基于多載波和PR控制實(shí)現(xiàn)變換器并聯(lián)環(huán)流抑制研究

陳素華

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基于多載波和PR控制實(shí)現(xiàn)變換器并聯(lián)環(huán)流抑制研究

陳素華

(許昌學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

逆變器的并聯(lián)由于具有容量大、低成本和能夠增加系統(tǒng)的容量而備受關(guān)注。但是逆變器的并聯(lián)會(huì)帶來環(huán)流問題，環(huán)流不僅會(huì)降低系統(tǒng)效率，而且會(huì)使輸出并網(wǎng)電流發(fā)生畸變。環(huán)流主要在零矢量中產(chǎn)生，通過雙環(huán)控制實(shí)現(xiàn)環(huán)流抑制，外環(huán)在零序分量采用無差拍實(shí)現(xiàn)環(huán)流抑制，內(nèi)環(huán)采用多載波消除零矢量的作用時(shí)間，環(huán)流能夠得到非常好的抑制。在并網(wǎng)并聯(lián)逆變系統(tǒng)中，電流控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和輸出電流質(zhì)量至關(guān)重要。電流環(huán)采用靜止坐標(biāo)系下的比例諧振控制器，省去了復(fù)雜的坐標(biāo)變換，從而使計(jì)算簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。該方法不需要增加額外的硬件，能夠較好地抑制環(huán)流和具有動(dòng)態(tài)反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。

逆變器并聯(lián)；環(huán)流；PR控制器；多載波調(diào)制

0 引言

環(huán)境污染日益嚴(yán)重，新能源是解決該問題的關(guān)鍵途徑[1-3]。隨著變換器在分布式電源、微電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用[4-5]，對(duì)變換器可靠性和容量提出了更高的要求，受到容量限制，傳統(tǒng)單機(jī)變換器已經(jīng)滿足大功率發(fā)展的需求。變換器并聯(lián)可以解決高功率等級(jí)和可靠性的要求[6]。但是模塊并聯(lián)存在環(huán)流問題，環(huán)流能夠引起電流諧波畸變，嚴(yán)重時(shí)由于電流應(yīng)力不平衡燒壞IGBT管。因此研究變換器的并聯(lián)環(huán)流技術(shù)意義重大[7-9]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)變換器的并聯(lián)環(huán)流抑制進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[10-11]提出了采用雙直流源或者隔離變壓器方式實(shí)現(xiàn)環(huán)路電流的阻斷，采用該控制策略盡管可以有效地抑制環(huán)流，但是大大增加了系統(tǒng)成本。文獻(xiàn)[12-14]中指出可以采用非線性算法來抑制環(huán)流，但是該方法理論上可行，實(shí)際中實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。文獻(xiàn)[15-20]提出了一種改變空間矢量調(diào)制的零矢量控制方法，該方法容易實(shí)現(xiàn)，具有較好的效果，但是和SPWM調(diào)制相比控制相對(duì)復(fù)雜。文獻(xiàn)[21-22]分別描述了基于微分平坦理論模塊化并聯(lián)多電平環(huán)流抑制方法和模塊化多電平環(huán)流抑制策略，這些抑制方法，雖然可以達(dá)到抑制效果，但是，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難度較大。文獻(xiàn)[23]對(duì)大規(guī)模風(fēng)電接納及送出的系統(tǒng)進(jìn)保護(hù)進(jìn)行了研究，提出了環(huán)流抑制的問題，但該文以設(shè)計(jì)為主，并沒有給出具體的抑制方法。

本文首先分析了三相PWM變換器并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流模型，然后采用雙環(huán)抑制環(huán)流的方法，外環(huán)采用無差拍和注入零序分量的方法實(shí)現(xiàn)環(huán)流抑制，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)控制逆變器的多載波環(huán)流抑制方法，比傳統(tǒng)的方法環(huán)流抑制效果要優(yōu)異很多。并針對(duì)傳統(tǒng)PI控制器跟蹤慢的缺點(diǎn)設(shè)計(jì)PR控制器，該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)快速無靜差跟蹤。最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 ?三相逆變器并聯(lián)的零序環(huán)流模型

