程 紅，于志超，王朋輝，徐 正，王 聰

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

傳統(tǒng)礦用高壓變頻器輸入側(cè)需要接入昂貴而笨重的工頻變壓器[1-3]，礦用局部通風(fēng)機(jī)并不需要反饋電能[4，5]，因此研究一種能量單方向傳輸?shù)男乱淮哳l隔離級聯(lián)式中高壓變頻器對于進(jìn)一步節(jié)約成本、降低能耗具有重要的意義[6，7]。不僅能夠?qū)崿F(xiàn)電壓等級變換、電氣隔離、能量傳輸?shù)葌鹘y(tǒng)高壓變頻器的功能，還具有減小體積、改善電能質(zhì)量、提高運(yùn)行效率等功能[8，9]。

在實(shí)際工程當(dāng)中，電網(wǎng)參數(shù)不對稱、電網(wǎng)故障等各種原因都會(huì)造成電網(wǎng)電壓不平衡，會(huì)導(dǎo)致直流側(cè)電壓不均衡以及諧波影響網(wǎng)側(cè)輸入電流，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性變差[10，11]。文獻(xiàn)[12]采用準(zhǔn)比例積分諧振控制的方法實(shí)現(xiàn)在電網(wǎng)不平衡條件下準(zhǔn)確控制電流；文獻(xiàn)[13]針對傳統(tǒng)的p-q檢測法在三相電網(wǎng)不平衡下鎖相檢測誤差較大情況下，采用正負(fù)序分離的方法提取正序分量，這樣能較好的避免了非理想電網(wǎng)電壓下的鎖相誤差。三相負(fù)載不平衡會(huì)使變壓器處于不對稱運(yùn)行狀態(tài)，會(huì)造成變壓器損耗增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致變壓器燒毀。文獻(xiàn)[14]提出了一種基于陷波器濾波控制策略，抑制直流電容倍頻干擾來實(shí)現(xiàn)負(fù)載不平衡下的電壓均衡。

目前對于不平衡狀況帶來電壓不均衡問題的研究大都集中在改進(jìn)控制策略方面，如零序電壓、負(fù)序電壓和負(fù)序電流注入等方法。但本文提出的整流-逆變級雙星型交錯(cuò)連接以及隔離級變換器的多繞組共鐵芯變壓器[15-18]的改進(jìn)新型結(jié)構(gòu)，在不增加額外的濾波組件以及復(fù)雜的控制算法的情況下，從改進(jìn)電路連接方式以及電路結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)不平衡狀況下的故障隔離以及直流電壓均衡。最后，通過仿真驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

新一代高頻隔離級聯(lián)式中高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。由整流級、隔離級和逆變級三級組成，整流級由無橋和H橋混合級聯(lián)而成，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)不同電壓等級的接入；隔離級由帶多繞組共鐵芯變壓器的單向DC-DC變換器組成，負(fù)責(zé)功率的流動(dòng)、電壓變換等；逆變級由級聯(lián)H橋逆變器組成，提供高壓交流接口。

圖1 新型結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

整流-逆變級雙星型交錯(cuò)接法的輸入端接法是將級聯(lián)模塊M1，M2，M3的輸入端M1in2和M2in1相連，M2in2和M3in1相連；級聯(lián)模塊M4，M5，M6的輸入端M4in2和M5in1相連，M5in2和M6in1相連；級聯(lián)模塊M7，M8，M9的輸入端M7in2和M8in1相連，M8in2和M9in1相連；再將輸入端M3in2，M6in2，M9in2相連，構(gòu)成輸入星型連接；剩下的輸入端M1in1，M4in1，M7in1分別與輸入電感連接后接入三相電網(wǎng)。輸出端接法是將級聯(lián)模塊M1，M4，M7的輸出端M1out2和M4out1相連，M4out2和M7out1相連；級聯(lián)模塊M2，M5，M8的輸出端M2out2和M5out1相連，M5out2和M8out1相連；級聯(lián)模塊M3，M6，M9的輸出端M3out2和M6out1相連，M6out2和M9out1相連；M7out2，M8out2，M9out2相連，構(gòu)成輸出星型連接；剩下的輸出端M1out1，M2out1，M3out1作為逆變級各相的出線。

1.1 功率特性分析

以整流-逆變級雙星型交錯(cuò)連接的變頻器中性點(diǎn)為電位參考點(diǎn)，由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易知整體系統(tǒng)的功率傳輸關(guān)系見式(1)和式(2)。

