电网电压不平衡下三相VSR的控制策略研究

摘要 电网电压不平衡时,以电网平衡为约束所设计的三相电压型PWM整流器(VSR)会出现不正常的运行状态。其交流侧将产生负序电流,使网侧电流严重不对称。本文建立了三相电压型PWM整流器在电网不平衡下的数学模型,在此基础上提出了抑制交流侧负序电流的控制策略,最后进行了系统仿真和实验。结果表明,该控制策略改善了三相VSR的网侧电流波形,实现了三相VSR在电网不平衡下的正常运行。

中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会

电网电压不平衡下三相VSR的控制策略研究

黄泳均李明娟林飞游小杰郑琼林

北京交通大学电气工程学院，北京市100044

摘

要

电网电压不平衡时，以电网平衡为约束所设计的三相电压型PWM整流器（VSR）会出现不正常的运行状态。其

交流侧将产生负序电流，使网侧电流严重不对称。本文建立了三相电压型PWM整流器在电网不平衡下的数学模型，在此基础上提出了抑制交流侧负序电流的控制策略，最后进行了系统仿真和实验。结果表明，该控制策略改善了三相VSR的网侧电流波形，实现了三相VSR在电网不平衡下的正常运行。

关键词

电网不平衡、电压型PWM整流器、陷波器、负序电流

1．引言

在三相电压源型整流器(VSR)控制策略的研究过程中，一般均假设三相电网是平衡的。而实际上，三相电网常处于不平衡状态，即三相电网电压的幅值、相位不对称。

当实际电网不平衡时，由于三相VSR负序电流以及负序电压的存在，必然使其直流侧电流产生2次非特征谐波电流，从而在直流侧电压中产生2次谐波。该谐波电压通过PWM调制又在三相VSR输出交流电压中产生3次谐波电压，进而产生3次谐波电流。如此反复，三相VSR的直流电压中将出现2、4…次非特征谐波，交流电流中将出现3、5…次非特征谐波。在电网不平衡较为严重时，这些非特征谐波会严重影响三相VSR的控制性能。

为了使三相VSR在电网不平衡的条件下仍能正常运行，本文建立了电网不平衡下三相VSR的数学模型，提出了一种通过对负序分量进行前馈控制来抑制交流侧负序电流的控制算法，不仅使得交流侧电流达到正弦和对称，同时实现了三相VSR的受控功率因数运行。仿真和实验结果论证了理论分析的正确性。

相VSR不平衡控制策略时可以忽略零序分量的影响。为分析方便，只考虑三相VSR基波分量时的情况。

以下标αβ表示两相静止坐标系中的分量、以下标dq表示两相同步旋转坐标系中的分量，则三相VSR电网电动势矢量Eαβ=eα+jeβ可以表示为

Eαβ=eEdq+e式中，Eαβ=

23[ea+ebe

jωt

P

jωt

Edq

+ece

j2π/3

N

（1）

]为电网电动

P

P

P

j2π/3

势复矢量；ω为电网电动势角频率；Edq=ed+jeq

N

N

N

为正序电网电动势dq分量，Edq=ed+jeq为负序电网电动势dq分量。

对于三相VSR的拓扑结构，在两相静止坐标系中的交流回路电压方程为

dIαβ

Eαβ=Vαβ+L+RIαβ（2）

dt

式中Vαβ=vα+jvβ为三相VSR交流侧电压复矢量，且Vαβ=eVdq+e

jωt

P

jωt

Vdq；Iαβ=iα+jiβ为三相VSR交流电

jωt

P

jωt

N

流复矢量，且Iαβ=eIdq+eIdq。由式(2)可以看出，

N

2．电网不平衡时三相VSR数学模型

图1给出了三相电压型PWM整流器的拓扑结构

。

通过控制矢量Vαβ就可以控制三相VSR交流电流矢量Iαβ，也就控制了三相VSR交流电流ia、ib、ic。联立(1)、(2)两式，在两相同步旋转坐标系下的三相VSR正序、负序复矢量模型方程为

