不平衡電網電壓下三相OBC并網分析

摘 要：對當前11kw和22kw的三相OBC來說，雙向工作能力已經成為主流的需求。V2G（Vehicle-to-Grid）的商業模式日漸成熟。電網電壓不平衡和電網電壓跌落是電網常見故障，文章介紹了11kw/22kw三相OBC的常見拓撲，基于不平衡分量正負序分解，提出以抑制并網電流負序分量為控制目標的控制策略，通過仿真分析發現采用該控制策略后，并網電流波形質量良好，諧波畸變率遠低于并網標準要求，可以實現OBC的安全穩定并網。

關鍵詞：三相OBC 電網電壓不平衡 電網跌落 負序電流

0 引言

多數電動汽車一天中大部分時間都處在閑置狀態，可以當作是帶輪子的電池，可以利用新能源車來進行車網互動，削峰填谷，為新能源車主增加一份收入。但實際的電網系統中，單相負荷的投切、輸電線路參數的不平衡、三相負載配電不平衡、非對稱電網故障等，都會使得三相電網電壓不平衡。孫金鑫等人［1］主要通過空間矢量控制調制技術完成逆變器直接功率控制。系統出現不平衡故障時，除了含有正序電壓分量，還有負序電壓分量［2］。本文提出一種基于解耦雙同步的四閉環并網OBC控制策略。研究正、負序分離變換方法和dq坐標系下耦合項的解耦方法，研究基于Matlab Discrete 1-phase PLL模塊鎖相和解耦雙同步的四閉環并網逆變器控制策略；在Matlab/Simulink中搭建模型分別對并網OBC在電網電壓不對稱和電網電壓跌落情況下基于解耦雙同步的四閉環控制算法進行仿真。

1 三相OBC常見架構

主流的OBC采用兩級拓撲[3]，如圖1所示。第一級為功率因數校正電路（PFC， Power Factor Correction），其功能是將交流電網電壓和母線電壓相互轉化，同時實現對電網電流的功率因數校正，令其跟蹤電網電壓相位并保持正弦。第二級為隔離型 DC-DC，其連接母線與動力電池，提供電氣隔離以及電壓增益調節能力。

1.1 PFC電路

雙向PFC將三相電轉變為PFC直流母線，或者將直流母線轉化為三相電進行離網或者并網輸出。雙相PFC一般選用三相橋式PFC（圖2），三相四線制拓撲電壓利用率不如三相三線制拓撲，對后級DC-DC的電壓調節能力的要求更高。下面僅討論三相三線制的拓撲。三相六開關電壓型PWM變換器是目前使用最廣泛、最成熟的三相PFC拓撲之一，其拓撲結構簡單，且具備雙向工作的能力。

1.2 CLLC電路

OBC第二級DC-DC需要電氣隔離以防止電網側和電池側之間出現電氣連接，從而在一些異常狀態下危害到人體或設備的安全。大功率雙向隔離型DC-DC一般為CLLC電路，它有兩個作用，一個是隔離作用，另一個是根據不同的電池電壓，提供不同的直流增益。CLLC電路一般采用頻率控制，當充電的時候，CLLC電路用來控制車載電池的充電電壓和充電電流。在放電的時候CLLC電路用來穩定PFC母線電壓。

2 電網電壓不平衡時候的數學模型

2.1 電網電壓不平衡時候的電壓特性

在三相電壓不平衡即三相電壓幅值不相等或者相位差不為120°。電網電壓不平衡時，若只考慮基波分量，根據對稱分量法，電網電壓空間矢量為其正序分量，負序分量以及零序分量的矢量和，三相OBC并網的時候一般采用三相三線制，無零序電流回路，因此分析不考慮零序分量。為了分析簡單，只對正序和負序的基波分量進行考慮，從而任意三相交流信號，可以認為由以下公式表述：

（1）

使用下述正序變換矩陣可以將abc變換為dq分量：

（2）

化簡后，正序電壓分量經過正序變換矩陣后為直流分量，負序電壓分量經過正序變換矩陣后為兩倍頻交流分量。經過負序變換矩陣后，正序電壓分量為兩倍頻交流分量，負序電壓分量為直流量。經過LPF（低通濾波器）或者NOTCH陷波器去除兩倍頻交流分量，本論文使用的是NOTCH陷波器去除兩倍頻交流分量，將正序和負序電壓（電流）分離。

