三相整流器并聯(lián)運行環(huán)流抑制策略

李輝,王毅,楊曉萍

(西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院, 陜西 西安 710048)

三相整流器并聯(lián)運行環(huán)流抑制策略

李輝,王毅,楊曉萍

(西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院, 陜西 西安 710048)

整流器直接并聯(lián)運行可以提高系統(tǒng)的可靠性和效率,減少成本,且易于模塊化設(shè)計。但是整流器開關(guān)動作以及控制參數(shù)的不一致性會產(chǎn)生環(huán)流,導(dǎo)致整流器損耗增加,從而迫使整流器降低功率等級運行?？刂骗h(huán)流是并聯(lián)整流器設(shè)計的一個重要目標(biāo)。本文以三相PWM整流器并聯(lián)系統(tǒng)為例建立了環(huán)流的數(shù)學(xué)模型,針對環(huán)流問題,分析了影響環(huán)流大小的因素,驗證了一個PWM周期內(nèi)零矢量分布的改變不會影響控制目標(biāo),并通過控制空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)算法中零矢量在每個PWM周期中的作用時間對環(huán)流加以抑制。最后通過Matlab仿真對本文的控制策略進行了驗證。

三相整流器; 直接并聯(lián)運行; 零序環(huán)流; 數(shù)學(xué)模型; 零矢量控制

隨著環(huán)境保護意識的逐漸加強和能源需求的日益突出,新能源技術(shù)越來越成為學(xué)者研究的熱點,整流器作為新能源的核心技術(shù)之一,在供配電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。為了滿足系統(tǒng)對容量和可靠性的要求,整流器并聯(lián)技術(shù)被廣泛采用。整流器并聯(lián)技術(shù)不僅可以在保持整流器開關(guān)現(xiàn)有耐電壓和耐電流水平不變的情況下,提高整個系統(tǒng)的功率等級、可靠性以及效率,減小電流和電壓的紋波,而且有利于系統(tǒng)的模塊化設(shè)計,易于系統(tǒng)重新配置,提高了系統(tǒng)的靈活性。零序環(huán)流是整流器并聯(lián)系統(tǒng)中的特有問題,并聯(lián)整流器的器件參數(shù)、開關(guān)動作以及控制參數(shù)的差異,都會導(dǎo)致環(huán)流產(chǎn)生。環(huán)流會增加功率器件的損耗,降低系統(tǒng)的效率。為了解決環(huán)流問題,傳統(tǒng)的方法是使用獨立的直流側(cè)[1],或者采用交流側(cè)變壓器隔離[2],或者使用抽頭電抗來提高零序阻抗[3]等。這些方法雖然能夠有效降低環(huán)流大小,但是均增加了系統(tǒng)成本、重量及體積。文獻[4]在傳統(tǒng)的正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)中實現(xiàn)了環(huán)流的比例—積分(PI)閉環(huán)控制,代價是降低了直流母線的利用率;文獻[5]采用了非線性控制來提高并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抑制環(huán)流,但比較難以實現(xiàn);文獻[6]使用了準(zhǔn)諧振控制器來抑制三倍頻及其以上的零序環(huán)流,但在某些情況下還存在基頻的零序環(huán)流;文獻[7]在三相坐標(biāo)下對環(huán)流進行了詳細(xì)的建模和定義,指出了環(huán)流中可能存在的成分,但其數(shù)學(xué)表達復(fù)雜,物理概念不清晰。本文在分析零矢量作用效果的基礎(chǔ)上,闡述了通過控制空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)算法中零矢量在每個PWM周期中的作用時間來控制環(huán)流的策略,并通過Matlab仿真對本文的控制策略進行了驗證。

1 環(huán)流產(chǎn)生原理

直流側(cè)和交流側(cè)直接并聯(lián)的整流器系統(tǒng)如圖1所示。圖中a、b、c為交流側(cè)三相,a1、b1、c1分別為整流器1的三相,a2、b2、c2分別為整流器2的三相,N、P分別為直流端負(fù)極和正極。當(dāng)上、下兩套三相整流器的觸發(fā)脈沖時間不一致時,會導(dǎo)致兩套整流器工作不同步,這時電流可能同時在兩套整流器中流通,從而形成環(huán)流[8]。以a、b兩相為例,當(dāng)兩整流器a相上橋臂和b相下橋臂導(dǎo)通時,電流回路如圖1所示。當(dāng)上、下兩套整流器觸發(fā)脈沖時間不完全同步時,會形成電流回路P-a1-a-a2-N-P。在a相和c相、b相和c相之間也存在這樣的電流回路。

此時電流不經(jīng)過電網(wǎng)而由兩套整流器構(gòu)成電流回路,形成環(huán)流,使輸出電流不平衡,導(dǎo)致整流器的性能變差。

2 零序環(huán)流的數(shù)學(xué)模型

(1)

由基爾霍夫定律可得三相整流器的狀態(tài)空間方程:

(2)

(3)

式中,p為微分算子d/dt。

系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時,三相整流器工作在單位功率因數(shù)下,輸出的直流電壓vdc可近似為一個常數(shù),相電流都近似正弦化,并與輸入相電壓同相。同樣,為了方便系統(tǒng)控制器的設(shè)計,通常需要將三相靜止坐標(biāo)系下的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的系統(tǒng)模型。

轉(zhuǎn)換后,可得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的變量。由于單個整流器不構(gòu)成環(huán)流通路,所以iz=0,因此,省略z軸分量的單個三相整流器在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的平均模型為:

(4)

(5)

當(dāng)三相整流器并聯(lián)于系統(tǒng)中時,零序電流因為存在流通路徑而不為零。設(shè)整流器1和整流器2的z軸電流分別為iz1和iz2,電壓為vz,那么零序電流可表示為:

(6)

并聯(lián)以后直流側(cè)電容變?yōu)?C,電阻的阻值變?yōu)镽l/2。那么并聯(lián)三相整流器在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的平均模型為:

(7)

(8)

(9)

(10)

根據(jù)式(6)的定義,式(7)～(9)可化簡為:

(11)

(12)

(13)

(14)

根據(jù)式(11)～(14),并聯(lián)整流器的平均模型的等效電路圖如圖4所示。

3 并聯(lián)三相整流器的環(huán)流控制

(15)

(16)

由式(14)、(16),得:

(17)

在兩個三相整流器并聯(lián)系統(tǒng)中,通過電流傳感器檢測到零序電流之后,經(jīng)過調(diào)制,可以得到需要的k值,如式(17)中的k1、k2。通過PI調(diào)節(jié)器實時調(diào)節(jié)k的值,能夠使并聯(lián)整流器組中兩整流器開關(guān)動作保持一致,從而使零序電流得到有效抑制。帶有零矢量控制的控制原理圖如圖7所示。

當(dāng)引入k改變零矢量占空比時,首先要通過SVPWM調(diào)制算法計算出零矢量與有效矢量的作用時間T0、T1、T2,由T0得到V7(111)的作用時間kT0,然后計算出各扇區(qū)脈沖切換時刻,控制脈沖在這些時刻發(fā)生相應(yīng)跳變。

以電壓矢量在第一扇區(qū)為例,根據(jù)圖6,可得到第Ⅰ扇區(qū)脈沖跳變時刻。仿真模型如圖8所示,圖中T0、T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7分別為圖6中橫坐標(biāo)對應(yīng)的8個時間點,Tx、Ty分別為所需計算的有效矢量的作用時間。

4 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)零序環(huán)流控制方法,在Matlab/Simulink中搭建三相整流器直接并聯(lián)的模型。并聯(lián)模型中,模塊1采用常規(guī)調(diào)制方式,即k=0.5;模塊2加入零矢量控制環(huán)節(jié),檢測環(huán)流iz并與給定值0做差,差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到k,由k改變功率器件開關(guān)時刻,從而達到抑制環(huán)流的目的。仿真參數(shù)如表1所示。

仿真結(jié)果如圖9所示,在無零矢量控制環(huán)節(jié)中,存在一個低頻波動且比較雜亂的電流,即零序環(huán)流。對相電流ia1、ia2進行傅里葉分析,得到ia1的THD(Total Hormonic Distortion)=5.98%,ia2的THD=5.03%。說明相電流有一定程度的畸變。

或許只是因為她沒睡好導(dǎo)致臉色蒼白，而臉頰的紅是由于陽光照射，但對此刻的我而言，只覺得她一定和別的女高中生不同。

系統(tǒng)加入零矢量控制以后的各電流波形如圖10所示。從圖中可看出,零序環(huán)流基本得到抑制,只存在高頻電流紋波,ia1的THD=2.91%,ia2的THD=2.94%,相電流畸變率變小,波形得到明顯改善。

由圖9、10的合成電流iA的波形可知,零序環(huán)流的存在不影響合成電流的波形。這說明環(huán)流不經(jīng)過電網(wǎng)由兩套整流器構(gòu)成環(huán)流通路,因此會損壞功率器件,引入變量k使環(huán)流得到抑制,從而保護了功率器件。

圖11給出了并聯(lián)系統(tǒng)中單個三相整流器有/無零矢量控制的dq軸電流。

由圖可知,加入零矢量控制后,d軸電流分量波動有所減小,這說明零矢量控制可以減小系統(tǒng)電流畸變率。同時,圖11也說明零序分量與dq軸分量相互獨立,零序環(huán)流控制基本不影響單個整流器dq軸電流,引入變量k不會影響交流電流等控制目標(biāo),從而驗證了環(huán)流控制策略的正確性。

5 結(jié) 論

本文分析了并聯(lián)系統(tǒng)中環(huán)流產(chǎn)生的原理。在并聯(lián)三相整流器平均模型的基礎(chǔ)上,建立了零序環(huán)流的數(shù)學(xué)模型,通過控制零矢量V7(111)在一個開關(guān)周期中的作用時間來抑制環(huán)流。從仿真結(jié)果可以看出:零序環(huán)流得到有效抑制,系統(tǒng)相電流畸變率降低;驗證了在系統(tǒng)參數(shù)有差異的情況下,控制策略的正確性和有效性。

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(責(zé)任編輯 周蓓)

Control strategy of circulating current for parallel PWM converters

LI Hui,WANG Yi,YANG Xiaoping

(Faculty of Water Resources and Hydroelectric Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

The direct parallel of converters can improve the reliability and efficiency of the system, and reduce the costs, and it is convenient for modular design. But the switching motion and the inconsistency in control parameters may lead to circulation, whereby causing loss increase and force the converters to operate in a low level. For this reason, the control of circulating current is an important goal in the design of parallel converters. In this paper, the circulation mathematical model of three-phase PWM converter parallel system is established. Aimed at the problem of circulation, the factors affecting the size of circulation are analyzed. It is found out that the changes in zero vectors distribution in one PWM cycle will not affect control objectives. Controlling the operation time of zero vectors during every PWM cycle of space vector pulse width modulation (SVPWM) can suppress the circulating current. Finally, the effectiveness of control strategy is verified by Matlab simulations in this paper.

three phase converter; direct parallel operation; zero-sequence circulating current; mathematical model; zero vector control

1006-4710(2015)03-0289-06

2015-03-06

國家自然科學(xué)基金資助項目(51209172)。

李輝,男,講師,研究方向為水電機組、風(fēng)電機組的監(jiān)測、診斷與控制。E-mail:lihui@mail.xaut.edu.cn。

TM461

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