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(yùn)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(yùn)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(jì)。但是整流器開(kāi)關(guān)動(dòng)作以及控制參數(shù)的不一致性會(huì)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(jí)運(yùn)行。控制環(huán)流是并聯(lián)整流器設(shè)計(jì)的一個(gè)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(duì)環(huán)流問(wèn)題,分析了影響環(huán)流大小的因素,驗(yàn)證了一個(gè)PWM周期內(nèi)零矢量分布的改變不會(huì)影響控制目標(biāo),并通過(guò)控制空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)算法中零矢量在每個(gè)PWM周期中的作用時(shí)間對(duì)環(huán)流加以抑制。最后通過(guò)Matlab仿真對(duì)本文的控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。

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

隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的逐漸加強(qiáng)和能源需求的日益突出,新能源技術(shù)越來(lái)越成為學(xué)者研究的熱點(diǎn),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(duì)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(kāi)關(guān)現(xiàn)有耐電壓和耐電流水平不變的情況下,提高整個(gè)系統(tǒng)的功率等級(jí)、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(jì),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(wèn)題,并聯(lián)整流器的器件參數(shù)、開(kāi)關(guān)動(dòng)作以及控制參數(shù)的差異,都會(huì)導(dǎo)致環(huán)流產(chǎn)生。環(huán)流會(huì)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(wèn)題,傳統(tǒng)的方法是使用獨(dú)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(lái)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(xiàn)[4]在傳統(tǒng)的正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)中實(shí)現(xiàn)了環(huán)流的比例—積分(PI)閉環(huán)控制,代價(jià)是降低了直流母線的利用率;文獻(xiàn)[5]采用了非線性控制來(lái)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(shí)現(xiàn);文獻(xiàn)[6]使用了準(zhǔn)諧振控制器來(lái)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(xiàn)[7]在三相坐標(biāo)下對(duì)環(huán)流進(jìn)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(dá)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(guò)控制空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)算法中零矢量在每個(gè)PWM周期中的作用時(shí)間來(lái)控制環(huán)流的策略,并通過(guò)Matlab仿真對(duì)本文的控制策略進(jìn)行了驗(yàn)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(shí)間不一致時(shí),會(huì)導(dǎo)致兩套整流器工作不同步,這時(shí)電流可能同時(shí)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(shí),電流回路如圖1所示。當(dāng)上、下兩套整流器觸發(fā)脈沖時(shí)間不完全同步時(shí),會(huì)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(shí)電流不經(jīng)過(guò)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(shí),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(gè)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(jì),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(gè)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(gè)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(shí),零序電流因?yàn)榇嬖诹魍窂蕉粸榱恪ＴO(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(jiǎn)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(gè)三相整流器并聯(lián)系統(tǒng)中,通過(guò)電流傳感器檢測(cè)到零序電流之后,經(jīng)過(guò)調(diào)制,可以得到需要的k值,如式(17)中的k1、k2。通過(guò)PI調(diào)節(jié)器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)k的值,能夠使并聯(lián)整流器組中兩整流器開(kāi)關(guān)動(dòng)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(shí),首先要通過(guò)SVPWM調(diào)制算法計(jì)算出零矢量與有效矢量的作用時(shí)間T0、T1、T2,由T0得到V7(111)的作用時(shí)間kT0,然后計(jì)算出各扇區(qū)脈沖切換時(shí)刻,控制脈沖在這些時(shí)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(shí)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(duì)應(yīng)的8個(gè)時(shí)間點(diǎn),Tx、Ty分別為所需計(jì)算的有效矢量的作用時(shí)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(cè)環(huán)流iz并與給定值0做差,差值經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器得到k,由k改變功率器件開(kāi)關(guān)時(shí)刻,從而達(dá)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(wú)零矢量控制環(huán)節(jié)中,存在一個(gè)低頻波動(dòng)且比較雜亂的電流,即零序環(huán)流。對(duì)相電流ia1、ia2進(jìn)行傅里葉分析,得到ia1的THD(Total Hormonic Distortion)=5.98%,ia2的THD=5.03%。說(shuō)明相電流有一定程度的畸變。

或許只是因?yàn)樗龥](méi)睡好導(dǎo)致臉色蒼白，而臉頰的紅是由于陽(yáng)光照射，但對(duì)此刻的我而言，只覺(jué)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(shuō)明環(huán)流不經(jīng)過(guò)電網(wǎng)由兩套整流器構(gòu)成環(huán)流通路,因此會(huì)損壞功率器件,引入變量k使環(huán)流得到抑制,從而保護(hù)了功率器件。

圖11給出了并聯(lián)系統(tǒng)中單個(gè)三相整流器有/無(wú)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(dòng)有所減小,這說(shuō)明零矢量控制可以減小系統(tǒng)電流畸變率。同時(shí),圖11也說(shuō)明零序分量與dq軸分量相互獨(dú)立,零序環(huán)流控制基本不影響單個(gè)整流器dq軸電流,引入變量k不會(huì)影響交流電流等控制目標(biāo),從而驗(yàn)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(guò)控制零矢量V7(111)在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的作用時(shí)間來(lái)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(yàn)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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51209172)。

李輝,男,講師,研究方向?yàn)樗姍C(jī)組、風(fēng)電機(jī)組的監(jiān)測(cè)、診斷與控制。E-mail:lihui@mail.xaut.edu.cn。

TM461

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