電網(wǎng)電壓驟降時(shí)PWM整流器的控制

付興武，張蒙

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125000）

1 引言

電氣設(shè)備的正常運(yùn)行是由電網(wǎng)電壓的條件決定的。電壓的偏差如電壓幅度下降、頻率的偏差、高次諧波成分等會導(dǎo)致電氣設(shè)備不正常運(yùn)行。平衡和不平衡電壓驟降會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定和電流形狀的嚴(yán)重偏差［1］。干擾的嚴(yán)重程度和設(shè)備的電壓變化會中斷操作或毀壞電氣設(shè)備。在電力系統(tǒng)中，對電壓發(fā)生扭曲時(shí)有嚴(yán)格的要求。歐洲的標(biāo)準(zhǔn)［2］是允許電壓跌落到額定值的10%和有6%的低階次電壓諧波。另外，對可再生能源發(fā)電并網(wǎng)的電能質(zhì)量有嚴(yán)格的要求?？稍偕茉窗l(fā)電通常都是通過電力電子變換器件連接到電網(wǎng)。電壓型PWM整流器在過去幾年得到普及。因其雙向功率流能力、輸出電流為正弦波、直流母線電壓恒定和輸出濾波電容?。?］等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。但是，連接在電網(wǎng)上的電壓型PWM整流器［4］對電網(wǎng)的擾動相當(dāng)?shù)拿舾?。尤其是在電壓出現(xiàn)瞬間跌落時(shí)，交流電流會出現(xiàn)短時(shí)間的過流［5］，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)被迫停機(jī)脫網(wǎng)。此外在電壓不平衡跌落時(shí)，直流電壓會出現(xiàn)振蕩，這樣會影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行。為了提高PWM整流器在電網(wǎng)電壓跌落期間的性能，本文對改進(jìn)的雙矢量電流控制器控制策略［6－7］下的PWM 整流器進(jìn)行了研究分析。此算法是為了消除電壓驟降的影響和高次諧波成分。改進(jìn)的控制算法保證了在電網(wǎng)電壓驟降時(shí)電流的正弦波形。通過利用Matlab仿真并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)雙矢量電流控制器控制策略下的PWM整流器在電網(wǎng)電壓跌落期間具有良好的性能。

2 電力系統(tǒng)電壓驟降

無論輸電和配電系統(tǒng)如何良好，許多不同的因素都可導(dǎo)致電壓驟降。當(dāng)今在電力系統(tǒng)中最嚴(yán)重的問題是關(guān)于高次諧波和電壓驟降。電壓驟降是指在電力系統(tǒng)工頻電壓有效值迅速下降到額定值的10%～90%，持續(xù)時(shí)間為十幾ms到幾s。主要有3種原因?qū)е码妷后E降：1）電力系統(tǒng)中不同點(diǎn)的短路故障；2）大負(fù)載啟動；3）非線性負(fù)載連接到電網(wǎng)。這些情況發(fā)生會導(dǎo)致平衡和非平衡的電壓驟降。有4種典型的電壓跌落類型［1］如圖1所示。

圖1 4種典型的電壓跌落Fig.1 The four different types of voltage dips

分析電壓驟降現(xiàn)象，提出了對稱分量理論，三相系統(tǒng)可以表示為3個(gè)序列：正序列、負(fù)序列和零序列。在三線制系統(tǒng)中零序列現(xiàn)象不會出現(xiàn)，對于平衡系統(tǒng)電壓僅有正序分量，非平衡系統(tǒng)的負(fù)序分量會加重系統(tǒng)的非平衡?；诳臻g矢量［8］的方法被用于系統(tǒng)分析。常規(guī)的控制策略是對電網(wǎng)電壓和網(wǎng)側(cè)電流分別進(jìn)行采樣，并變換到α－β靜止坐標(biāo)系下。簡化了計(jì)算，并提供了系統(tǒng)的簡化模式。

3 電網(wǎng)電壓驟降時(shí)的交－直流轉(zhuǎn)換器控制

負(fù)序成分產(chǎn)生電流干擾并對AC－DC轉(zhuǎn)換器造成大的不平衡。該電網(wǎng)側(cè)的AC－DC變換器在電壓扭曲的條件下能正常工作，依賴于所實(shí)施的控制算法。這種控制算法在平衡和不平衡電壓下降時(shí)，必須面對以下問題：線電流失真、直流母線振蕩、相位角的變化、電壓幅值的變化、電網(wǎng)系統(tǒng)的高次諧波?？刂葡到y(tǒng)的基本假設(shè)是平衡的電網(wǎng)電壓條件下，但是它對負(fù)序列的控制有很大困難。為滿足上述問題，本文提出了基于改進(jìn)的雙矢量電流控制器的電壓定向控制（VOC）算法。在這種算法中，2個(gè)獨(dú)立的電流控制器工作在正序和負(fù)序的同步參照系中（SRF），同時(shí)控制電流序列。把三相電流信號變換到與電網(wǎng)電壓矢量同步的d－q坐標(biāo)系下。在同步參照系下，需要一個(gè)PI控制器［9］。對稱分量理論，是指在穩(wěn)態(tài)下相量的計(jì)算，控制算法在瞬時(shí)值實(shí)施。因此定向電壓控制的改進(jìn)，有必要提取電壓和電流的實(shí)時(shí)序列。在各自的參考坐標(biāo)系下計(jì)算電流控制序列。在靜止α－β坐標(biāo)系下，不平衡電流矢量由2個(gè)部分組成：