Edq=LEdq=L

NP

dIdqdtdIdq

N

P

+RIdq+jωLIdq+Vdq+RIdq+jωLIdq+Vdq

N

N

PPP

（3）（4）

N

dt

从功率角度来看，三相VSR网侧复功率矢量S可以表达为

图1三相电压型PWM整流器拓扑结构

S=EI=P+jQ把（1）式和Iαβ=eIdq+e

jωt

P

jωt

N

（5）

Idq代入（5）式，

由于该拓扑不存在零序电流回路，所以在分析三

摘要 电网电压不平衡时,以电网平衡为约束所设计的三相电压型PWM整流器(VSR)会出现不正常的运行状态。其交流侧将产生负序电流,使网侧电流严重不对称。本文建立了三相电压型PWM整流器在电网不平衡下的数学模型,在此基础上提出了抑制交流侧负序电流的控制策略,最后进行了系统仿真和实验。结果表明,该控制策略改善了三相VSR的网侧电流波形,实现了三相VSR在电网不平衡下的正常运行。

解得

p(t)=p0+pc2cos(2ωt)+ps2sin(2ωt)（6）

q(t)=q0+qc2cos(2ωt)+qs2sin(2ωt)

式中，p0、q0分别为有功、无功功率的平均值；pc2、qc2分别为2次有功余弦、正弦项谐波的峰值；ps2、qs2分别为2次有功余弦、正弦项谐波的峰值。显然，式（6）表明，当电网不平衡时，三相VSR网侧有功功率和无功功率均含有2次谐波分量。

将式（6）展开得

pPP

PP

NN

NN

0=1.5(edid+eqiq+edid+eqiq)

pPN ePN NPNP

c2=1.5(edid+qiq+edid+eqiq) NPNPP piNPNs2=1.5(eqid ediq eqd+ediq)（7） q1.5(ePPPPNNNN0=qid ediq+eqid ediq)

qPNPiNNP NPc2=1.5(eqid edq+eqid ediq) qs2

=1.5(ePiN+ePiN eNdiPd eNqiPddqqq)

由式(7)可以看出，p0、pc2、ps2、q0、qc2、q量与iP

P

N

N

s2这六个物理d，iq，id，iq这四个量构成函数关系，可以通过调节电流来调节功率。

3．抑制三相VSR交流负序电流的控制策略

电网不平衡时，为了使三相电流成标准的正弦波，

可以通过滤除电流中的负序分量的方法，使电流的负序量为0，即令iN

N

d=iq=0。同时可以通过调节剩下的两个自由变量iP

P

N

N

d和iq来满足功率上的要求。将id=iq=0代入式（7），且只考虑平均有功功率p0和平均无功功率q0的控制时，有

pP

iP

q

0

3 eP

q

（8）

q =0

2

ed eP

d

eP iP qd

由式（8）求得正序电流指令

P

*

iP*q 2

ePq ed p0

iP* =d

3[(ePq)2+(eP2 P

d)] edeP （9）*

q q0

式中，p*

*

0和q0分别是平均有功功率指令值和平均无功功率指令值。

由于p*

0表示三相VSR平均有功功率指令，因而与三相VSR直流侧电压平均值相关。当三相VSR直流电压调节器采用PI调节器时，其调节器输出与三相VSR直流电流指令相对应，因此

p*

KvI

0=[(Kvp +

s

)(v*dc

v*

dc)]v

（10）

dc

式中，Kvp 和KvI分别是电压调节器的比例和积分增

益。

为了取得单位功率因数控制，可令q*

0=0。由式（9）求得iP*

P*

q和id后，即可采用前馈解耦控制规律，得到三相VSR交流侧正序电压控制指令为

vP*= (K+KiIiP* q iP) ωLIP+eP

iPqq

s

dq

（11） vP*K d= (K+iIs

iP*d iPd)+ωLIPq+eP

iPd

式中，KiP和KiI分别是电流内环PI调节器比例和积分

增益。

4．陷波器的设计

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