不平衡电网电压下三相OBC并网分析

摘 要：对当前11kw和22kw的三相OBC来说，双向工作能力已经成为主流的需求。V2G（Vehicle-to-Grid）的商业模式日渐成熟。电网电压不平衡和电网电压跌落是电网常见故障，文章介绍了11kw/22kw三相OBC的常见拓扑，基于不平衡分量正负序分解，提出以抑制并网电流负序分量为控制目标的控制策略，通过仿真分析发现采用该控制策略后，并网电流波形质量良好，谐波畸变率远低于并网标准要求，可以实现OBC的安全稳定并网。

关键词：三相OBC 电网电压不平衡 电网跌落 负序电流

0 引言

多数电动汽车一天中大部分时间都处在闲置状态，可以当作是带轮子的电池，可以利用新能源车来进行车网互动，削峰填谷，为新能源车主增加一份收入。但实际的电网系统中，单相负荷的投切、输电线路参数的不平衡、三相负载配电不平衡、非对称电网故障等，都会使得三相电网电压不平衡。孙金鑫等人［1］主要通过空间矢量控制调制技术完成逆变器直接功率控制。系统出现不平衡故障时，除了含有正序电压分量，还有负序电压分量［2］。本文提出一种基于解耦双同步的四闭环并网OBC控制策略。研究正、负序分离变换方法和dq坐标系下耦合项的解耦方法，研究基于Matlab Discrete 1-phase PLL模块锁相和解耦双同步的四闭环并网逆变器控制策略；在Matlab/Simulink中搭建模型分别对并网OBC在电网电压不对称和电网电压跌落情况下基于解耦双同步的四闭环控制算法进行仿真。

1 三相OBC常见架构

主流的OBC采用两级拓扑[3]，如图1所示。第一级为功率因数校正电路（PFC， Power Factor Correction），其功能是将交流电网电压和母线电压相互转化，同时实现对电网电流的功率因数校正，令其跟踪电网电压相位并保持正弦。第二级为隔离型 DC-DC，其连接母线与动力电池，提供电气隔离以及电压增益调节能力。

1.1 PFC电路

双向PFC将三相电转变为PFC直流母线，或者将直流母线转化为三相电进行离网或者并网输出。双相PFC一般选用三相桥式PFC（图2），三相四线制拓扑电压利用率不如三相三线制拓扑，对后级DC-DC的电压调节能力的要求更高。下面仅讨论三相三线制的拓扑。三相六开关电压型PWM变换器是目前使用最广泛、最成熟的三相PFC拓扑之一，其拓扑结构简单，且具备双向工作的能力。

1.2 CLLC电路

OBC第二级DC-DC需要电气隔离以防止电网侧和电池侧之间出现电气连接，从而在一些异常状态下危害到人体或设备的安全。大功率双向隔离型DC-DC一般为CLLC电路，它有两个作用，一个是隔离作用，另一个是根据不同的电池电压，提供不同的直流增益。CLLC电路一般采用频率控制，当充电的时候，CLLC电路用来控制车载电池的充电电压和充电电流。在放电的时候CLLC电路用来稳定PFC母线电压。

2 电网电压不平衡时候的数学模型

2.1 电网电压不平衡时候的电压特性

在三相电压不平衡即三相电压幅值不相等或者相位差不为120°。电网电压不平衡时，若只考虑基波分量，根据对称分量法，电网电压空间矢量为其正序分量，负序分量以及零序分量的矢量和，三相OBC并网的时候一般采用三相三线制，无零序电流回路，因此分析不考虑零序分量。为了分析简单，只对正序和负序的基波分量进行考虑，从而任意三相交流信号，可以认为由以下公式表述：

（1）

使用下述正序变换矩阵可以将abc变换为dq分量：

（2）

化简后，正序电压分量经过正序变换矩阵后为直流分量，负序电压分量经过正序变换矩阵后为两倍频交流分量。经过负序变换矩阵后，正序电压分量为两倍频交流分量，负序电压分量为直流量。经过LPF（低通滤波器）或者NOTCH陷波器去除两倍频交流分量，本论文使用的是NOTCH陷波器去除两倍频交流分量，将正序和负序电压（电流）分离。

