摘 要：對(duì)當(dāng)前11kw和22kw的三相OBC來說，雙向工作能力已經(jīng)成為主流的需求。V2G（Vehicle-to-Grid）的商業(yè)模式日漸成熟。電網(wǎng)電壓不平衡和電網(wǎng)電壓跌落是電網(wǎng)常見故障，文章介紹了11kw/22kw三相OBC的常見拓?fù)?，基于不平衡分量正?fù)序分解，提出以抑制并網(wǎng)電流負(fù)序分量為控制目標(biāo)的控制策略，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)采用該控制策略后，并網(wǎng)電流波形質(zhì)量良好，諧波畸變率遠(yuǎn)低于并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求，可以實(shí)現(xiàn)OBC的安全穩(wěn)定并網(wǎng)。

關(guān)鍵詞：三相OBC 電網(wǎng)電壓不平衡 電網(wǎng)跌落 負(fù)序電流

0 引言

多數(shù)電動(dòng)汽車一天中大部分時(shí)間都處在閑置狀態(tài)，可以當(dāng)作是帶輪子的電池，可以利用新能源車來進(jìn)行車網(wǎng)互動(dòng)，削峰填谷，為新能源車主增加一份收入。但實(shí)際的電網(wǎng)系統(tǒng)中，單相負(fù)荷的投切、輸電線路參數(shù)的不平衡、三相負(fù)載配電不平衡、非對(duì)稱電網(wǎng)故障等，都會(huì)使得三相電網(wǎng)電壓不平衡。孫金鑫等人［1］主要通過空間矢量控制調(diào)制技術(shù)完成逆變器直接功率控制。系統(tǒng)出現(xiàn)不平衡故障時(shí)，除了含有正序電壓分量，還有負(fù)序電壓分量［2］。本文提出一種基于解耦雙同步的四閉環(huán)并網(wǎng)OBC控制策略。研究正、負(fù)序分離變換方法和dq坐標(biāo)系下耦合項(xiàng)的解耦方法，研究基于Matlab Discrete 1-phase PLL模塊鎖相和解耦雙同步的四閉環(huán)并網(wǎng)逆變器控制策略；在Matlab/Simulink中搭建模型分別對(duì)并網(wǎng)OBC在電網(wǎng)電壓不對(duì)稱和電網(wǎng)電壓跌落情況下基于解耦雙同步的四閉環(huán)控制算法進(jìn)行仿真。

1 三相OBC常見架構(gòu)

主流的OBC采用兩級(jí)拓?fù)鋄3]，如圖1所示。第一級(jí)為功率因數(shù)校正電路（PFC， Power Factor Correction），其功能是將交流電網(wǎng)電壓和母線電壓相互轉(zhuǎn)化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電流的功率因數(shù)校正，令其跟蹤電網(wǎng)電壓相位并保持正弦。第二級(jí)為隔離型 DC-DC，其連接母線與動(dòng)力電池，提供電氣隔離以及電壓增益調(diào)節(jié)能力。

1.1 PFC電路

雙向PFC將三相電轉(zhuǎn)變?yōu)镻FC直流母線，或者將直流母線轉(zhuǎn)化為三相電進(jìn)行離網(wǎng)或者并網(wǎng)輸出。雙相PFC一般選用三相橋式PFC（圖2），三相四線制拓?fù)潆妷豪寐什蝗缛嗳€制拓?fù)?，?duì)后級(jí)DC-DC的電壓調(diào)節(jié)能力的要求更高。下面僅討論三相三線制的拓?fù)洹Ｈ嗔_關(guān)電壓型PWM變換器是目前使用最廣泛、最成熟的三相PFC拓?fù)渲唬渫負(fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，且具備雙向工作的能力。

1.2 CLLC電路

OBC第二級(jí)DC-DC需要電氣隔離以防止電網(wǎng)側(cè)和電池側(cè)之間出現(xiàn)電氣連接，從而在一些異常狀態(tài)下危害到人體或設(shè)備的安全。大功率雙向隔離型DC-DC一般為CLLC電路，它有兩個(gè)作用，一個(gè)是隔離作用，另一個(gè)是根據(jù)不同的電池電壓，提供不同的直流增益。CLLC電路一般采用頻率控制，當(dāng)充電的時(shí)候，CLLC電路用來控制車載電池的充電電壓和充電電流。在放電的時(shí)候CLLC電路用來穩(wěn)定PFC母線電壓。

2 電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)候的數(shù)學(xué)模型

2.1 電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)候的電壓特性

在三相電壓不平衡即三相電壓幅值不相等或者相位差不為120°。電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，若只考慮基波分量，根據(jù)對(duì)稱分量法，電網(wǎng)電壓空間矢量為其正序分量，負(fù)序分量以及零序分量的矢量和，三相OBC并網(wǎng)的時(shí)候一般采用三相三線制，無零序電流回路，因此分析不考慮零序分量。為了分析簡單，只對(duì)正序和負(fù)序的基波分量進(jìn)行考慮，從而任意三相交流信號(hào)，可以認(rèn)為由以下公式表述：

（1）

使用下述正序變換矩陣可以將abc變換為dq分量：

（2）

化簡后，正序電壓分量經(jīng)過正序變換矩陣后為直流分量，負(fù)序電壓分量經(jīng)過正序變換矩陣后為兩倍頻交流分量。經(jīng)過負(fù)序變換矩陣后，正序電壓分量為兩倍頻交流分量，負(fù)序電壓分量為直流量。經(jīng)過LPF（低通濾波器）或者NOTCH陷波器去除兩倍頻交流分量，本論文使用的是NOTCH陷波器去除兩倍頻交流分量，將正序和負(fù)序電壓（電流）分離。

