基于T 型三电平的三相不平衡调节装置设计

雷司宇 谭聪 彭海超 王赫 孙冰南

（国网吉林省电力有限公司松原供电公司，吉林松原 138000）

低压配电网在为工业生产、农业生产以及居民用户供电时，由于负荷种类多样且多变，容易引起电网三相负荷不平衡。目前，我国的低压配电网主要采用三相四线制结构，适用于居民日常用电和工农业生产，然而这些负荷无法进行统一的调控，因此不能对负荷的用电量进行预测[1-2]。

对于三相系统，每一相的负荷用户不同，当某一相轻载或重载时，会改变流过线路上的电流，使三相负荷不平衡。[3-5]。

针对上述问题，本文设计了一种基于T 型三电平的三相不平衡调节装置，通过电流检测算法识别需要补偿的电流大小，并采用双环控制策略实现对三相负荷不平衡度进行补偿，最后通过仿真验证本文设计方法的正确性及有效性。

1 T 型三电平的工作原理及数学模型

三相四线制T 型三电平补偿系统简化结构如图1 所示。

图1 T 型三电平三相四线制拓扑

其中，udc1、udc2为直流侧电容C1和C2电压，idc1和idc2为直流侧电容C1、C2电流，iiabc为流入三电平变换器的三相电流，ilabc为流入三相负载的相电流，isabc为流出网侧三相电流，usabc为电网三相电压，iin为流入T 型三电平变换器中性点的电流，iln为流入三相负载中性点电流，isn为流出网侧中性点电流。对于直流侧，假定直流母线上、下桥臂电容的电压平衡，则直流侧母线电压的关系可以表示为udc1=udc=udc1/2。

三电平变换器的交流出口采用LCL 滤波器进行滤波，由于LCL 滤波器在谐振频率以上时，其滤波衰减效果优于L 型滤波器，因此滤波器体积较小。交流电容C 的能够有效滤除开关频率附近的谐波，当工作在正常运行状态时，可以将其视为开路，则三电平变换器电压uiabc与电流iiabc的关系为

其中Ts为控制周期大小，kTs为第k 个控制周期，通过测量usa(kTs)、usb(kTs)、usc(kTs)和iia[(k-1)Ts]、iib[(k-1)Ts]、iic[(k-1)Ts]，然后根据算法设计使补偿装置输出电压ua(kTs)、ub(kTs)、uc(kTs)，最终输出期望的目标电流iia(kTs)、iib(kTs)、iic(kTs)。

采用T 型三电平变换器作为三相不平衡调节装置的基本补偿步骤为：

（1）利用电流互感器对负载电流进行采集。

（2）根据负载电流计算补偿基波正序无功电流和负序、零序电流期望值，从而获取指令电流的大小。

（3）根据指令电流控制补偿装置的各IGBT 器件，输出对应的参考电压。其中，补偿系统注入系统的电流为检测正序无功电流和负序、零序电流期望值的相反数。从而保证网侧电流只有基波正弦有功电流。

2 三相不平衡补偿算法设计

2.1 指令电流检测算法设计

2.2 双闭环控制策略设计

变换器的反馈控制方案采用电感电流瞬时值反馈内环和输出电压瞬时值反馈外环，其控制框图如图3 所示。

图3 中，电压外环利用比例积分控制（PI）消除电压误差。电流内环反馈量可以选择电容电流或电感电流。当取电容电流作为内环反馈时，iC被瞬时控制，输出电压由于iC的积分作用提前补偿，所以系统的动态性能较好，但无法对逆变器进行限流保护。因此，本文仍采用电感电流反馈内环，并采用无差拍控制进行电流跟踪。电流环还引入了负载电流补偿和输出电压交叉反馈解耦。一则，负载电流补偿能有效抑制负载扰动对输出波形的影响，保证系统在正常运行时的稳定性。二则，变换器的输出电压引入多反馈量，由于控制器间的交互作用，会使得控制系统更为复杂。因此，为了有效控制目标对象、达到较好的补偿效果，需要使内外环解耦。

图3 逆变器双闭环控制框图

引入输出电压反馈后，电流环输出控制量为持器，用于被控对象离散化。

图2 电流算法检测框图

图4 是解耦简化后的电流环控制框图。其中，ZOH 是零阶保

图4 解耦后电流环

引入负载电流补偿后，电压环的输出控制量如下：

图5 是加入负载电流补偿后并将内电流环看作为常数增益后的简化电压环。

图5 解耦后电压环

3 仿真验证

为了验证本文提出的三相不平衡调节装置设计方案的正确性及有效性。基于Matlab/Simulink 搭建仿真系统。系统的主电路参数如表1 所示。

表1 三相不平衡调节装置主电路参数

三相负载的为RC 串联电路，分别为A 相2Ω+1mF，B 相1Ω+1mF，C 相1Ω+1mF。在0.3s 时补偿装置投入，图6 为补偿装置投入时A 相的电网电压和电网电流，可见随着补偿装置投入，能够对线路无功进行补偿，减小电网电压与电流的相位偏差。图7 为投入时的网侧三相电流，随着补偿装置的投入对三相负荷不平衡度有明显的抑制效果。

图6 A 相电压电流

图7 网侧电流

4 结论

本文设计了一种基于T 型三电平的三相不平衡调节装置，通过电流检测算法识别需要补偿的电流大小，并采用双环控制策略实现对三相负荷不平衡度进行补偿，仿真结果表明，本文提出的方法能够有效解决三相负荷不平衡问题。