电网不平衡和SVPWM环境下直流侧谐波抑制的研究

第２７卷第２期　Ｖｏ１．２７，Ｎｏ．２　西华大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ・Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　２００８年３月　Ｍａｒ．２ｏｏ８　文章编号：１６７３—１５９，Ｘ（２００８）０２－００５５—５７　电网不平衡和ＳＶＰＷＭ环境下直流侧谐波抑制的研究　毛韶华，胡青龙，吴　笛　（西昌学院，四川西昌６１５０００）　摘要：结合不平衡电网特征优化控制指令，选择设计了两种不同的控制系统，通过仿真实验证明：采用正序、　负序两套同步旋转坐标系的独立控制方案较好抑制了ＳＶＰＷＭ直流电压谐波，减少了能量损耗，实现无静差控制，　能够比较好地减少电网不平衡带来的谐波“污染”，提高了控制系统的跟踪性能和抗干扰性能。　关键词：不平衡电网；谐波；控制指令；仿真　中图分类号：ＴＭ７　．　文献标识码：Ａ　ＳＶＰＷＭ控制主要是通过电流来实现其控制　负序电流和直流侧电压谐波的角度去改善不平衡电　网的控制。　的，这种控制主要有两大类：（１）通过三相ＶＳＲ电流　环运算获得空间指令电压矢量，然后通过ＶＳＲ空间　电压矢量的合成，使实际空问电压矢量逼近指令电　压矢量，从而达到电流控制的目的；（２）将滞环控制　与ＳＶＰＷＭ控制相结合，通过ＶＳＲ空间电压矢量的　实时切换，使电流误差被限制在一个给定滞环内，从　而获得电流的高品质控制。第一类ＳＶＰＷＭ电流控　制方案，由于指令电压矢量受ＶＳＲ系统及控制滞后　扰动的影响，对于动态响应和正弦波跟踪控制不是　１　控制系统设计　１．１控制指令优化　电流的控制指令分析是一个复杂而又系统的分　析平台。但对于不平衡电网而言，首先应该考虑不　稳定因素和如何表达（确定闭环控制的结构模型是　相加性还是相乘性）不稳定因素这两个主要问题。　为分析的简化和控制指令的推导，下面仅选择了三　相ＶＳＲ的基波分量来分析。在复平面两相垂直静　很理想。第二类ＳＶＰＷＭ电流控制方案，因其快速　的电流响应和较好的系统鲁棒性（鲁棒控制设计就　是在控制系统设计的时候，在建立控制对象中可能　止坐标系（　，　）中，三相ＶＳＲ电网电动势复矢量Ｅ胡　为：　，）　２　２　变化因素的数学模型时充分考虑因素的不确定性，　保证控制对象在一定范围内变化时都能有较好的控　制效果。），于是具有较好的动态响应和正弦波跟踪　％＝÷［ｅ０＋ｅｂ　＋ｅｃｅ一　】　（１）　当三相电网不平衡时，电网电动势存在正序、负　序分量。很明显，公式（１）可以改写成为同步旋转　坐标系（ｄ，ｑ）中的复矢量，假设∞表示电网电动势　特性。如果这两个方案结合使用，就可以同时实现　降低开关频率、提高系统运行效率和取得快速电流　响应。　的角频率，Ｅ幽　、Ｅ面　分别表示坐标系（　，ｑ）中正、负　序电动势复矢量。式（１）就可以表示为：　Ｅ。　＝　“Ｅ由　＋ｅ一　“Ｅ由　（２）　当电网不平衡时，如果只采取平衡条件下的三　相ＶＳＲ控制策略，将导致其交流侧产生负序电流，　并在直流侧产生特征及非特征谐波电压和电流，从　而影响三相的正常运行，适当增大三相ＶＳＲ交流侧　从式（２）还可以看出：电网电动势的正序复矢　量　Ｅ出　是一个模为ｌＥ幽　ｌ且按逆时针方向以角　电感和直流侧电容的值，可以降低谐波的幅值，但是　又会由于电感、电容太大，影响ＶＳＲ的运行性能，比　如损耗增大、动态响应变慢等。所以，不平衡电网的　频率∞旋转的空间矢量；而电网电动势的负序复矢　量ｅ　“Ｅ面　是一个模为ｌＥ幽　ｌ且按顺时针方向以角　频率∞旋转的空问矢量。所以，结合三相ＶＳＲ拓扑　结构，可以建立坐标系（　，　）中复矢量的模型方程：　控制应该从控制的电流指令、抑制三相ＶＳＲ交流侧　收稿日期：２００７－０７—１１　作者简介：毛韶华（１９７４一），男，四川省渠县人，讲师，硕士，主要从事电力系统及其自动化方面的教学和研究工作。　维普资讯 http://www.cqvip.com