式(1)中，Pa、Pb、Pc為整流級每一相的輸入功率，PA、PB、PC為逆變級每一相的輸出功率，PMi(i=1～9)為隔離級每一模塊的傳輸功率。

對于整流-逆變級雙星型交錯(cuò)連接的變頻器來說，當(dāng)變頻器穩(wěn)定運(yùn)行且不考慮器件參數(shù)差異所帶來的損耗時(shí)，每一相負(fù)載所接的三組級聯(lián)模塊向負(fù)載傳輸?shù)墓β适窍嗟鹊?，如?3)所示。每一相輸入電壓向整流級所接的三組級聯(lián)模塊傳輸功率也相等，見式(4)。

當(dāng)三相負(fù)載不平衡時(shí)，三相負(fù)載功率PA、PB、PC不相等，但是每一相負(fù)載所連的三組級聯(lián)模塊的功率仍然是相等的，如式(3)所示，結(jié)合式(1)和式(2)易知，Pa=Pb=Pc，即此時(shí)盡管三相負(fù)載不平衡，但整流級各相的輸入功率仍可保持相間均衡。

同理，當(dāng)三相輸入電壓不平衡時(shí)，三相輸入功率Pa、Pb、Pc不相等，但是每一相輸入電壓所連的三組級聯(lián)模塊的功率仍然是相等的，如式(4)所示，結(jié)合式(1)和式(2)易知，PA=PB=PC，即此時(shí)盡管三相輸入電壓不平衡，但逆變級各相的輸出功率仍可保持相間均衡。

本文提出的整流-逆變級雙星型交錯(cuò)連接在結(jié)構(gòu)上解決了由于三相負(fù)載不平衡帶來的整體系統(tǒng)相間直流側(cè)電容電壓不平衡的問題以及實(shí)現(xiàn)了三相輸入電壓不平衡時(shí)整流-逆變級的故障隔離。

1.2 多繞組共鐵芯變壓器

整流-逆變級雙星型交錯(cuò)連接本質(zhì)上是把負(fù)載不平衡帶來的三相整流級相間直流電壓不平衡轉(zhuǎn)化為相內(nèi)模塊間直流電壓的不平衡問題。本文為了進(jìn)一步解決相內(nèi)電壓不平衡問題提出隔離級DC-DC變換模塊均采用多繞組共鐵芯變壓器結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不僅可以減小變換器的尺寸并增加功率密度，而且由于變壓器的各繞組共用一個(gè)磁芯，相互之間存在耦合，因此各繞組之間會(huì)發(fā)生功率傳遞。為了得出更加簡便有效的控制方式，需要對多繞組共鐵芯變壓器的功率特性進(jìn)行分析。

本文以A相隔離級變換器為例進(jìn)行分析，高頻隔離單向DC-DC變換器拓?fù)淙鐖D2所示，圖2中箭頭代表功率流動(dòng)方向。

圖2 高頻隔離級單向DC-DC變換器

其中，udc為整流級直流側(cè)電壓；ud為隔離級輸出電壓；Lr為變壓器漏感；Ls為濾波電感；C1、C2為穩(wěn)壓電容；變壓器變比為1。

對磁路特性分析可知多繞組共鐵芯高頻隔離變壓器通過繞組間的磁耦合傳輸功率。M1、M2、M3繞組間連著全控H橋，所以兩兩之間組成雙有源橋DC-DC變換器(DAB)。而在DAB變換器的兩個(gè)H橋之間流動(dòng)的穩(wěn)態(tài)功率，取決于兩個(gè)H橋輸出電壓的幅值及其之間的相位差[19]。可得出M1、M2、M3繞組間的功率傳輸見式(5)。

式(5)中，θ1、θ2、θ3分別為各H橋的移相角；ω為開關(guān)角頻率；Lm為耦合繞組兩端串聯(lián)電感的等效值。

當(dāng)負(fù)載不平衡時(shí)，不采用多繞組共鐵芯變壓器時(shí)PA，PB，PC不相等，會(huì)導(dǎo)致a相內(nèi)各級直流電壓不平衡，使輸入電流的諧波增大，進(jìn)而影響整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用多繞組共鐵芯變壓器時(shí)，假設(shè)負(fù)載不平衡導(dǎo)致PA

由式(5)和式(6)可知，通過控制每相內(nèi)各模塊的移相角來實(shí)現(xiàn)繞組間功率的傳輸，實(shí)現(xiàn)變壓器初級側(cè)功率平衡(即PM1=PM2=PM3)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整流級a相內(nèi)各模塊間直流電壓的均衡。