2.2 电网电压不平衡时OBC并网逆变器的瞬时功率特性

并网逆变器送入电网的瞬时有功和瞬时无功可以分别表示为[4]

（3）

其中，P0和Q0分别为瞬时有功功率和瞬时无功功率的平均值，Pc2、Ps2、Qc2、Qs2为瞬时功率中振荡分量的幅值。

电网电压不平衡时，并网瞬时有功功率和瞬时无功功率含有二倍频分量，且6个瞬时功率分量的幅值与idn、iqn、idp、iqp这4个正负序电流dq轴的分量存在函数关系。因此，根据不同的有功功率和无功功率的控制要求，可计算得出4个瞬时正负序电流dq轴分量的指令值，进而实现正负序电流的独立控制。

（4）

3 电网电压不平衡时的控制策略

由于一般的并网都对并网电流的畸变率等有所要求，因此本文只对以抑制并网电流负序分量为控制目标的控制策略做详细介绍。

当以抑制并网电流负序分量为控制目标时，需要使

（5）

由式（4）得

（6）

故此时根据并网有功功率和无功功率的平均值可得idp与iqp的指令值

（7）

图4为以抑制并网电流负序分量为控制目标的控制结构框图[5]。

不平衡电网电压下的控制结构在理想电网条件下控制结构的基础上增加了独立的负序控制，进而实现平衡并网电流的控制目标。为实现单位功率因数并网运行，给定无功功率平均值Q0ref=0。有功正序功率的平均值由车载和电网侧指定值共同确定P0ref，同时，令电流负序分量指令值indref与inqref为0，就能消除并网电流中的负序分量。

4 仿真分析

4.1 电网电压不平衡

基于Matlab/Simulink，建立OBC在三相不平衡工况下控制策略模型。参数设置如下：三相电网电压有效值为185V，200V，220V。控制策略为负序电流控制为0，单位功率因数并网。

可以看到当采用正负序双电流环来抑制负序电流，在稳态时具有非常好的控制效果，电网电流正弦性好，三相电流非常平衡，但由于在进行正负序分解的时候采用了滤波器，滤波器的延迟会影响电流环的动态相应。

4.2 电网跌落

不对称故障包括单相接地短路，两相接地短路和相间短路三类。不对称故障情况下，三相电压值会按照不同规律发生改变，但存在一个共同的规律，即电网电压不平衡，电网电压中含有负序分量，同时正序分量幅值会发生跌落。因此不对称故障，除了包含对称故障电压下降的特征之外，还会产生负序分量。本文将对单相（A相）接地故障进行仿真，参数设置如下：三相电网电压有效值为220V，220V，220V，A相0.4秒跌落到22V，0.8s恢复到220V。控制策略为负序电流控制为0，单位功率因数并网。

5 结论

本文首先介绍了三相OBC的常见架构，然后对正负序电压进行了分析并建立了dq坐标系瞬时功率和电压电流的函数关系，提出以抑制并网负序分量为控制目标的控制策略。通过单位功率并网仿真证明采用该策略后，三相OBC在电网电压不平衡和电压跌落工况下，并网波形质量良好，谐波畸变率远低于并网标准要求，可以实现三相OBC的安全稳定并网。证明采用论文中控制策略的三相OBC可以适用于地处偏远的电网，拓宽了新能源车的使用范围。

参考文献：

[1]孙金鑫，卢子广．基于虚拟电机的光伏并网逆变器直接功率控制[J].电力电子技术，2020，54（1）：73-74，78．

[2]陈晓冬．分布式风光互补微网系统双模式逆变器控制研究[D].北京：北方工业大学，2017.

[3]田钦元.单三相兼容双向车载充电机的研究设计[D].杭州：浙江大学，2023.

[4]黄守道，高剑，罗德荣.直驱永磁风力发电机设计及并网控制[M].北京：电子工业出版社，2014：195-200.

[5]高亦凌，郁海彬.电网电压不对称跌落下DFIG控制策略的仿真研究[J].大电机技术，2024，2：14-23，30.