５６　西华大学学报・自然科学版　２００８往　＋　＋尺　ＶＳＲ功率管电流负载分配平衡角度分析，应该使三　］　（３）　：　＝＋　＋　相ＶＳＲ网侧电流基本对称，但这样又使其直流电压　含有２次谐波。所以，当对三相ＶＳＲ直流电压控制　要求较高时，还要在三相ＶＳＲ直流侧加入Ｌｃ滤波　支路，以抑制直流侧２次谐波电压。为此，根据考虑　电网平衡和非平衡两种状况选择设计了两套理论技　［ｉ。＋　６　＋ｉ　ｅ－ｊ２￣ｒ／３］　式中，　、　分别表示坐标系（Ｏｔ，／３）中三相　ＶＳＲ交流侧的电压、电流复矢量。当电网不平衡　时，　、　均含有正序、负序分量，所以又可以在同　步旋转坐标系（ｄ，ｑ）中表示为：　术可行的控制系统原理框图，如图１、２所示。其主　要区别是是否采用正、负序电流内环独立控制。　＼ｖ邮　ｖ　ｄｑＰ　ｅ　ｖ如　４、　＼Ｉ　＝　Ｉ　ｄｑＰ＋ｅ　ｌ　ｄｑＮ　一　式中，Ｐ、Ｎ分量分别表示坐标系（ｄ，ｑ）中三相　ＶＳＲ交流侧的电压和电流的正序、负序复矢量。　解公式（１）到（４）得三相ＶＳＲ在坐标系（ｄ，ｑ）　中正序、负序复矢量模型方程：　Ｐ＝　＋ＲＩ］　＋如　＋　？　，　（５）　【％Ｎ＝　ｄｉｄ，ｔ＋ＲＩＮｄｑ＋ｊｔｏＬＩＮ￣＋吆　当三相电网不平衡时，三ＶＳＲ网侧有功功率Ｐ　（ｔ）、无功功率ｑ（ｔ），均含有２次谐波分量。从分析　简化的角度出发，只考虑基波和２次谐波，有功功　率、无功功率的傅立叶表达式为：　ｆｐ（ｔ）＝ｐｏ＋ｐ　ＣＯＳ（２ｔｏｔ）＋Ｐ　ｓｉｎ（２ｔｏｔ）　…　Ｉｑ（ｔ）＝ｑｏ＋ｑｃ２ＣＯＳ（２ｔｏｔ）＋口　２ｓｉｎ（２ｔｏｔ）　考虑的条件有：ｓ＝ｐ＋　＝（　＋ｅ　Ｎ）　（　＋ｅ　“　），那么就可以通过电路的换路定　则及傅立叶级数求解原则，可以求出公式（７）。　Ｐｏ＝１．５（ｅｄｐ　．ｐｄ＋ｅ　＋ｅｄＮ　．Ｎｄ＋ｅｑＮ　．Ｎｑ）　Ｐｃ２＝１．５（ｅｄｐ　．ｐｄ＋ｅｑｐ　．　ｐ＋ｅｄＮ　．Ｎｄ＋ｅｑＮ　．Ｎｑ）　Ｐ　＝１．５（ｅ　一ｅ　一ｅ　Ｎ　．　Ｎ＋ｅ　Ｎ　．　Ｎ）　…　ｑｏ＝１．５（ｅｄｐ　．ｐｄ—ｅｇｐ　．ｐｑ＋ｅｄＮ　．Ｎｄ—ｅｑＮ　．　Ｎ）　ｑ以＝１．５（ｅｄｐ　．ｐｄ—ｅ　＋ｅｄＮ　．Ｎｄ—ｅｑＮ　．Ｎｑ）　ｑ　２＝１．５（ｅｄＰ　．Ｐ＋ｅ　一ｅｄＮ　．Ｎｄ—ｅ　Ｎ　．ｑＮ）　１．２控制系统原理框图设计　根据前面的优化分析知道，为抑制电网不平衡　时对三相ＶＳＲ控制的影响，就必须要根据三相ＶＳＲ　对有功率、无功功率的不同控制要求来确定三相　ＶＳＲ交流电流控制指令。　・但必须注意：这种ｊ相ＶＳＲ不平衡控制方案实　际上是在三相ＶＳＲ网侧电流中加入适当负序电流　来满足直流电压的控制要求的。可负序电流的加　入，又使ＶＳＲ三相网侧电流不对称，因此，从三相　图１　考虑电网平衡的控制系统　图２考虑电网非平衡的控制系统　２　不平衡电网仿真参数模拟及仿真波　形　从分析问题简化考虑，仿真实验通过改变仿真　模块中交流电源模块的电压初相角、幅值或频率来　得到不平衡电网的。测量值为：Ａ、Ｂ、ｃ相初相角依　次为０。、１２５。、２３０。；电压幅值为５０Ｖ、４５Ｖ、５５Ｖ；频　率相等。　根据项目前阶段分析的电路电感与电容的取值　原则，我们主要考虑控制系统抗扰动性能和跟踪性　能，不涉及具体电容、电感的精确计算。所以，选择　仿真参数如下：　＝５０Ｈｚ，ｚ　＝０．５ｍＨ，Ｃ＝１．０ｍＦ，Ｒ　＝１０ｔ），电流内环ＰＩ参数　ｒ　＝０．３５ｍｓ，　＝２，电流　外环ＰＩ参数　ｒ　＝４．５ｍｓ，Ｋ　＝９。　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２期　毛韶华等：电网不平衡和ＳＶＰＷＭ环境下直流侧谐波抑制的研究　５７　对通过各主要节点的电压电流进行仿真，得到　图３—８所示特征波形。　图３输入交流电压波形　Ｖａｆ　１　６０００　Ｖａ　４０．ＯＯ　２０．００　　；０．００　—２０００　ｌ　—４０．００　：　ｌ＼　＼、　—　—６０００　０．００　５．００　１０．００　ｌ５　００　２０．００　图４考虑平衡控制下的电压电流波形关系　…　＼　：　　ｉ／　＼　／　＼　　；０．００　５　００　ｌ０　ｏｏ　ｌ５．（３０　２０．ｏｏ　２５．００　３０．００　１１ｍｅＩｍｓ　Ｊ　图５考虑非平衡控制时电压电流关系　ｌ　ｉ　：Ｉ　．．．