三相逆变电源不平衡负载控制对策

三相逆变电源不平衡负载控制对策

邓盼盼

（国网四川省电力公司乐山供电公司四川乐山614000）

摘要：单相负荷和不对称的三相负荷会出现在电网运行过程中，会使电网的三相逆变器运行过程中出现电源负荷不平衡的问题最终就会形成电压的不行恒问题，因此在进行三相逆变器设计过程中应该格外注意负荷不平衡的问题。在低压的微电网中，电网负载的不平衡条件很容易引起三相逆变器输出电压的不稳定和不对称，为了该深电压系统输出电压的稳定性和对称性，用组合式的三相逆变器作为此次研究的试验对象，对电压系统进行整体控制策略的设计。

关键词：三相逆变器；不平衡负载；分相控制

0引言

在三相逆变器的拓扑结构中，三相三桥臂逆变器只能适用在负载平衡的条件下，中点形成变压器的三相逆变器只能使用在负载不平衡条件反应较小的情况下，三是当前，针对逆变器负载不平衡较为明显的拓扑结构中最常见的就是三相四桥臂结构以及组合形式的三相逆变器。组合形式的三项逆变器的电路之间的每个相之间都是互不联系的是独立的，并且还具有对接的不对称性和非线性单相或者是三项负载的能力，组合形式的三相逆变器的运行效果在很大程度上是依赖于组合形式的控制器的设计的。

1三相电压不平衡的危害

什么是三相不平衡，三相不平衡就是在电力系统运行过程中，三相电压或者是电流的幅值差超过了实际的电流或者是电压的规定范围，当UPS连接三相不平衡的负载之后，由于三相逆变器的内部阻力和电流的大小不一致就会造成逆变器的电力在内部阻力上产生不一样的压降，这最终会导致三相逆变器的负载端的电压出现不平衡，供电系统的三相不平衡运行也会产生很多的危害。

三相不平衡运行会增加线路的电能损耗。在该研究项目中，逆变器的输出变压器为Δ/Y0变压器，逆变器的输出端带中线，一般三相逆变器平衡时，中线是不会出现电流的；当三相负载不平衡运行时，逆变器输出中线上必然有电流通过，电流会在这上面产生大量的损耗，从而会浪费电能。但是如果逆变器的输出中线设计过小，当负载三相逆变器的电源和电流不平衡状态严重的时候，就会直接导致输出中线出现过热甚至烧断的情况。

三相不平衡运行会增加输出变压器的损耗，就会影响输出变压器的寿命。三相不平衡就会引起三相之间的磁路出现不平衡现象，一旦三相出现漏磁就会使得变压器迅速发热，造成附加电流和电压损耗，同时还会影响变压器使用寿命。而负荷稍微大一点的一相也会很容易出现过流，最终造成发热甚至是烧毁变压器。

(3)三相不平衡时也会对用电设备产生不利影响，例如三相不平衡就会诱导电动机中逆扭矩出现明显增加，从而使电动机的温度上升，电动机的工作效率下降，增加电动机的能量消耗并且还会发生震动甚至会出现输出亏耗等影响。这些危害都会直接导致用电设备使用寿命明显性下降，最终会直接增加电动机维护成本。用户在使用UPS过程中，很容易就会造成UPS三相负载出现不平衡，所以在进行UPS设计时十分有必要对三相负载不平衡进行处理之后，保证三相平衡的前提之下进行UPS的设计，UPS的行业标准也对UPS的设计进行严格的要求限制，对UPS的不平衡性进行了规定(不平衡度≤5%)，并标注说明了UPS的具体计算方法。以下是利用对称分量法对三相不平衡电压的组成进行研究，并对三星负载不平衡时候的逆变器的控制进行相关研究并提出了相关具有实际可行性控制方法。

2对称分量法

不对称的三相量都可以分解成为三组相互对称的分量，这三组对称的量就是我们所说的对称分量，三相不平衡电压u可以分解成为正序的三相电压和负序的三相电压以及没有序的三相电压（也就是零序的三相电压）。通常我们使用的都是三相电都是正序的，a相超前b相120°，b相超前c相120°，三相电压之间的幅值相等；负序的相序与正序的相序存在相反的关系，a相落后b相120°，b相落后c相120°那么三相电压的幅值是相等的；而零序各相的电压的幅值和相位都是一样的，即

图1不对称电压的正序、负序、零序空间关系

由于每一组都是对称的，所以又有下列关系：

在逆变器接Δ/Y0输出变压器的时候，对应的如果是三相负载电流，那么三相逆变器的中线上的电流为，正好为3倍a相零序电流和三相零序分量之间的电流流量应该保持一致，即

如果三相电压之间都是对称的，那么零序的三相的电流为零也就是不存在电流，而输出中线上也就不会出现电流；但是如果三相电压之间不对称，零序电流就会以输出中线作为通路。

3输出电压不平衡度的计算

更加严格的对系统输出电压的不平衡的程度进行计算，并对电压不平衡度检查输出电压的实际算法的效果进行控制，这就需要对三相电压的不平衡度进行相应的计算。不平衡度的计算有许多的方法，常用的方法有以下展示出来为：

