并聯(lián)整流器環(huán)流控制策略研究

馬晨驍， 李鴻奎， 曾文婷， 王啟龍

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012;2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司,山東 菏澤 274000)

0 引 言

三相PWM變換器廣泛應(yīng)用于低壓大電流設(shè)備。隨著變換器容量的增加，整流器并聯(lián)因其具有簡(jiǎn)單、低成本和高靈活性等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。然而，當(dāng)并聯(lián)整流器的共直流母線和共交流母線時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生零序環(huán)流。環(huán)流會(huì)導(dǎo)致輸入電流畸變和降低系統(tǒng)的輸出性能[1-3]。因此，零序環(huán)流抑制已經(jīng)成為目前研究的焦點(diǎn)。

文獻(xiàn)[4-5]采用隔離變壓器的方法實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)變換器的零序環(huán)流抑制，但是該方法會(huì)增加并聯(lián)系統(tǒng)的體積和成本。文獻(xiàn)[6]提出通過硬件方法實(shí)現(xiàn)高頻零序環(huán)流抑制，但是該方法不能抑制低頻零序環(huán)流。

為了降低并聯(lián)系統(tǒng)成本，研究人員提出相關(guān)的控制方法，在不增加成本和體積的情況下，實(shí)現(xiàn)零序環(huán)流的有效抑制。

文獻(xiàn)[7]采用SHEPWM調(diào)制方法消除三次諧波，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)變換器零序環(huán)流抑制。文獻(xiàn)[8-9]提出一種非線性的控制方法，該方法雖然能夠有效地抑制并聯(lián)變換器的環(huán)流，但是該方法在實(shí)際工程中并不適用。文獻(xiàn)[10]通過改變調(diào)制的方法，實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)變換器的零序環(huán)流抑制。

文獻(xiàn)[11]針對(duì)并聯(lián)逆變器，提出一種改變零矢量調(diào)制方法，實(shí)現(xiàn)零序環(huán)流有效抑制。在上述基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[12]采用預(yù)測(cè)控制方法實(shí)現(xiàn)了輸出電流和電感不相等情況的零序環(huán)流抑制,文獻(xiàn)[13]采用混合調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)并聯(lián)逆變器的零序環(huán)流抑制。

但是，上述方法都是針對(duì)逆變器并聯(lián)的零序環(huán)流抑制，目前還未有整流器并聯(lián)的零序環(huán)流抑制方法的報(bào)道。

為此，本文提出一種比例諧振控制實(shí)現(xiàn)并聯(lián)整流器零序環(huán)流抑制。此外，為了能夠更好地抑制并聯(lián)整流器的零序環(huán)流，在上述基礎(chǔ)上，提出一種雙采樣零序環(huán)流抑制方法，實(shí)現(xiàn)整流器并聯(lián)的最優(yōu)控制。仿真和試驗(yàn)表明：和現(xiàn)有方法相比，新方法的零序環(huán)流抑制能力增強(qiáng)，輸出電流波形得到進(jìn)一步改善。

1 三相整流器并聯(lián)的環(huán)流抑制理論

圖1為兩電平整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在理想情況下，兩電平整流器的并聯(lián)并不會(huì)存在環(huán)流。

圖1 兩電平整流器并聯(lián)拓?fù)?/p>

但是實(shí)際情況會(huì)存在一些輸入電流不相等和電路參數(shù)不相等情況，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生零序環(huán)流，因此，需要對(duì)其進(jìn)行環(huán)流抑制。

以兩電平整流器的N點(diǎn)作為參考點(diǎn)，根據(jù)基爾霍夫定律得到整流器的數(shù)學(xué)模型為：

(1)

式中:Vai、Vbi、Vci為兩電平整流器并聯(lián)的輸出相電壓；ea、eb、ec為電網(wǎng)電壓；iai、ibi、ici為兩電平整流器并聯(lián)的輸入電流；uON為電網(wǎng)O點(diǎn)的電壓；Li為并聯(lián)兩電平整流器濾波電感。

眾所周知，單臺(tái)整流器由于沒有環(huán)路，因此并不存在零序環(huán)流。但是對(duì)于多臺(tái)整流器的并聯(lián)情況來說，由于具有環(huán)路存在，因此會(huì)產(chǎn)生零序環(huán)流。對(duì)于兩臺(tái)整流器來說，環(huán)流的大小相等，方向相反，可表示為：

iz=iz1=-iz2

(2)

為了實(shí)現(xiàn)三相整流器的控制，需要對(duì)其坐標(biāo)變換，將三相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為d-q-z軸，變換矩陣表示為：

三相整流器通過坐標(biāo)變換能夠變?yōu)椋?/p>

(4)

(5)

(6)

式中：ix1和ix2為整流器輸入電流;dx1、dx2為整流器1和2的占空比；dz1、dz2為并聯(lián)整流器的零序占空比;Vdc為直流側(cè)電壓。

化簡(jiǎn)能夠得到并聯(lián)整流器的零序環(huán)流表達(dá)式為：

(7)

