面向不平衡补偿的三相四桥臂并网逆变器控制策略研究

邱菱洁

(华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640)

0 引 言

微电网中负载构成复杂，负载的不平衡特性会降低电源质量，导致电压不平衡，更严重时会导致旋转电机和变压器的绕组出现意外高温[1]，从而降低设备效率和寿命预期。不平衡的电压也可能触发错误的保护决策和更高控制级别的错误命令。通常有两种可能的解决方案补偿电压不平衡，一种安装专用的电能质量调节装置，如有源或无源并联电源滤波器[2-4]，这种方法会增加额外的电力电子装置，增加系统体积和成本，且功能单一。另一种将补偿功能为加入传统并网逆变器控制策略，控制操作复杂，存在额外增加通信通道[5-6]等问题。近年来，三相四桥臂逆变器在补偿不平衡非线性负载中发挥了关键作用，引起广泛关注。目前研究主要集中在不平衡负载条件下快速有效控制上[7]，对电压进行不平衡补偿的研究却相对匮乏。为此，本文提出一种既能并网又能补偿微电网不平衡电压的多状态分层协同补偿策略，即改进三相四桥臂逆变器的输出端结构，引入三个相间断路器，补偿低压相电流，进而补偿微电网电压。

1 不平衡电压补偿并网逆变器结构

三相四桥臂并网逆变器利用第四个桥臂控制中性点处的电压，三相输出解耦，产生三个完全独立的输出。采用基于a-b-c坐标系的三维空间调制算法对三相输出电流进行单独分别控制，以实现微电网不平衡电压补偿的目标。同时在三相电压之间设计了由控制器控制的相间断路器。通过调节相间断路器和并网断路器，灵活控制逆变器三相输出电流，解决单相补偿不够的问题，拓扑结构如图1所示。图1中:微电网三相电压分别为uga、ugb、ugc；直流电压为E；四桥臂的中间点电压分别为uA、uB、uC、uN；逆变器侧电感Lf电流分别为iLa、iLb、iLc；微电网侧电流分别为iga、igb、igc；滤波电路电容Cf上的压降分别为ucfa、ucfb、ucfc；直流电压为E；Ki(i=U,V,W)为并网断路器，Kij(i,j=U,V,W)为相间断路器，且1表示相应的断路器闭合，0表示相应断路器关断。

电流控制器采用PI控制策略，设计三个独立的电流闭环，控制跟踪各相给定的电流值，由不平衡补偿控制器给定电流值ISET，与逆变器网侧电感瞬时电流ig进行比较，通过PI控制器调节ig可以快速跟踪给定值。采用基于正、负序双同步坐标系的SPLL系统结构，对两个序分量进行坐标变换，将其分解成正序和负序，在dq坐标系下分量实现对微电网电压相位、频率和幅值的精准检测。

2 微电网三相功率不平衡控制策略

针对解决公共点电压不平衡的问题，利用电压补偿并网逆变器，给公共点注入补偿的电流，将原本较低的电压进行抬升，缓解原本电压较低的相与其他相直接的不平衡程度。

图1 微电网电压补偿系统

2.1 微电网功率不平衡补偿策略方法

根据微网电压情况将其分为四个状态：状态0下微电网三相电压平衡；状态1下一相电网电压偏低，其他两相电压正常；状态2下两相电压偏低且两相电压相等；状态3下两相电网电压偏低，且两低相电压相差较大。定义不平衡阈值ε，当高压相与低压相差值大于ε，则需补偿。设两级控制，一级控制通过将高压相电流减小到低压相，以补偿低压相电压，二级控制将高压相直接并入到低压相进行补偿。

定义三相输出电流为:

(1)

式中:ia、ib、ic为三相输出电流;IA、IB、IC为三相电流有效值给定;φA、φB、φC为三相输出电流给定相角。

2.2 状态1控制策略

定义uU、uV、uW为微电网电压由高相到低相的A、B、C三相，满足如下关系：uU≥uV≥uW。

状态1下，微电网U、V相正常，W相电压跌落，满足如下关系式。

(2)

式中:uU、uV、uW为A、B、C三相微电网电压;ε为不平衡阈值;α为一级补偿系数;β为二级补偿系数。

控制流程图如图2(a)所示，首先进入一级补偿模式，将U相给定IU减α(uU-uW)，并将其补偿到W相电流有效值给定IW中。当IU的值减至接近0或者IW达到额定值Ie时，进入二级补偿，断开KU,KV，保证在进入二级补偿时高压相并网断路器充分关闭后开始并相补偿动作。经过0.02 s延迟后打开KUW、KVW，IU、IV、IW平均分担一级控制结束时IW给定电流，并以β(uU-uW)的增值补偿到W相中。