…・…－－ｊ　…　…・・｝…　・…　…・・…　＿　”””　二【………．　芒　。ｏ。。∞。・　。。＿　ｍ黯。。　。　。　图６考虑平衡控制下直流电流波形（波形放大）　厂　／　ｆ　图７考虑非平衡控制时直流电流波形　…　／　图８考虑非半衡控制时直流电压波形（波形放大）　３　结论　通过比较电压电流波形关系可知：　（１）采用考虑不平衡控制系统，不仅电流的幅　值比值大，而且电压与电流之间的相角差也常规控　制下的相角差小，说明考虑不平衡控制系统跟踪性　能较强，能量消耗少。　（２）电流的幅值值大，而且电流纹波系数小，更　接近直流。说明电流２次谐波消除得彻底一些，更　好地控制了谐波污染和能量消耗少。　（３）电压的幅值值大，而且纹波系数小，更接近　直流电压，说明考虑不平衡控制系统抗扰动性能好，　能量消耗要少。　仿真实验结果证明了数学模型优化、控制系统　设计、仿真模型建立和参数的选择是合理的，实现了　通过优化控制系统来抑制ＳＶＰＷＭ直流侧电压、减　少能量损耗和谐波污染。本设计系统的合理性和可　行性，为解决电网不平衡与ＳＶＰＷＭ环境下直流侧　谐波抑制问题提供了理论与现实技术基础。　参考文献　［１］毛韶华．影响不平衡电网条件下ＰＷＭ整流器控制的因素　分析［Ｊ］．四川电力技术，２００６，２９（６）：３７－３９．　［２］肖建．现代控制系统综合与设计［Ｍ］．北京：中国铁道　出版社，２０００．　［３］沈本荫．现代交流传动及其控制系统［Ｍ］．北京：中国铁　道出版社，１９９７．　［４］张崇巍，张兴．ＰＷＭ整流器及其控制［Ｍ］．北京：机械工　业出版社，２００３．　［５］Ｐｅｄｒｏ　Ｖｅｒｄｅｌｈｅ　Ｇ．Ｄ　Ｍａｒｑｕｅｓ：ＤＣ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｃｏｎｔｏｒｌｅ　ａｎｄ　Ｓｔａｂｉｌｉ－　ｔｙ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ＰＷＭ—Ｖｏｌｔａｇｅ－Ｔｙｐｅ　Ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ　Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ｏｎ　ＩＥ　１９９８，１９９８，４５（２）：２６３－２７３．　［６］Ｍａｒｉａｎ　Ｐ．Ｋａｚｍｌｅｒｋｏｗｓｋｉ，Ｌｕｉｇｉ　Ｍａｌｅｓａｎｉ．Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ａ　Ｔｈｒｅｅ—Ｐｈａｓｅ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｓｏｕｒｃｅ　ＰＷＭ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ：Ａ　Ｓｕｒｒｅｙ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　Ｉｎｄ．Ｅｌｅｃｔｏｒｎｉｃｓ，１９９８，４５（５）：６９１－７０３．　［７］Ｓ．Ｓａｅｔｉｅｏ，Ｄ．Ａ．Ｔｏｒｒｅｙ，Ｆｕｚｚｙ　Ｌｏｇｉｃ　Ｃｏｎｔｍｌ　ｏｆ　ａ　Ｓｐａｃｅ－Ｖｅｃｔｏｒ　ＰＷＭ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ　ｆｏｒ　Ｔｈｒｅｅ　Ｐｈａｓｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ｏｎ　ＰＥ．１９９８，１３（３）：４１９４２５．　［８］Ｋ．Ｍ．Ｒａｈｍａｎ　ｅｔ　ａ１．Ｖａｒｉａｂｌｅ—Ｂａｎｄ　Ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ一　［ｅｒｓ　ｆｏｒ　ＰＷＭ　Ｖｏｋａｇｅ—Ｓｏｕｒｃｅ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ　ＩＥＥＥ［Ｉ］．Ｔｒａｎｓ．Ｐｏｗｅｒ　Ｅ［ｅｔｏｒｎｌｃ，　１９９７，１２（６）：９６７－９７０．　（编校：夏书林）