本文中并聯(lián)變換器系統(tǒng)采用單直流源的方式，變換器的并聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖1所示。理想情況下并聯(lián)逆變器的參數(shù)設(shè)置一致不會(huì)產(chǎn)生環(huán)流，但是實(shí)際情況下死區(qū)設(shè)置、并網(wǎng)電抗器區(qū)別以及控制延遲等因素會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。

圖1 三相逆變器并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三相并網(wǎng)逆變器并聯(lián)的平均模型表示如下。

(1)

(3)

式中：o為電網(wǎng)電流abc之和；abc為并聯(lián)逆變器的橋臂輸出占空比；為濾波電感；為直流側(cè)1和2電容之和；dc為輸入電壓值；abc為電網(wǎng)電壓；N為電網(wǎng)中性點(diǎn)電壓。

單臺(tái)逆變器不能形成環(huán)流通路，故不存在零序環(huán)流。但是對(duì)于并聯(lián)逆變器存在環(huán)路，而且零序環(huán)流方向相反，大小相等，如式(4)所示。

(4)

為了研究逆變器環(huán)流抑制的控制方法，首先分析環(huán)流產(chǎn)生的原理。將逆變器的A相、B相和C相變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系0。

本文定義坐標(biāo)變換矩陣為式(5)所示。

通過上述坐標(biāo)變換，三相靜止坐標(biāo)系下交流量變換成兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流量為式(6)、式(7)。

(6)

根據(jù)基爾霍夫定律可知，圖2交流側(cè)的公式為

(8)

(10)

從式(8)~式(10)得到環(huán)流公式為

兩臺(tái)逆變器零序占空比時(shí)間之差如式(12)。

(12)

圖2并聯(lián)逆變器的平均模型

Fig. 2 Average model parallel connection system of three-phase inverter

2 ?外環(huán)基于注入零序分量環(huán)流抑制

從式(11)可以看出，零序環(huán)流o和兩臺(tái)逆變器的零序占空比有關(guān)，因此可以改變兩臺(tái)逆變器的占空比實(shí)現(xiàn)環(huán)流抑制，本文提出了基于注入零序分量的環(huán)流抑制方法。

首先采樣輸出電網(wǎng)端電流a、b、c得到零序環(huán)流0，然后假設(shè)零序電流給定值為0，零序環(huán)流和零序電流給定值經(jīng)過無差拍控制得到環(huán)流修正值，如式(13)。

最后為了保證環(huán)流抑制不影響輸出電流的波形質(zhì)量，本文將環(huán)流修正值輸出給零序分量，零序分量為式(14)。

OFF= ?0.5(max(V) + min(V))(14)

式中，V為調(diào)制波a、b、c。

為了保證環(huán)流抑制效果達(dá)到最佳，因此在調(diào)制方面可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)控制，即通過減少零矢量作用時(shí)間或者不采用零矢量作用時(shí)間的方法解決零序環(huán)流。

3 ?內(nèi)環(huán)環(huán)流的抑制方法

如表1所示為一個(gè)模塊的8種開關(guān)狀態(tài)，用V0~V7表示，為了描述方便，用“+”表示并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流的方向與正方向相同，“-”表示環(huán)流的方向與正方向相反。環(huán)流的大小與數(shù)字的大小成正比，數(shù)字越大，環(huán)流越大，如表1所示。因此只要減少零序開關(guān)，相間的環(huán)流就能夠得到抑制。

表1 兩并聯(lián)模塊開關(guān)狀態(tài)和環(huán)流之間的關(guān)系

根據(jù)前文的分析可知，只要設(shè)法減小零序開關(guān)狀態(tài)就可以減小相間環(huán)流，為此本文提出了雙載波的SPWM方案。在每個(gè)并聯(lián)模塊中使用兩個(gè)相角互差180°的三角載波。在三相調(diào)制波中的值處于和之間，與載波Cn進(jìn)行比較，而和與原載波Cp比較，然后產(chǎn)生開關(guān)狀態(tài)量 V1(100)、V4(011)、V5(001)、V6(101)，如圖3所示。其他開關(guān)狀態(tài)也是通過中間值與載波Cn進(jìn)行比較，而最大值和最小值與原載波Cp比較。

