不平衡负荷下PET输出级电能质量优化控制

程静，赵振民,2*，岳雷

(1.新疆大学可再生能源发电与并网控制教育部工程研究中心，乌鲁木齐 830017；2.国网新疆电力有限公司电力科学研究院，乌鲁木齐 830011；3.新疆铁道勘察设计院有限公司，乌鲁木齐 830010)

近年来，在国家“碳达峰、碳中和”时代愿景和“清洁、低碳、安全、高效”的能源发展战略背景下，电力系统向着高占比新能源大规模接入的方向发展[1-2]。伴随电动汽车、光伏建筑一体化及智能家居等电力能源的广泛应用，新型电力系统终端用能结构的电气化水平大大提升，用电负荷更加复杂化、多样化[3-4]。因此，解决高渗透率新能源接入下系统的强不确定性与脆弱性问题，实现灵活的交直流组网与多场景融合应用，进一步改善和提高电能质量，是促进新能源消纳及保障系统安全稳定运行的前提。

电力电子变压器(power electronic transformer，PET)在实现能量传递转换、电气隔离等功能的基础上，借助于先进的控制技术，能够实现灵活的电能质量调节、无功补偿及潮流控制，因而在新型电力系统中备受关注，具有良好的应用前景[5]。文献[6]针对非线性负荷影响输出电压质量的问题，在PET输出级主从控制策略中加入谐波电流补偿环节，有效降低输出电压畸变率。文献[7]提出了将正弦脉宽调制替换为载波移项调制，极大降低输出电压、电流谐波含量。文献[8-10]中均采用两电平输出结构，以主从控制、比例积分(proportional-integral，PI)控制或下垂控制等不同控制策略研究探寻提升电能质量的方法，并取得了一定的效果。文献[11]中设计了三相四桥臂的输出级逆变器拓扑结构，以双重准比例复数积分控制完成不平衡负载的电能传输，但不能有效抑制负序分量。文献[12]基于模块化多电平的PET结构，提出了适用于高压直流、大功率、大容量的功率协调控制方法，以满足配电网功率需求，同时保证PET稳定运行。

上述研究中PET拓扑结构输出级均采用两电平、三相四线输出结构，两电平输出会使得电流含有较大谐波分量，三相四线输出结构不仅需要考虑正、负序电流，还需考虑零序电流的平衡问题；且大多数研究只针对三相平衡负荷或非线性负荷从不同控制策略进行电能质量的改进提升，对新型电力系统负载侧大量涌现的不平衡负荷未考虑。为解决上述问题，基于T型三电平输出级PET拓扑结构，其输出电流谐波小且不需考虑零序电流平衡问题的强大优势，提出一种针对不平衡负荷的计及正/负双序电流的优化控制策略，以正/负序电压控制环设定电流参考值，以期实现电流调节，保障配电网输出级负荷三相电压平衡或直流电压恒定，保证配电网安全稳定运行。

1 PET主电路拓扑结构

PET主电路拓扑结构如图1所示，采用输入级、隔离级和输出级三级结构。输入级由半桥型模块化多电平(modular multilevel converter，MMC)变流器串联组成，以MMC模块数目的增减实现不同电压等级的交流接入。中间隔离级由双向全桥(dual active bridge，DAB)逆变电路组成，以输入串联/输出并联(input series output parallel，ISOP)结构实现电气隔离和功率双向流动，其低压直流母线提供风电、光伏等新能源并网端口。输出级采用T型三电平输出结构，为用户侧负荷提供稳定的工频交流电压。

UdcL为输出级直流侧母线电压；UdcH为隔离级高压直流母线电压；usj、isj分别为输入级接入的交流电压和电流；Lr、Cr分别为隔离级电感和电容；C1、C2为上下两个直流母线分压电容，取相同的容抗值；Uc1、Uc2和ic1、ic2为分压电容两端的电压和流过的电流；iNP为中点电流；以a相为例，LC型滤波电路由滤波电容Cf_a和滤波电感Lf_a组成；Rf_a为滤波电路的等效电阻；uL_a、iL_a为负荷侧输出电压和输出电流

