基于改进PWM控制的电网运行安全调制策略研究*

易善军，王炳然，窦姿麟，刘少午，王 欣

(1.国网内蒙古东部电力有限公司，内蒙古 呼和浩特 010010；2.哈尔滨工业大学(威海) 新能源学院，山东 威海 264209；3.国家电网公司东北分部，辽宁 沈阳110180；4.中国科学院沈阳计算技术研究所有限公司，辽宁 沈阳 110168)

0 引言

当下PWM整流器在工业生产领域大范围使用，但是在实际应用过程中，在PWM整流器中，尤其是在单独的小功率供电电网中经常出现输入电压幅值、波形以及频率波动等非正常情况[1]。此时，基于电网电压平衡的控制策略，无法有效很好地调制电网电压中的无序并且不可预测电网电压的不平衡状态，导致电网运行安全存在很大隐患。电网运行安全是指使电网符合相关规定，连续、稳定、正常地完成运行[2]。电网运行安全调制是指在电网电压处于平衡状态以外的任何1种非正常情况下，例如电压不平衡、频率和输入的幅值不对等等情况，通过调制这些跟电网电压关联较大的影响因素，保证电网安全运行。例如王凌云等为了确保电网安全运行，提出基于改进功率环的微电网对等控制策略研究[3]；李圣清等提出的基于改进动态下垂系数的微电网控制策略研究[4]，这2种策略在控制电网安全同时，均存在一些电压的控制误差及出现电压不稳的情况。为了有效改善上述问题，本文研究基于改进PWM控制的电网运行安全调制策略，以期有效完成微电网在非正常情况下的调制，并保证微电网的安全运行。

1 基于改进PWM控制的电网运行安全调制策略

为了提升电网运行安全性与稳定性，研究基于改进PWM控制的电网运行安全调制策略，采用三相PWM整流器负序电压不平衡控制策略的控制系统执行流程如图1所示。PWM整流器即把PWM控制技术引入到整流器的控制中，以使整流器输入电流正弦化，且和输入电压同相位，功率因数近似为1的整流器，这种整流电路也可以称为高功率因数整流器。

图1 控制系统执行流程Fig.1 Execution procedure of control system

1.1 电网不平衡问题分析

输入的三相电压幅值和频率不对称会导致三相电网的不平衡[5]。分别以1个正序旋转和1个负序旋转的矢量与反馈之和，表示在三线制电网不对称情况下的电网电压，如式(1)所示：

(1)

式中：Ua、Ub、Uc分别为电网三相中各个交流电压；ω为三相电力系统角频率，rad/s；Ux+、Ux-分别为正、负序电压分量，V；θo、t分别表示相位初始夹角与时间点。若三相电网电压在理想的平衡情况下，θo、Ux-需满足θo=0、Ux-=0，由此看出，理想的三相交流电源是不存在的。

1.2 三相PWM整流器负序电压不平衡控制策略

(2)

电网电压不平衡时，为抑制PWM整流器直流侧电压2次谐波，必须保证控制整流器有效功率是恒定值，并且满足以下条件，如式(3)所示：

(3)

在PWM整流器单位功率因数运行在控制时，正序电流和电压需要满足下述相位关系，如式(4)所示：

(4)

根据式(3)的第1项和式(4)，负序电流和负序电压相位必须满足以下条件，如式(5)所示：

(5)

电网正负序电压和正负序电流分量必须满足以下条件，如式(6)所示：

(6)

式中：三相PWM整流器相对于电网的等效正序和负序阻抗分别为Zz+、Zz-，Ω。

根据式(3)的第2项、式(5)和式(6)能够得出式(7)：

Zz-=-Zz+

(7)

设Zz+=Zz，Zz为等效电阻，则如式(8)所示：

Zz-=-Zz

(8)

三相PWM整流器三相电流，A，如式(9)所示：

Ix=Ix++Ix-

(9)

通过对式(2)、式(6)和式(9)展开分析后，能够得出式(10)：

(10)

可以将式(10)表示为式(11)：

(11)

对式(11)整理后，可得电网不对称时PWM整流器不平衡单周控制数学模型，如式(12)所示：

(12)

1.3 改进功率平衡控制策略

由于正、负序电流独立控制的三相电压型PWM整流器控制系统，是通过检测交流电流的正负序分量完成电流内环的控制[6]。但是目前的检测方法都会在采样时产生延时的情况发生，该情况会对电流内环的响应速度造成影响，导致整个控制系统的控制性能受到影响。因此，为了避免上述问题的发生，补偿负载扰动对直流侧电压的影响，将负载电流前馈使用在原有控制算法上[7]，改进后的电压外环控制算法，如式(13)所示：

(13)

由式(13)可以看出，采用了负载电流前馈后，电容电压的变化率能够用电压外环控制器的输出表示，并且使电压外环PI调节器的线性工作范围大幅度增加，即使负载发生大范围变化，也不会导致调节器的线性工作特性也受到影响[9-11]。

计算内环控制算法的电流指令公式，如式(14)所示：

(14)

(15)

式中：

(16)