2.2 電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)OBC并網(wǎng)逆變器的瞬時(shí)功率特性

并網(wǎng)逆變器送入電網(wǎng)的瞬時(shí)有功和瞬時(shí)無功可以分別表示為[4]

（3）

其中，P0和Q0分別為瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無功功率的平均值，Pc2、Ps2、Qc2、Qs2為瞬時(shí)功率中振蕩分量的幅值。

電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，并網(wǎng)瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無功功率含有二倍頻分量，且6個(gè)瞬時(shí)功率分量的幅值與idn、iqn、idp、iqp這4個(gè)正負(fù)序電流dq軸的分量存在函數(shù)關(guān)系。因此，根據(jù)不同的有功功率和無功功率的控制要求，可計(jì)算得出4個(gè)瞬時(shí)正負(fù)序電流dq軸分量的指令值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)正負(fù)序電流的獨(dú)立控制。

（4）

3 電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)的控制策略

由于一般的并網(wǎng)都對(duì)并網(wǎng)電流的畸變率等有所要求，因此本文只對(duì)以抑制并網(wǎng)電流負(fù)序分量為控制目標(biāo)的控制策略做詳細(xì)介紹。

當(dāng)以抑制并網(wǎng)電流負(fù)序分量為控制目標(biāo)時(shí)，需要使

（5）

由式（4）得

（6）

故此時(shí)根據(jù)并網(wǎng)有功功率和無功功率的平均值可得idp與iqp的指令值

（7）

圖4為以抑制并網(wǎng)電流負(fù)序分量為控制目標(biāo)的控制結(jié)構(gòu)框圖[5]。

不平衡電網(wǎng)電壓下的控制結(jié)構(gòu)在理想電網(wǎng)條件下控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了獨(dú)立的負(fù)序控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)平衡并網(wǎng)電流的控制目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)運(yùn)行，給定無功功率平均值Q0ref=0。有功正序功率的平均值由車載和電網(wǎng)側(cè)指定值共同確定P0ref，同時(shí)，令電流負(fù)序分量指令值indref與inqref為0，就能消除并網(wǎng)電流中的負(fù)序分量。

4 仿真分析

4.1 電網(wǎng)電壓不平衡

基于Matlab/Simulink，建立OBC在三相不平衡工況下控制策略模型。參數(shù)設(shè)置如下：三相電網(wǎng)電壓有效值為185V，200V，220V?？刂撇呗詾樨?fù)序電流控制為0，單位功率因數(shù)并網(wǎng)。

可以看到當(dāng)采用正負(fù)序雙電流環(huán)來抑制負(fù)序電流，在穩(wěn)態(tài)時(shí)具有非常好的控制效果，電網(wǎng)電流正弦性好，三相電流非常平衡，但由于在進(jìn)行正負(fù)序分解的時(shí)候采用了濾波器，濾波器的延遲會(huì)影響電流環(huán)的動(dòng)態(tài)相應(yīng)。

4.2 電網(wǎng)跌落

不對(duì)稱故障包括單相接地短路，兩相接地短路和相間短路三類。不對(duì)稱故障情況下，三相電壓值會(huì)按照不同規(guī)律發(fā)生改變，但存在一個(gè)共同的規(guī)律，即電網(wǎng)電壓不平衡，電網(wǎng)電壓中含有負(fù)序分量，同時(shí)正序分量幅值會(huì)發(fā)生跌落。因此不對(duì)稱故障，除了包含對(duì)稱故障電壓下降的特征之外，還會(huì)產(chǎn)生負(fù)序分量。本文將對(duì)單相（A相）接地故障進(jìn)行仿真，參數(shù)設(shè)置如下：三相電網(wǎng)電壓有效值為220V，220V，220V，A相0.4秒跌落到22V，0.8s恢復(fù)到220V。控制策略為負(fù)序電流控制為0，單位功率因數(shù)并網(wǎng)。

5 結(jié)論

本文首先介紹了三相OBC的常見架構(gòu)，然后對(duì)正負(fù)序電壓進(jìn)行了分析并建立了dq坐標(biāo)系瞬時(shí)功率和電壓電流的函數(shù)關(guān)系，提出以抑制并網(wǎng)負(fù)序分量為控制目標(biāo)的控制策略。通過單位功率并網(wǎng)仿真證明采用該策略后，三相OBC在電網(wǎng)電壓不平衡和電壓跌落工況下，并網(wǎng)波形質(zhì)量良好，諧波畸變率遠(yuǎn)低于并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求，可以實(shí)現(xiàn)三相OBC的安全穩(wěn)定并網(wǎng)。證明采用論文中控制策略的三相OBC可以適用于地處偏遠(yuǎn)的電網(wǎng)，拓寬了新能源車的使用范圍。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫金鑫，盧子廣．基于虛擬電機(jī)的光伏并網(wǎng)逆變器直接功率控制[J].電力電子技術(shù)，2020，54（1）：73-74，78．

[2]陳曉冬．分布式風(fēng)光互補(bǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)雙模式逆變器控制研究[D].北京：北方工業(yè)大學(xué)，2017.

[3]田欽元.單三相兼容雙向車載充電機(jī)的研究設(shè)計(jì)[D].杭州：浙江大學(xué)，2023.

[4]黃守道，高劍，羅德榮.直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)及并網(wǎng)控制[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014：195-200.

[5]高亦凌，郁海彬.電網(wǎng)電壓不對(duì)稱跌落下DFIG控制策略的仿真研究[J].大電機(jī)技術(shù)，2024，2：14-23，30.