequency air conditioner that uses this control scheme can still output higher power even when one phase of the power grid is missing.

Key Words： Unbalanced power network; Three-phase Vienna power factor correction; Fault-tolerant control; Phase loss in the power network

電網(wǎng)供電的變頻空調(diào)需要先通過整流電路將交流電壓變換成直流電壓，再通過逆變電路驅(qū)動(dòng)變頻壓縮機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的變頻調(diào)速。由于功率等級和諧波電流的限制，功率較大的輕型商用變頻空調(diào)已經(jīng)開始采用三相有源功率因數(shù)校正（PFC）電路作為其前級的整流變換器，而三相維也納PFC因其低成本、高功率密度和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，成為備受青睞的三相有源PFC方案[1-2]。

電網(wǎng)一般以三相四線制向用戶供電，是三相負(fù)載與單相負(fù)載混合用電的供電網(wǎng)絡(luò)。在理想情況下，單相負(fù)載均衡地分接在三相電網(wǎng)上，三相電網(wǎng)是平衡的。但是，在電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行中，由于單相用戶的不可控增容減容、單相負(fù)載用電的不可控變化以及配電網(wǎng)監(jiān)控調(diào)整的不及時(shí)等眾多因素的影響，三相電網(wǎng)不平衡的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[3-4]。因此，三相電網(wǎng)供電的變頻空調(diào)必須考慮三相電網(wǎng)不平衡的用電場景。

三相維也納PFC的調(diào)制電壓不僅與開關(guān)的狀態(tài)有關(guān)，還與網(wǎng)側(cè)電流的方向有關(guān)。在三相電網(wǎng)平衡的理想情況下，網(wǎng)側(cè)電流與電網(wǎng)電壓的相位保持一致，三相維也納PFC的控制器總能輸出所需的調(diào)制電壓。然而，當(dāng)三相電網(wǎng)不平衡時(shí)，網(wǎng)側(cè)電流與電網(wǎng)電壓之間會(huì)出現(xiàn)相位差，限制三相維也納PFC的調(diào)制電壓。如果三相電網(wǎng)的不平衡度過大，三相維也納PFC就會(huì)存在不可控的情況，導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電流出現(xiàn)尖峰，容易觸發(fā)過流保護(hù)。

目前學(xué)術(shù)界有學(xué)者研究三相電網(wǎng)不平衡下的恒功率控制方案[5-7]，但這種方案的網(wǎng)側(cè)電流不平衡，存在功率器件電流應(yīng)力不均衡的問題。

1三相電網(wǎng)不平衡下網(wǎng)側(cè)電流平衡控制的可控區(qū)域

本文研究的三相變頻空調(diào)整流變換器是三相維也納PFC電路，其拓?fù)淙鐖D1所示。三相維也納PFC的調(diào)制電壓由網(wǎng)側(cè)電流的極性和開關(guān)的狀態(tài)決定，且每個(gè)時(shí)刻a、b、c三點(diǎn)分別只有兩個(gè)電平可用。例如：假設(shè)，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，；當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)，；此時(shí)，a點(diǎn)的電位只有可用。因此，在如圖2所示的調(diào)制電壓空間矢量αβ平面上，三相維也納PFC拓?fù)湓谌我鈺r(shí)刻都只有8個(gè)電壓矢量可用。

根據(jù)網(wǎng)側(cè)三相電流的極性，網(wǎng)側(cè)電流空間矢量將如圖2所示的整個(gè)αβ平面劃分成6個(gè)區(qū)域，即區(qū)域I、II、III、IV、V和VI。可用的電壓矢量由網(wǎng)側(cè)電流空間矢量所處的區(qū)域決定。以網(wǎng)側(cè)電流空間矢量處于區(qū)域I（陰影區(qū)域）為例，可用的電壓矢量全部落在圖2的虛線六邊形中，包括位于6個(gè)頂點(diǎn)的6個(gè)矢量和位于中點(diǎn)的2個(gè)冗余短矢量。若調(diào)制電壓矢量超出虛線六邊形區(qū)域，則三相維也納PFC不可控。

當(dāng)網(wǎng)側(cè)電流空間矢量接近區(qū)域I的下邊界時(shí)，如圖3所示，若對應(yīng)的調(diào)制電壓空間矢量滯后于網(wǎng)側(cè)電流空間矢量，則三相維也納PFC的調(diào)制電壓空間矢量被限制在圖3的陰影三角形區(qū)域內(nèi)。記網(wǎng)側(cè)電流與調(diào)制電壓的空間矢量夾角為θ。根據(jù)圖3中的幾何關(guān)系和正弦定理可知，三相維也納PFC可控的必要條件是：

網(wǎng)側(cè)電流空間矢量接近區(qū)域I上邊界的情形同理可得，這里不再贅述。

下面討論三相電網(wǎng)電壓不平衡度與三相維也納PFC網(wǎng)側(cè)電壓電流空間矢量夾角之間的關(guān)系。根據(jù)對稱分量法，任何三相不平衡的電流、電壓或阻抗都可以表示成平衡的正序、負(fù)序與零序3個(gè)分量之和。由于三相維也納PFC為三相三線制，所以三相電網(wǎng)電壓的零序分量可以忽略。此時(shí)，不平衡的三相電網(wǎng)電壓可以表示成：

式（3）中，和分別為正序分量和負(fù)序分量的幅值。

以三相電網(wǎng)電壓的正序分量大于或等于負(fù)序分量（即）為例，在網(wǎng)側(cè)電流平衡控制下，令穩(wěn)態(tài)的網(wǎng)側(cè)電流與電網(wǎng)電壓正序分量的空間矢量方向保持一致。定義三相電網(wǎng)電壓不平衡度，則。取為電壓基準(zhǔn)值，電流幅值為電流基準(zhǔn)值，則歸一化后的網(wǎng)側(cè)電壓和電流可以分別表示成：