相对于传统两电平逆变器，三电平逆变器每相桥臂多两个绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)功率管，具有谐波特性好、IGBT功率器件选择空间大和功率损耗小等优点，被用作输出级。从电路结构上，能大大削弱谐波分量，降低电能损耗。因此，主要针对输出级设计控制器，并优化控制策略，保障不平衡负载工况下配电网的电能质量满足要求。

2 PET输出级数学模型

2.1 T型三电平逆变器建模

图1为PET主电路拓扑结构图，由基尔霍夫电压定律(Kirchoff ’s voltage law，KVL)得电压方程为

(1)

式(1)中：t为时间。

将式(1)的三相负载电压和电流进行Park变换，得到d-q旋转坐标系下的微分方程为

(2)

式(2)中：uL_d、uL_q为输出级变换器的输出电压d、q轴分量，V；iL_d、iL_q为输出级变换器的输出电流d、q轴分量，A；Lf为d-q旋转坐标系下逆变器至负荷的线路总电感，mH；Rf为d-q旋转坐标系下逆变器至负荷的线路电阻，Ω。

2.2 不平衡负荷对配电网电能质量的影响

当负荷平衡时，负载电压和电流只包含正序分量；而负荷不平衡时，其负载电压和电流中包含正序分量和负序分量[8]。由三相向量对称分量法，当不考虑谐波时，不平衡负载条件下PET的三相输出电压uL_a、uL_b和uL_c可表示为

(3)

式(3)中：Um0、UmP和UmN分别为输出电压零序、正序和负序分量的幅值，V；θ0、θP和θN分别为零序、正序和负序电压初相位，(°)。

将式(3)进行Park变换，转换至d-q旋转坐标，可表示为

目前，甲鱼主要养殖模式为池塘养殖和温室大棚养殖，山塘水库仿野生养殖、鱼鳖混养的模式尚属少见。山塘水库仿野生养殖甲鱼，养殖周期较长（3年以上），但商品鳖的价格比普通人工养殖的甲鱼价格高出2倍以上，养殖综合效益明显。本文主要介绍山塘水库鱼鳖混养，综合利用水体的关键技术。

(4)

式(4)中：uL_d、uL_q、uL_0分别为d-q坐标系下输出电压的正序、负序及零序分量，V；Tabc/dq为坐标变换矩阵。

由式(4)可知，当负荷三相不平衡时，PET负荷侧三相电压出现二倍频分量，且与UmN有关，即负载电压的二倍频分量由负序分量引起。

在负荷不平衡情况下，PET负荷侧瞬时有功功率P和无功功率Q可表示为

(5)

由式(5)可知，不平衡负荷也将产生瞬时功率的二倍频分量，引起输出有功和无功脉动。由d-q轴正/负序分量可表示为

(6)

3 PET输出级控制策略

3.1 传统PI控制策略

目前，大多数PET输出级控制策略都是基于传统的比例积分PI控制，对其进行不同方法的改进，从而实现控制目标。传统PI控制原理框图如图2所示。

图2 传统PI控制原理框图

3.2 计及正/负双序电流的优化控制策略

当负荷三相不平衡时，引起输出电压二倍频分量和功率脉动的重要因素是负序分量，而传统PI控制策略中未考虑负序分量的影响。因此，提出一种考虑正/负双序分量的优化控制策略，其控制结构框图如图3所示。

L为滤波电路的电感

根据图1的电路拓扑结构，T型三电平输出级的电路结构存在中点电位平衡问题，因此在调制电压e*的调节过程中加入中点电位平衡控制，注入电压零序分量，实现两个分压电容的电压平衡，解决中点电位平衡问题[14-15]。具体调节方法，可表示为

(7)

式(7)中：u0为电压零序分量，V；C为两个分压电容C1、C2的容抗值，mF，C=C1=C2；UC1、UC2分别为C1、C2两端电压，V；inpav为中点n处的电流，A；inp0为采取平衡控制措施后的中点电流，A；fs为载波频率，kHz。