2.2 電網電壓不平衡時OBC并網逆變器的瞬時功率特性

并網逆變器送入電網的瞬時有功和瞬時無功可以分別表示為[4]

（3）

其中，P0和Q0分別為瞬時有功功率和瞬時無功功率的平均值，Pc2、Ps2、Qc2、Qs2為瞬時功率中振蕩分量的幅值。

電網電壓不平衡時，并網瞬時有功功率和瞬時無功功率含有二倍頻分量，且6個瞬時功率分量的幅值與idn、iqn、idp、iqp這4個正負序電流dq軸的分量存在函數關系。因此，根據不同的有功功率和無功功率的控制要求，可計算得出4個瞬時正負序電流dq軸分量的指令值，進而實現正負序電流的獨立控制。

（4）

3 電網電壓不平衡時的控制策略

由于一般的并網都對并網電流的畸變率等有所要求，因此本文只對以抑制并網電流負序分量為控制目標的控制策略做詳細介紹。

當以抑制并網電流負序分量為控制目標時，需要使

（5）

由式（4）得

（6）

故此時根據并網有功功率和無功功率的平均值可得idp與iqp的指令值

（7）

圖4為以抑制并網電流負序分量為控制目標的控制結構框圖[5]。

不平衡電網電壓下的控制結構在理想電網條件下控制結構的基礎上增加了獨立的負序控制，進而實現平衡并網電流的控制目標。為實現單位功率因數并網運行，給定無功功率平均值Q0ref=0。有功正序功率的平均值由車載和電網側指定值共同確定P0ref，同時，令電流負序分量指令值indref與inqref為0，就能消除并網電流中的負序分量。

4 仿真分析

4.1 電網電壓不平衡

基于Matlab/Simulink，建立OBC在三相不平衡工況下控制策略模型。參數設置如下：三相電網電壓有效值為185V，200V，220V。控制策略為負序電流控制為0，單位功率因數并網。

可以看到當采用正負序雙電流環來抑制負序電流，在穩態時具有非常好的控制效果，電網電流正弦性好，三相電流非常平衡，但由于在進行正負序分解的時候采用了濾波器，濾波器的延遲會影響電流環的動態相應。

4.2 電網跌落

不對稱故障包括單相接地短路，兩相接地短路和相間短路三類。不對稱故障情況下，三相電壓值會按照不同規律發生改變，但存在一個共同的規律，即電網電壓不平衡，電網電壓中含有負序分量，同時正序分量幅值會發生跌落。因此不對稱故障，除了包含對稱故障電壓下降的特征之外，還會產生負序分量。本文將對單相（A相）接地故障進行仿真，參數設置如下：三相電網電壓有效值為220V，220V，220V，A相0.4秒跌落到22V，0.8s恢復到220V。控制策略為負序電流控制為0，單位功率因數并網。

5 結論

本文首先介紹了三相OBC的常見架構，然后對正負序電壓進行了分析并建立了dq坐標系瞬時功率和電壓電流的函數關系，提出以抑制并網負序分量為控制目標的控制策略。通過單位功率并網仿真證明采用該策略后，三相OBC在電網電壓不平衡和電壓跌落工況下，并網波形質量良好，諧波畸變率遠低于并網標準要求，可以實現三相OBC的安全穩定并網。證明采用論文中控制策略的三相OBC可以適用于地處偏遠的電網，拓寬了新能源車的使用范圍。

參考文獻：

[1]孫金鑫，盧子廣．基于虛擬電機的光伏并網逆變器直接功率控制[J].電力電子技術，2020，54（1）：73-74，78．

[2]陳曉冬．分布式風光互補微網系統雙模式逆變器控制研究[D].北京：北方工業大學，2017.

[3]田欽元.單三相兼容雙向車載充電機的研究設計[D].杭州：浙江大學，2023.

[4]黃守道，高劍，羅德榮.直驅永磁風力發電機設計及并網控制[M].北京：電子工業出版社，2014：195-200.

[5]高亦凌，郁海彬.電網電壓不對稱跌落下DFIG控制策略的仿真研究[J].大電機技術，2024，2：14-23，30.