此時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓和電流的空間矢量在αφ/2βφ/2坐標(biāo)系下的軌跡和幾何關(guān)系如圖4所示。

由于三相維也納PFC網(wǎng)側(cè)電感的阻抗很小，網(wǎng)側(cè)電感上的壓降可以忽略，所以調(diào)制電壓空間矢量可以近似為電網(wǎng)電壓空間矢量。因此，根據(jù)夾角公式和均值不等式，由公式（9）和（10）可得，網(wǎng)側(cè)電流與調(diào)制電壓的空間矢量夾角θ滿足如下關(guān)系：

記三相維也納PFC的輸入輸出電壓調(diào)制比為。以三相維也納PFC在網(wǎng)側(cè)電流平衡控制下可控的夾角裕量?θ（單位為度）作為公式（13）的評價(jià)指標(biāo)，則夾角裕量與輸入輸出電壓調(diào)制比、電網(wǎng)電壓不平衡度之間的關(guān)系如圖5所示。可見，夾角裕量與輸入輸出電壓調(diào)制比、電網(wǎng)電壓不平衡度均成反比。

2 不可控區(qū)域的退化Boost控制

當(dāng)三相維也納PFC處于圖5的不可控區(qū)域時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制，選取三相電網(wǎng)中線電壓有效值最大的兩相，主動(dòng)斷開第三相的連接，將三相維也納拓?fù)渫嘶蓡蜗郥型三電平Boost拓?fù)洹?/p>

以斷開C相為例，則AB兩相退化為單相PFC的輸入電源。如圖6所示，當(dāng)輸入電壓時(shí)，。忽略器件壓降，若雙向開關(guān)與均關(guān)斷，則a點(diǎn)和b點(diǎn)相對于電容中點(diǎn)O的電壓分別為和；若雙向開關(guān)關(guān)斷、導(dǎo)通，則a點(diǎn)和b點(diǎn)相對于電容中點(diǎn)O的電壓分別為和0；若雙向開關(guān)導(dǎo)通、關(guān)斷，則a點(diǎn)和b點(diǎn)相對于電容中點(diǎn)O的電壓分別為0和；若雙向開關(guān)與均導(dǎo)通，則a點(diǎn)和b點(diǎn)相對于電容中點(diǎn)O的電壓均為0。輸入電壓的情形類似可得，這里不再贅述。

在單相T型三電平Boost拓?fù)湎拢{(diào)制電壓為a點(diǎn)和b點(diǎn)之間的電壓，即，需要控制的網(wǎng)側(cè)電流為，該拓?fù)洳淮嬖谡{(diào)制電壓的空間矢量無法合成問題和網(wǎng)側(cè)電流的不可控區(qū)域。此時(shí)，網(wǎng)側(cè)電流與調(diào)制電壓的關(guān)系為

3 實(shí)驗(yàn)測試

在型號(hào)為RFD-120QW/BSDN8Y-D（B1）的美的三相變頻空調(diào)樣機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。其三相維也納PFC電路的主要參數(shù)如表1所示。

由于缺相是三相電網(wǎng)不平衡情形中較為嚴(yán)重的一種，所以實(shí)驗(yàn)主要測試三相變頻空調(diào)在電網(wǎng)缺一相時(shí)的容錯(cuò)運(yùn)行能力。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖7中可以看出，在退化Boost控制下，網(wǎng)側(cè)電流沒有出現(xiàn)突變的尖峰，三相變頻空調(diào)仍能輸出較高的功率。

4 結(jié)論

本文研究了三相變頻空調(diào)的維也納PFC在電網(wǎng)不平衡下的可控區(qū)域，并提出了不可控區(qū)域的退化Boost控制，以增強(qiáng)三相變頻空調(diào)的容錯(cuò)運(yùn)行能力。在網(wǎng)側(cè)電流平衡控制下，三相維也納PFC網(wǎng)側(cè)電流與調(diào)制電壓的空間矢量夾角裕量與輸入輸出電壓調(diào)制比、電網(wǎng)電壓不平衡度均成反比。當(dāng)三相維也納PFC處于不可控區(qū)域時(shí)，將三相維也納拓?fù)渫嘶蓡蜗郥型三電平Boost拓?fù)洹Ｔ谌嘧冾l空調(diào)上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該控制方案的三相變頻空調(diào)即便在電網(wǎng)缺一相時(shí)仍能輸出較高的功率。

參考文獻(xiàn)

[1]梁相印.直流充電樁前級VIENNA整流器的研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安科技大學(xué)，2022.

[2]李向陽.微電網(wǎng)群三相不平衡補(bǔ)償方法及諧振穩(wěn)定性研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2023.

[3]蘇大勇.不平衡電網(wǎng)下三電平PWM整流器控制研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2021.

[4]史兆成.寬范圍不平衡電網(wǎng)下三相VIENNA整流器電流控制策略的研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2021.

[5]吳馥云，陸朱衛(wèi)，陳海霞，等.不平衡電網(wǎng)下基于功率解耦的PWM整流器控制策略研究[J].機(jī)電信息，2023（16）：17-20.

[6]何晨，黃海宏.不平衡電網(wǎng)條件下維也納整流器控制策略研究[J].電器與能效管理技術(shù)，2022（4）：12-18，34.

[7]黃銳.電網(wǎng)不平衡狀態(tài)下維也納整流器的研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2021.