式中：dz1、dz2為整流器1、2的零序占空比。

2 并聯(lián)整流器零序環(huán)流控制

兩電平整流器由2個(gè)零矢量和6個(gè)非零矢量組成，零矢量的作用時(shí)間不會(huì)影響整流器的輸入電流和線電壓，因此，可以通過改變零矢量作用時(shí)間實(shí)現(xiàn)零序環(huán)流抑制。

兩電平整流器的空間矢量調(diào)制如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)并聯(lián)整流器零序環(huán)流抑制，對(duì)零矢量進(jìn)行控制。

圖2 整流器矢量分配圖

因此，得到并聯(lián)整流器的零序占空比可表示為：

(8)

式中：yi為整流器i中零矢量的修正占空比。

兩臺(tái)并聯(lián)整流器的零序電流占空比之差為:

(9)

為了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單控制，只需要對(duì)其中一臺(tái)整流器進(jìn)行控制，式(9)能夠簡(jiǎn)化為：

(10)

第一臺(tái)整流器的零序環(huán)流的模型能夠表示為：

(11)

圖3 并聯(lián)整流器零序占空比

整流器的電感參數(shù)和輸入電流參數(shù)不相等式，將引起零序占空比不同。從圖3中可以看出，兩臺(tái)整流器的零序占空比為三次波形，因此可以通過比例諧振控制實(shí)現(xiàn)零序環(huán)流抑制。

PR控制器能夠?qū)崿F(xiàn)并聯(lián)整流器零序環(huán)流抑制，采用的比例積分諧振控制器表示為：

(12)

式中：kr和kp分別為諧振和比例諧振參數(shù);ξ為阻尼系數(shù);ωg為三倍頻頻率。

3 雙采樣環(huán)流抑制方法

假設(shè)Vdc恒定，為了實(shí)現(xiàn)并聯(lián)整流器的零序環(huán)流抑制，需要將逆變器1的輸入和給定做差，然后差值再通過比例諧振控制器實(shí)現(xiàn)零序環(huán)流抑制。并聯(lián)系統(tǒng)的零序環(huán)流控制框圖如圖4所示。

圖4 PR控制框圖

系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)能夠表示為：

(13)

開環(huán)的截止頻率表示為：

(14)

從式(13)可以看出，Td和TPWM為采樣延遲時(shí)間和PWM時(shí)間，Td+TPWM會(huì)限制零序環(huán)流環(huán)的控制帶寬，因此，零序環(huán)流控制將受到一定影響。為了改進(jìn)性能，需要減小Td+TPWM的值。

因此，本文采用雙采樣方法，實(shí)現(xiàn)零序環(huán)流抑制，即在載波的中間控制零序環(huán)流，從而實(shí)現(xiàn)零序環(huán)流的有效抑制。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了證明本文所提算法的正確性，本文通過試驗(yàn)驗(yàn)證并聯(lián)整流器零序環(huán)流抑制效果，試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

圖5為給定電流從10 A跳變到24 A試驗(yàn)波形。通過波形可以看出，采用本文提出方法，并網(wǎng)電流波形質(zhì)量良好，電流諧波為1.5%。

圖5 采用提出方法的整流器輸入電流和電網(wǎng)電壓波形

圖6為并聯(lián)整流器參數(shù)都相等的電流和環(huán)流波形，但是由于控制參數(shù)不同和死區(qū)不同等情況，均會(huì)造成零序環(huán)流。從圖中可以看出，PI控制器只能在一定程度上抑制零序環(huán)流，但是不能從根本上消除零序環(huán)流，采用本文提出方法以后，能夠很好地抑制零序環(huán)流。輸入電流的波形得到明顯改善。

圖6 電感為3 mH和參考電流為12 A時(shí)試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)際情況會(huì)存在電感和電流不相等情況，圖7為電流和電感不相等情況的仿真波形，傳統(tǒng)PI控制不能很好地抑制零序環(huán)流，但是本文提出方法能夠很好地抑制零序環(huán)流。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)并聯(lián)整流器，提出一種新型零序環(huán)流抑制方法。首先分析并聯(lián)整流器的零序環(huán)流模型，改變零矢量作用時(shí)間實(shí)現(xiàn)零序環(huán)流抑制。此外，為了能夠更好地抑制并聯(lián)整流器的零序環(huán)流，在上述基礎(chǔ)上，提出一種雙采樣零序環(huán)流抑制方法，實(shí)現(xiàn)整流器并聯(lián)的最優(yōu)控制。最后通過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了提出算法的正確性。該方法能夠適用于電感和電流不相等的工況下，具有非常好的實(shí)際意義。

圖7 電感為3 mH, 5 mH和給定電流為20 A,12 A時(shí)的輸入電流和零序環(huán)流仿真結(jié)果