为获取新的电流控制指令，将通过式(15)、(16)获取的对应量、正序电流指令和交流电流的前馈量相加后[14-15]，计算电流内环控制器的输入量公式，如式(17)所示：

(17)

式中：Ij和If分别为交流电流反馈值；θ为j轴和f轴之间的夹角，°，且θ=ωt+θ0。

(18)

式中：AiI、Aif分别为指电流内环控制器的比例调节增益和积分调节增益；Uj、Ug分别为电网电压的前馈量。

2 测试分析

选取某电网公司作为测试分析对象。参数设置为：电网电压幅值为220 V，直流电压给定460 V；交流侧电路电感为2 mH；直流侧电容为3 700 μF；交流侧电阻为0.01 Ω；负载电阻为30 Ω。统计实验对象在电压平衡状态下的直流电压状态、三相交流电流及谐波状态，如图2、表1以及表2所示。

图2 直流电压状态Fig.2 Status of DC voltage

表1 电压平衡状态下三相交流电流状态统计Table 1 Statistics of three-phase AC current state under voltage balance

表2 电压不平衡状态下三相交流电流状态统计Table 2 Statistics of three-phase AC current state under voltage imbalance

2.1 控制策略的可行性和控制效果测试

为了测试实验对象在电网电压不平衡状态下，本文策略的可行性和控制效果，将A相电动势幅值降低21%，C相电动势幅值增加21%，B相电动势幅值保持不变，电网电压不平衡度约为12%。

在电压不平衡的情况下，要实现改进的功率平衡控制策略能够代替平衡控制电网策略，其需要达到比平衡控制策略更好的控制效果。为了测试改进功率平衡控制策略的控制结果，采用基于改进功率环的微电网对等控制策略研究、基于改进动态下垂系数的微电网控制策略研究与本文策略，分别测试在0.02～0.2 s的时间段内，电网直流电压控制策略的可行性。2种对比策略分别是文献[3]和文献[4]策略。采用延时法对电网电压正负序分量进行分离，3种策略控制的对比结果，如图3、表3和表4所示。

图3 3种策略的直流电压控制结果Fig.3 DC voltage control results of three strategies

表3 电压平衡状态下三相交流电流控制结果Table 3 Results of three-phase AC current control under voltage balance

表4 电压不平衡状态下三相交流电流控制结果Table 4 Three phase AC current control results under voltage imbalance

对图3进行分析后可以看出：电网电压不平衡时，从对直流电压控制效果上看，本文策略对直流电压具有很好的控制效果，和电网电压平衡时的统计结果相近，建压过程中仅出现很小的波动。另外2种对比策略在控制的过程中，均呈现出大幅度电压波动，说明本文策略具备较好的静态性能，能够实现对直流电压的有效控制，并且控制结果优于另外2种对比策略。

分析表3和表4可以得出：在电网电压不平衡的情况下2种对比策略在三相交流电流发生浮动后产生畸变，导致电流波动较大，这是由电网电压负序分量导致大量的负序电流分量的形成，对电网造成大量的谐波污染造成的，使得无法形成对直流电压和交流电流的有效控制。

2.2 抗负载扰动性能测试

为了测试本文策略的抗负载扰动能力，在0.02～0.2 s的时间段内，选取在0.06 s时加入30 Ω的负载电阻并与额定负载连接，观察和交流电流的变化情况；在0.12 s时把所有负载全部切除，使电网变为空载运行状态，观察直流电压电网的空载情况并完成统计。其统计结果如图4～5所示。

图5 电网直流电流的状态结果Fig.5 State results of grid DC current

对图4和图5进行分析可看出：在0.6 s加入30 Ω负载时，直流电压波形出现了小幅度下降，但随即很快回到稳态值，稳态波形没有出现波动，具有很好的抗负载扰动能力。电网电压和交流电流依旧处于同相位，功率因数为1。直流电压在空载时依旧稳定，直流电流为0，说明本文策略具有良好的动态特性，以及很好的空载能力。

3 结论

1)本文针对电网不平衡的情况，提出基于改进PWM控制的电网运行安全调制策略。针对输出直流电压的控制，通过功率平衡的最优控制策略，实现对于电网电压的有效控制，该控制策略在避免由复杂的参考坐标系以及相序提取模块带来的相关复杂问题的同时，具备更佳的控制性能和抗负载扰动性能。

2)经测试表明：第一，电网电压不平衡时，从对直流电压控制效果上看，本文策略对直流电压具有很好的控制效果，和电网电压平衡时的统计结果相近，建压过程中仅出现很小的波动。第二，在0.6 s加入30 Ω负载时，直流电压波形为稳态值，稳态波形没有出现波动，具有很好的抗负载扰动能力。电网电压和交流电流依旧处于同相位，功率因数为1。直流电压在空载时依旧稳定，直流电流为0，说明本文策略具有良好的动态特性，以及很好的空载能力。

3)由此可知，该策略具有很好的抗负载扰动能力和较好的控制效果。接下来将针对实际电力系统出现电网电压的其他问题，进一步研究能够实现电网安全的有关策略。