4 仿真验证及分析

为验证所提控制策略在不平衡负荷下对配电网输出电能质量的改善效果及有效性，参照图1的电路结构，在MATLAB/Simulink软件平台搭建PET电路仿真模型，进行仿真分析与验证。三相不平衡负荷取值分别为10、15、20 Ω。输入级电压us有效值为10 kV，高压直流母线电压UdcH为20 kV，低压直流母线电压UdcL为750 V，载波频率fs为20 kHz，有功功率P2设定10 kW。其他线路元件参数设置如表1所示。

表1 线路元件参数设置

4.1 传统PI控制策略

在三相不平衡负荷情况下，采用传统PI控制策略，分析观察0.2～0.6 s时段系统稳定运行后，PET负荷侧电能质量各项指标仿真曲线如图4～图8所示。

由图4可以看出，PET输出电流和电压不平衡，相电压峰值约为10 V波动，电压不平衡度Ud达1.85%，不满足《电能质量三相电压不平衡》(GB/T 15543—2008)国家标准中要求的1.3%以下[16]。图5中，隔离级低压侧直流母线电压峰值达751.1 V，低压直流电压发生二倍频振荡。由图6可以看出，输出有功和无功脉动较大。由图7可知，两分压电容两端的电压差值较大，中点平衡问题未解决。由图8可知，输出电压的50 Hz基波幅值为316.2，总谐波畸变率THD为0.68%；输出电流的50 Hz基波幅值为24.96，总谐波畸变率THD为0.66%，抑制谐波能力有待进一步提高。

iL为负载电流；uL为负载电压；uccL为负载相电压幅值；Ud为负载电压不平衡度

图5 低压侧直流母线电压

图6 输出有功功率及无功功率

Uc1、Uc2为两分压电容两端电压

4.2 计及正/负双序电流的优化控制策略

在三相不平衡负荷情况下，采用计及正/负双序电流的优化控制策略，并加入中点平衡控制技术，分析观察0.2～0.6 s时段系统稳定运行后，PET负荷侧电能质量各项指标曲线如图9～图13所示。

图9 优化后负载电流和电压指标仿真曲线

图10 中间隔离级直流母线电压

图11 优化后输出有功功率及无功功率

图12 两分压电容两端电压

图13 负载电压和电流谐波含量

由图9可以看出，PET输出电流不平衡，但负载电压能够保持平衡，相电压基本稳定于311 V，电压不平衡度为0.22%，满足《电能质量三相电压不平衡》(GB/T 15543—2008)国家标准规定中的要求。图10中，隔离级低压侧直流母线电压峰值达750.5 V，有效抑制低压直流电压振荡；高压侧直流电压近似20 kV，中间隔离级电气隔离效果好。由图11可以看出，负荷侧有功和无功脉动有很大降低。由图12可知，两分压电容两端的电压近乎完全相等，中点平衡问题得以很好的解决。由图13可知，输出电压的50 Hz基波幅值为310.9，总谐波畸变率THD为0.21%；输出电流的50 Hz基波幅值为25.2，总谐波畸变率THD为0.48%，抑制谐波能力很强。

5 结论

针对高占比新能源并网及负荷进一步复杂多元化的新型电力系统输出电能质量下降问题，提出一种基于T型三电平输出级的PET正/负双序电流优化控制策略，能够有效改善输出电能质量。经仿真分析与验证，得出以下结论。

(1)在PET电路中，以T型三电平替代两电平型输出级，有效降低其输出电压谐波含量和功率损耗。

(2)所提计及正/负双序分量的优化控制策略，在负荷三相不平衡时，能够很好的保证三相电压平衡稳定运行，大大降低因电压二倍频分量引起的有功和无功功率脉动，提升了电能质量。

(3)以注入零序分量的方式，结合优化控制策略，实现了T型三电平输出级分压电容电压相等，很好地解决了中点电位平衡问题，并助力降低负荷侧电压和电流的低次谐波。