2 控制策略

基于提出的系統(tǒng)協(xié)調(diào)方式，整流級主要由直流側(cè)總電壓和輸入電流解耦控制組成實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)單位功率因數(shù)運(yùn)行；隔離級采用移相控制，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，隔離級原邊側(cè)H橋采用相同的移相角消除各繞組間的功率交換來提高傳輸效率，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載出現(xiàn)不平衡運(yùn)行時(shí)，繞組之間會(huì)傳輸功率，從而使原邊側(cè)H橋之間會(huì)產(chǎn)生相位差，維持整流級直流電壓恒定；逆變級采用恒壓頻比控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速[20]，控制框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制框圖

其中，id、iq、ud、uq分別為網(wǎng)側(cè)電流電壓d軸和q軸分量；L為輸入電感；下角標(biāo)a、b、c代表三相，1、2、3代表各相內(nèi)的每個(gè)模塊。新型結(jié)構(gòu)不需要專門設(shè)計(jì)變頻器的相間直流側(cè)電壓平衡控制算法和外部硬件電路支撐。

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提新型結(jié)構(gòu)和控制策略的有效性，在Simulink中搭建系統(tǒng)模型，參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)

新一代高頻隔離級聯(lián)式中高壓變頻器在輸入電壓不平衡時(shí)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)整流級和逆變級的波形以及輸入電流THD分析如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)在 輸入電壓不平衡下各級波形

從圖4(a)(c)(e)可以看出，當(dāng)a相輸入電壓跌落時(shí)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不施加相應(yīng)的電壓均衡控制時(shí)，會(huì)造成逆變級輸出電壓不均衡，輸入電流的THD為5.15%，輸入電流諧波較大，對電網(wǎng)造成功率損失；從圖4(b)(d)(f)可以看出，在采用新型結(jié)構(gòu)時(shí)，逆變級輸出電壓是均衡的，說明新型結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)輸入輸出的故障隔離。輸入電流的THD為4.58%，相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在一定程度上減小諧波含量，滿足工業(yè)設(shè)計(jì)的要求。

新一代高頻隔離級聯(lián)式中高壓變頻器在負(fù)載不平衡的情況下，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和改進(jìn)新型結(jié)構(gòu)對整流級和逆變級波形的影響以及輸入電流THD分析如圖5所示。

圖5 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)在 負(fù)載不平衡下各級波形

三相負(fù)載分別為150/100/100Ω時(shí)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在不加相應(yīng)的電壓均衡控制下，會(huì)發(fā)生如圖5(e)(g)所示逆變級輸出的電壓不均衡以及整流級相間電壓不均衡等問題，進(jìn)而使輸入電流諧波含量增大，THD為12.89%，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性，如圖5(a)(c)所示。從圖5(f)(h)可以看出，在同樣負(fù)載不平衡程度以及相同控制策略下，整流-逆變級雙星型交錯(cuò)連接方式能夠?qū)崿F(xiàn)整流級相間直流側(cè)電壓均衡和逆變級輸出電壓的均衡。如圖5(b)(d)所示，新型結(jié)構(gòu)在負(fù)載不平衡條件下，輸入電流的THD為3.74%，整體系統(tǒng)單位功率因數(shù)運(yùn)行，表明該結(jié)構(gòu)的可行性。

整流級a相內(nèi)各級聯(lián)模塊的直流側(cè)電壓如圖6所示，明顯看出傳統(tǒng)變壓器結(jié)構(gòu)因不能實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊間能量流動(dòng)會(huì)造成電壓不平衡問題，而多繞組共鐵芯變壓器如前文所述通過控制各模塊的移相角來實(shí)現(xiàn)相內(nèi)電壓均衡。

圖6 不同變壓器結(jié)構(gòu)下整流級相內(nèi)電壓波形

針對輸入電壓不平衡以及負(fù)載不平衡下，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明新型結(jié)構(gòu)從系統(tǒng)協(xié)調(diào)的角度極大的降低了整體系統(tǒng)相內(nèi)電壓和相間電壓均衡控制的難度。

4 結(jié) 論

提出了一種整流-逆變級雙星型交錯(cuò)連接以及多繞組共鐵芯變壓器新型結(jié)構(gòu)方式，從系統(tǒng)協(xié)調(diào)方式上很好的解決了由不平衡狀況帶來的直流電壓不均衡問題，通過改善電路連接以及變壓器結(jié)構(gòu)來降低系統(tǒng)電壓均衡控制策略的要求，簡化了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)整流-逆變級的故障隔離，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。