轉(zhuǎn)換到同步參照系下的電流分量可以表示為

在正的同步坐標(biāo)參考系下正序列顯示為直流值，負(fù)序列顯示為100Hz的分量。而在負(fù)的同步坐標(biāo)參考系下正序列顯示為一個(gè)100Hz的分量，負(fù)序列顯示為直流值。通過消除這2個(gè)頻率成分2個(gè)電流序列都可以計(jì)算出。用低通濾波器測試此方法發(fā)現(xiàn)會造成不穩(wěn)定的問題。最后，為消除雙頻率成分采用了延遲信號消除（DSC）［10］的方法。DSC是實(shí)時(shí)序列提取方法，是基于時(shí)間延遲同步幀大小的組合。在同步參照系（SRF）中實(shí)際信號延遲增加了。這個(gè)簡單的方法用以消除由直流信號中100Hz的分量，并將其應(yīng)用于正、負(fù)同步坐標(biāo)參考系下的d軸和q軸電流分量。延遲信號消除的算法描述為

為保證正常工作，輸出信號同步，改進(jìn)VOC的算法必須能夠檢測到電網(wǎng)電壓的相位角。在控制算法中，相角值的有關(guān)信息對于信號正確轉(zhuǎn)換是非常重要的。通常，反正切函數(shù)應(yīng)用于電壓空間矢量來獲取相位角的信息。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生擾動，相位角也會產(chǎn)生扭曲，見圖2a，導(dǎo)致控制算法失真，不能正常工作。解決的辦法是改進(jìn)鎖相環(huán)（PLL）算法，工作于d－q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下見圖2c。鎖相環(huán)算法的相角估計(jì)見圖2b。負(fù)序分量產(chǎn)生的擾動減小了，產(chǎn)生的相位角是穩(wěn)定的。

為了加快控制操作和補(bǔ)償影響，可以加入線電壓前饋回路。在實(shí)驗(yàn)部分對不同電網(wǎng)電壓前饋進(jìn)行了檢查，如靜止和同步成分的前饋。由α－β組件前饋得到了最好的控制結(jié)果。其方法是通過控制算法，參考信號傳輸?shù)娇臻g矢量調(diào)制器（SVM），在α－β坐標(biāo)下添加了實(shí)際電壓信號。前饋減輕了不同的諧波分量的影響，取消不必要的信號改善了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。然而在沒有電網(wǎng)電壓傳感器時(shí)不能應(yīng)用。連接各部分的控制算法：DVCC，PLL，DSC序列提取，電壓前饋和改進(jìn)的VOC控制算法如圖3所示。

圖2 改進(jìn)的鎖相環(huán)算法的優(yōu)點(diǎn)Fig.2 Advantage of the improved PLL

圖3 雙矢量電流控制策略Fig.3 Dual vector current control scheme

圖4為利用Matlab／Simulink仿真過程中得到的在電壓驟降時(shí)的電流波形。

圖4 Simulink仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results by simulink

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

改進(jìn)的空間矢量控制算法用基于dSPACE的PWM變換器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?？刂品桨溉鐖D5所示。主要參數(shù)為實(shí)驗(yàn)測試額定值：電流10A，電網(wǎng)電壓230V，直流母線電壓600V，線性濾波電感10mH，開關(guān)頻率10kHz。

圖5 實(shí)驗(yàn)控制框圖Fig.5 Experimental control block diagram

以下所有的測試在單相電壓驟降30%和非正弦電網(wǎng)電壓的情況下進(jìn)行的。在2個(gè)同步參照系下提取的電壓序列如圖6所示。

圖6 單相電壓跌落時(shí)提取的正序和負(fù)序電壓序列Fig.6 Extracted positive and negative voltage sequence when one phase voltage dip

可以看到，不平衡電壓下出現(xiàn)負(fù)序現(xiàn)象。在正的同步坐標(biāo)參考系下參考電流設(shè)置為10A。圖7顯示了改進(jìn)的電壓定向控制算法，在高度扭曲的電壓情況下電流保持了正弦形狀。傳統(tǒng)的電壓定向控制方法在控制電流值時(shí)沒有能力處理出現(xiàn)的負(fù)序和振蕩的現(xiàn)象，而改進(jìn)后的算法可以提供穩(wěn)定的運(yùn)行。此外，引入了電壓前饋能處理更高次的電壓諧波。

圖7 改進(jìn)的VOC算法，在電網(wǎng)電壓跌落情況下電流波形Fig.7 Current shape during voltage dip for improved VOC

5 結(jié)論

通過以上的控制策略及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，基于改進(jìn)的電壓定向控制算法交－直流PWM整流器對電壓驟降和電網(wǎng)電壓諧波失真有良好調(diào)節(jié)作用。線電壓前饋的應(yīng)用大大提高了正序諧波分量補(bǔ)償，鎖相環(huán)（PLL）算法可以得到失真的相位信息。因此，整個(gè)系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓驟降條件下是穩(wěn)定的。該系統(tǒng)的重要特點(diǎn)是：電網(wǎng)電流仍是正弦；電流序列保持不變。采取了正負(fù)序2個(gè)控制器，大大提高了控制器的性能，延遲信號消除（DSC）的算法消除了在不平衡電壓驟降時(shí)100Hz的分量易于用低成本微處理器實(shí)現(xiàn)高效的高次諧波補(bǔ)償。

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