2.3 状态2控制策略

状态2下，微电网U相正常，V、W相电压跌落，满足如下关系式：

(3)

式中:uU、uV和uW为A、B、C三相微电网电压;ε为不平衡阈值;α为一级补偿系数;β为二级补偿系数。

控制流程图如图2(b)所示，先在一级补偿模式下将V相电流有效值给定减去α(uU-uW)，平均补偿到其他两相中。系统在IU降低到接近零，或者IV，IW增到额定值Ie时仍未达到平衡状态，则进入二级补偿模式。在二级模式下，断开KU，经过延迟后打开相间断路器KVW，使得IV以β(uU-uW)的增量补偿W相。

2.4 状态3控制策略

状态3下，微电网三相电压有效值满足如下关系式。

(4)

式中:uU、uV、uW为A、B、C三相微电网电压;ε为不平衡阈值;α为补偿系数。

控制流程图如图2(c)所示，先在一级补偿模式下补偿最低相电压，将U相给定Iu减去α(uU-uW)并补偿到中IW。如果在一级补偿模式下UW提高状态2情况，此时控制切换到状态2下进行补偿。否则进入二级补偿，将U相并入W相再进行补偿。

2.5 控制模式切换

由于微电网系统下负载的不确定性和多变性，微网系统中平衡情况多变，要求系统必须迅速切换到当前所属状态下进行控制，由不平衡控制系统调节下产生的状态变化以及相应的控制模式切换如图3所示。

图2 不同状态下控制策略流程图

3 仿真及试验研究

采用Simulink进行仿真验证研究，接入容量为30 kVA、线电压380 V 的模拟微电网，不平衡补偿校正动作的最小临界值设为1 V。三种状态下补偿前后逆变器输出电流以及微电网电压波形仿真结果如图4所示。

不平衡状态1：在0.05～0.12 s内进行状态1下一级补偿，在一级补偿控制结束时约为199.5 V。经过0.002 s的延迟后，0.145 s进入状态1下二级补偿，最终将微电网A相电压有效值抬升到218 V。

不平衡状态2：0.05～0.11 s内为状态3一级补偿模式，减小IC补偿到IA、IB，此时三相电压有效值分别为199 V、197 V和213 V。0.002 s延迟后0.14 s进入二级补偿模式，C相并入A相，在0.16 s时A相电压已正常，C相仍较低，进入状态1一级补偿，由于IA到达额定值，故停止补偿，最终三相电压有效值分别为219 V、198 V和220 V。

不平衡状态3：0.05 s开始补偿，进入状态3下一级控制模式，IC减小IA增大，在0.083 s时达到IA额，此时A相电压有效值为213 V，经过0.002 s死区时间；0.103～0.164 s内为状态3二级控制模式，将C相并A相补偿，在0.164 s时A、B相电压有效值同为217 V；在0.164～0.192 s内为状态2下一级控制，最终微网三相电压有效值分别为219 V、219 V和220 V。

图4 三种状态下仿真结果图

为了进一步验证本文补偿策略的正确性，按图1搭建每相最大输出电流为16 A的三相四桥臂并网逆变器，对状态1下补偿结果进行试验。图5为实测的逆变器输出电流以及微电网电压波形。

图5(a)为未进行补偿前的电压波形图，微电网三相电压有效值分别为205.5 V、220.5 V和221.8 V，0.05 s开始一级补偿中，IA增大IB减小，在0.370 4 s时IA达到额定值16 A，微电网的三相电压有效值分别为211 V、220.7 V、221.2 V。此时，断开三相电流输出，经过0.15 s延时后进入二级补偿模式。图5(b)为二级补偿下波形，0.513 s处，给定三相输出电流有效值为5 A并逐步增加，在1.38 s时，微电网三相电压有效值分别为：220 V、221.1 V、219.1 V。

图5 状态1试验波形图

4 结束语

本文对微电网三相电压不平衡补偿问题进行了研究，提出了一种基于三相四桥臂并网逆变器的电压补偿策略，具有三相输入灵活分配和多级协同补偿的特点。仿真和试验结果证明，针对微电网可能出现的一相或者两相电压跌落，有很好的补偿效果。