系统接阻性负载，分别测量三相之间的输出电压的线电压UAB、UBC、UCA的大小，如图2所示，O和P是以CA为公共边作的两个等边三角形的两个顶点。电压不平衡度按照公式计算，行业标准里面规定输出电压不平衡度应该≤5%。

式中，Yv表示为电压的不平衡度数值，UP表示为电压的正序分量幅值，UN为电压负序分量幅值。

4不平衡电压正负零序分量在旋转坐标下的值

三相不平衡电压的正序分量和负序分量在同步旋转坐标系中(d，q)和反向旋转坐标系中(r，s)的结果都不同。对于正序分量，同步旋转坐标(d，q)下，三相电压不平衡中的正序分量就会变成直流量；而在反向旋转坐标系(r，s)中，三相电压不平衡度的正序分量变成了两倍基波角速度正弦量。

式中，uNd、uNq表示负序分量在同步旋转坐标中的两个分量；

uNr、uNs就表示为是反向旋转坐标系中负序的两个分量。

对于零序分量而言，无论是正向还是反向旋转坐标中，零序分量的值都是0，没有任何差别，即

式中，uZd、uZq表示负序分量在同步旋转坐标中的两个分量；

uZr、uZs就表示为是反向旋转坐标系中负序的两个分量。

综上可得三相不平衡电压在同步旋转坐标系(d，q)中的表达式为：

三相逆变器的输出电压存在负序分量，那么在同步旋转的坐标系中，就会在正序电压的直流量之外再叠加一个基波角速度的两倍的正弦量，根据上面的式子，我们可以很容易的计算并且确定三相输电电压之间的负序分量的关系，并且反向旋转坐标系和同步旋转坐标系中的情况呈反比，这时候的三相电压不平衡度的正序分量变成了两倍基波角速度正弦量，而三相电压不平衡中的负序分量就会变成直流量。

5组合式三相逆变器控制设计

图3为组合式三相逆变器运行控制框。Udc为直流母线电压；LX、Cx（x=a、b、c）为滤波电感及电容值；uox为各相逆变器输出电压；iox表示为每个相逆变器的实际电流输出；iLx三相逆变器每个相的滤波电磁感应电流；Px是每个相之间输出电压的平均有效的输出功率；Qx为各相输出平均无功功率；Umx、fx为各相输出电压幅值和电压频率；Sa1-Sa4、Sb1-Sb4、Sc1-Sc4是每个相和每个管之间的控制信号。

图3组合式三相逆变器控制框图

该系统控制包括功率环和电压电流控制环，其中功率环是采集各相逆变器输出电压Uox和输出电流Iox，经功率计算和低通滤波后获得各相有功功率平均值Px和无功功率平均值Qx，再经下垂控制得到各相输出电压幅值Umx和电压频率fx。幅值和频率经合成后获得各相参考电压瞬时信号Urefx，同时采集逆变器输出电压和滤波电感电流，经电压电流双环控制作为调制波经SPWM调制电路驱动逆变器的运行。

要实现三相电压不平衡负载下三相电压的对称性，就需要保证给定参考电压Urefx的对称性。但是不平衡负载下各相之间的计算方法和计算的平均功率Px和Qx之之间也是不同的，采用传统的下垂控制方法，输出给定参考电压并不能实现三相分量的对称性，而系统频率甚至会超出频率的设定范围，引发不必要的麻烦，因此只有采用合适的传统性的下垂控制方法来对三相分量的各相的参考电压的幅值和频率进行控制，并且还要保证各相之间的幅值和频率保持一致性，最终才能保证三相系统电压的稳定性和对称性。

6结束语

为了避免三相不平衡现象的出现，研究人员利用对称分量法将三相中不平衡量分解成为了正序、零序、负序相互对称的量。在对输出电压在反向旋转坐标系张的推导作用时，应用负序分量的计算方法来对三相电压中的负序分量进行抑制。在进行控制器的设计时，能够有效的对三相不平衡电压的负序进行有效的抑制，这就会使得三相逆变器的输出电压的不平衡度远远小于UPS行业设计的标准。

参考文献

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[3]王建华，刘磊，张方华，等．组合式三相逆变器锁相控制策略[J]．电工技术学报，2015，25(8)：79-84．

作者简介：

邓盼盼（1986—）男，汉族，硕士研究生，工程师，主要从事配电运行检修及工程管理工作。