圖3 雙載波和調(diào)制波比較

為了實(shí)現(xiàn)交流電流的無靜差跟蹤，本文采用PR控制器實(shí)現(xiàn)A、B、C三相解耦之后的和跟蹤控制，圖4所示為系統(tǒng)控制框圖。

4 ?仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了對(duì)上述環(huán)流抑制控制方法的有效性進(jìn)行證明，對(duì)并聯(lián)逆變器進(jìn)行環(huán)流仿真。仿真參數(shù)如表2所示。

在并網(wǎng)控制器的并聯(lián)系統(tǒng)中，濾波電感的大小相等，模塊之間的給定電流也是相等的，圖5為濾波電感和給定電流分別相等的時(shí)候的環(huán)流仿真波形，從圖中可以看出無環(huán)流抑制和環(huán)流抑制的波形對(duì)比。

表2 逆變器參數(shù)

實(shí)際情況下，光伏并網(wǎng)逆變器的并聯(lián)電感值可能存在一定的不同，圖6為濾波電感不等時(shí)給出的仿真波形，濾波電感分別為2 mH和4 mH時(shí)，從圖中可以看出不進(jìn)行控制時(shí)電流發(fā)生了很大的畸變，加入雙載波調(diào)制方法環(huán)流抑制明顯改善。

為了驗(yàn)證理論的正確性，本文搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)和仿真結(jié)果一致。

在并聯(lián)系統(tǒng)中首先考慮濾波電感的大小相等，模塊之間的給定電流也是相等的，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本文給定電流為5?A，圖7為濾波電感和給定電流分別相等時(shí)候的環(huán)流實(shí)驗(yàn)波形，從圖中可以看出環(huán)流抑制的效果非常理想。

圖7 濾波電感為2 mH給定電流為5 A時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 ?結(jié)論

本文提出的方法是通過多載波和無差拍實(shí)現(xiàn)環(huán)流抑制。外環(huán)采用注入零序分量方法，該方法不會(huì)影響輸出電流，內(nèi)環(huán)采用多載波的抑制方法實(shí)現(xiàn)環(huán)流抑制，而且采用靜止坐標(biāo)系下的比例諧振(Proportional Resonant，PR)控制器，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的坐標(biāo)變換以及準(zhǔn)確的跟蹤，該方法不需要額外的器件，降低了系統(tǒng)的成本，能夠很好地實(shí)現(xiàn)環(huán)流抑制和并網(wǎng)功能。

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(編輯 魏小麗)

Multicarrier PWM and PR control strategy of circulating current reduction for grid-connected converters

CHEN Suhua

(College of Electricity and Information Engineering, Xuchang University, Xuchang 461000, China)

The use of parallel three-phase converters has become more popular due to their simplicity, low cost, and expandability. However, the pulse width modulation (PWM) switching of parallel three-phase converters causes circulating current. The circulating current is mainly affected by the zero vectors. This paper proposes a multicarrier PWM for parallel three-phase converters. The multicarrier PWM can synthesize the desired output voltage without using zero vectors. Through the double loop control to realize circulation inhibition, outer ring in the zero sequence component circulation is realized by using no beat; the inner ring uses the carrier to eliminate the effect of zero vector more time, which can get very good restrain circulation. Furthermore, the structures and parameters of current controller are very important for the system’s stability and the output current’s quality in the grid-connected inverter application. The PR controller is used in the current loop which is in thestationary reference frame. This method eliminates the complex coordinate transformation while making the simple calculation. And the method does not need to add additional hardware, which can suppress the circulation current well and have the advantages of quick dynamic response. Finally, simulation and experiment results are presented to prove the validity of the theoretical analysis.

parallel inverters; circulating current; PR controller; multicarrier modulation

10.7667/PSPC151051

2015-06-24；

2016-01-22

陳素華(1980-)，女，講師，碩士學(xué)位，主要從事電力電子、智能電網(wǎng)設(shè)計(jì)研究。E-mail：chenshxc@126.com

河南省科技廳計(jì)劃項(xiàng)目(162102210301)；河南省教育廳高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(15A470019)