不平衡电网条件下的电网前馈量优化方法

周 成

（安徽国际商务职业学院信息工程学院，安徽合肥231131）

当前，在低压配电网中单项、三项、非线性等负载以及各种并网分布式能源繁多，这使得三相不平衡问题普遍存在。在这种工况下，电网环境恶化，而且会使挂网设备的运行环境恶化[1]。风电变流器作为一种风力发电新能源设备，其主要构成是由网侧和机侧变流器构成的一种背靠背三相桥的拓扑结构。其中，电网侧变流转换器工作在整流器状态，以控制背对背拓扑结构的公共直流侧电压的稳定性，机器侧变流转换器运行来控制转子电流状态以完成控制发电的功率。由于在电网不平衡工况下，电网电压存在一定的扰动量，另外背靠背拓扑结构的共直流侧电压也存在一定的扰动量。在实际工程应用中，通常采用引入电网电压前馈的方法来减少对并网电流跟踪性能的不利影响[2]。但是，如果对扰动量不加以抑制，直接将这些扰动量引入到变流器控制系统的前馈项中，会使得变流器的电流无法得到有效控制，从而影响变流器的实际控制效果。为了在不平衡电网工况下，变流器也能得到较好的控制效果，必需对引入的电压前馈量进行优化。要实现该优化策略需要对直流侧以及电网侧的电流和电压进行采样。在这些采样中，通常并网采样回路的滤波很小，而且直流电压为一个直流量，因此在算法控制中通常可以忽略采样滤波对并网电流和直流电压造成的时间延迟影响。但是，电网电压的采样滤波通常较大，采样滤波对电网电压所造成的时间延迟是不能忽略的。因此，要对电网电压采样前馈量进行优化，即对这个电压采样进行相位补偿来消除这种延迟的影响。

1 电网平衡下的电网前馈策略

在电网平衡的情况下，图1所示的是正序电网矢量采样，图1中有两个两相坐标系，分别为同步旋转坐标系（d/q）和静止坐标系（D/Q）。图1中，U1是相位角为θ的电网矢量采样值，U是与U1对应的真实电网矢量，电网矢量采样值U1滞后真实电网矢量U的角度为θ1。电网前馈量计算如下[3]：

最终的前馈量为转换到两相静止D/Q坐标系下的值，记为UQf、UDf。

上述前馈计算方案适用于只需对正序分量进行角度补偿的两种情况：一种是对称电网情况下，电网电压只有正序分量的情况，另一种是虽然存在负序电压分量，但是采样不存在延时，即θ1=0的情况。这两种情况下，采用上述前馈量计算方法能很好地反映真实电网。除此之外，当电网为不平衡电网时，或者采样存在延时，即θ1≠0存在相位差时，上述电网前馈量的计算存在较大误差无法反映真实电网情况。在风电变流器进行低电压穿越时，如果采用上述电网前馈计算方案，变流器在LVRT过程中所存在的大量负序分量将造成交流输出量与电网电压存在较大误差[3]，从而无法实现并网电流的有效控制。

2 电网不平衡下的电网前馈策略

在实际应用中，在不平衡电网状态时电网不仅存在负序分量，而且有采样的延迟存在。电网的正、负序的分量采样如图2中d/q坐标系中所示。在图2中，电网的实际正、负序的分量值为U+和U-，采样而得到的正、负序的分量值为U1+和U1-。如图2所示，U1+和U1-分别是滞后了U+和U-的角度为θ1。

图1 正序电网矢量采样

图2 正负序电网矢量采样

在d/q坐标系下，电网电压的正、负序的分量值为

但是由于电网Ua、Ub、Uc为不平衡的电网，使得（2）式中计算的正、负序的分量间存在较强的耦合，因此必须对其进行交叉解耦，从而获得正、负序的分量间的完全解耦，交叉解耦算式[5-7]为

使逆变器的前馈交流输出与不平衡电网保持一致，需要将电网负序分量和电网正序分量均引入到前馈项中。将负序分量叠加到正序分量中并计算获得不平衡电网的前馈量：

3 两种电网前馈策略对比分析

为便于对两种电网前馈策略进行对比分析，将上述电网平衡情况下的电网前馈策略定义为电网前馈方案1，而将电网不平衡情况下的电网前馈策略定义为电网前馈方案2。图3至图6所示为使用两个电网前馈方案时，电网电压和逆变器输出的前馈电压的对比波形。图3为使用电网前馈方案1、电网只含正序分量并且存在采样延时的仿真波形。图4为使用电网前馈方案1，电网含有负序分量并且不存在采样延时的仿真波形。图5为使用电网前馈方案1、电网含有负序分量并且存在采样延时的仿真波形。图6为使用电网前馈方案2、电网含有负序分量并且存在采样延时的仿真波形。

由图3可知，在电网平衡条件下，若电网只含正序分量且存在采样延时时，采用电网前馈方案1。由于不存在负序分量，所以无需对负序分量进行相位补偿，此种情况下的逆变器输出的前馈电压与电网电压基本吻合。

图3 电网含正序分量并有采样延迟下采用方案1

图4 电网含负序分量且无采样延迟下采用方案1

由图4波形可知，在电网平衡条件下，若电网含有负序分量且无采样延时时，采用电网前馈方案1。由于不存在采样延时，所以采样电压没有引入扰动量到前馈项中，此种情况下的逆变器输出的前馈电压与电网电压也能够基本吻合。

由图5波形可知，在不平衡电网下，若电网含有负序分量且存在采样延时时，采用电网前馈方案1。此种情况下的逆变器输出的前馈电压与电网必然存在较大的偏差，不利于变流器的稳定控制。

由图6可知，在电网不平衡条件下，若电网含有负序分量且存在采样延时时，采用电网前馈方案2。由于对采样延时和负序分量均进行了相应处理，此种情况下的逆变器输出的前馈电压与电网电压也能够完全吻合。

图5 电网含负序分量且有采样延迟下采用方案1

图6 电网含负序分量且有采样延迟下采用方案2

从图3至图6的仿真波形可知，本文理论分析是正确的。由于变流器中的电网采样电路均存在较大的采样延时，因此，在不平衡电网下，使用电网前馈方案2进行前馈量计算可使逆变器输出前馈电压可以与电网电压完全一致，以利于对并网电流进行良好的控制。

4 结 论

由于目前风机变流器均需要具备LVRT功能，在不平衡电网下，变流器必须要具备良好的控制能力，前馈项的引入，除了可以抑制电网扰动外，还可以增强电流调节器的控制裕度，有利于对并网电流的良好控制。电网前馈方案2的关键部分是对负序分量补偿角度的处理方式。负序分量和正序分量的滞后方向是不一样的。因此，必须将负序和正序分解开，然后单独进行相位补偿，补偿后再进行合并，形成最终的前馈目标矢量，最后变换成两相静止坐标系下的前馈量，用于SVPWM发生。方案2适用于大部分并网变流器的前馈计算。