風(fēng)電變流器并聯(lián)控制的環(huán)流抑制策略研究

周 成，江宏玲，戴新榮，謝 芳

（1.安徽國(guó)際商務(wù)職業(yè)學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽合肥231131；2.安徽省(水利部淮河水利委員會(huì))水利科學(xué)研究院，安徽合肥230088；3.安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)站，安徽合肥230088；4.安徽大學(xué)工業(yè)節(jié)電與電能質(zhì)量控制協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽合肥230601）

隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的不斷加大，對(duì)大功率風(fēng)電變流器的需求日益突出。大功率風(fēng)電變流器一般可由較小功率的風(fēng)電變流器并聯(lián)得到。環(huán)流的存在導(dǎo)致絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）電流不均，使得IGBT功率器件的電流應(yīng)力不平衡，這導(dǎo)致IGBT功率器件長(zhǎng)期處于嚴(yán)重的熱狀態(tài)，最終導(dǎo)致IGBT器件燒毀[1-3]。因此，在并聯(lián)控制時(shí)如果不處理好環(huán)流問題，會(huì)降低系統(tǒng)的控制性能和發(fā)電效率，甚至造成系統(tǒng)不可恢復(fù)性崩潰，給用戶帶來巨大損失[4-5]。如何解決好環(huán)流問題成為變流器并聯(lián)的核心問題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)變流器的并聯(lián)控制進(jìn)行了相關(guān)的研究，文獻(xiàn)[1]提出了一種利用電抗器和減小零序電流控制算法來抑制動(dòng)態(tài)環(huán)流，控制效果較好，但算法較復(fù)雜。文獻(xiàn)[2]提出了一種主從式的變流器并聯(lián)控制方案，并聯(lián)系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行，但效率不高。文獻(xiàn)[3-6]分別給出了零序環(huán)流的控制算法、脈寬調(diào)制波重構(gòu)算法等控制算法，在很多變流器控制中得到了應(yīng)用，但算法復(fù)雜、成本較高?；谝陨涎芯看嬖诘膯栴}，在分析多種變流器控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)大功率變流器并聯(lián)控制，本課題組提出網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)獨(dú)立控制環(huán)流抑制策略。

1 環(huán)流等效數(shù)學(xué)模型

圖1所示為實(shí)際工程應(yīng)用中普遍采用的兩臺(tái)變流器共直流側(cè)并聯(lián)拓?fù)鋱D，變流器并聯(lián)控制必然帶來如圖1所示的環(huán)流問題。

圖1 變流器并聯(lián)時(shí)的環(huán)流

為了對(duì)兩臺(tái)變流器共直流側(cè)并聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)流分析，對(duì)圖1所示的機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)拓?fù)潆娐纷龅刃?shù)學(xué)模型的推導(dǎo)，得到并聯(lián)系統(tǒng)的等效平均模型。使用坐標(biāo)變換，每個(gè)相橋臂的數(shù)學(xué)模型等效到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系[7-8]，如圖2所示。圖2中各變量的下標(biāo)g、σ分別代表機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變量，下標(biāo)1、2分別代表機(jī)側(cè)或網(wǎng)側(cè)的兩個(gè)變流器，下標(biāo)d、q、z分別代表d軸、q軸、z軸（零軸）分量。eσz、egz分別為網(wǎng)、機(jī)側(cè)電勢(shì)的z軸（零軸）分量，ωσ為電網(wǎng)同步角速度、ωg為電機(jī)同步角速度，R為每相線路電阻（含電感電阻），d為變流器三相橋臂的占空比分量，i為環(huán)流。

圖2 （a） 并聯(lián)系統(tǒng)機(jī)側(cè)平均模型

圖2 （b） 并聯(lián)系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)平均模型

由圖2所示的并聯(lián)系統(tǒng)平均模型可知，機(jī)、網(wǎng)側(cè)的環(huán)流是相互獨(dú)立的。以機(jī)側(cè)環(huán)流為例（網(wǎng)側(cè)環(huán)流類似），兩機(jī)側(cè)變流器的各橋臂占空比Z軸分量不等（dgz1≠dgz2）是造成環(huán)流的主要原因，要控制環(huán)流需要調(diào)節(jié)dgz1或dgz2即可[9-10]。圖2所示的機(jī)、網(wǎng)側(cè)環(huán)流表達(dá)式為

2 兩種環(huán)流抑制策略

由上文分析可知，并聯(lián)變流器機(jī)、網(wǎng)測(cè)的環(huán)流相互獨(dú)立并且環(huán)流產(chǎn)生的主要原因是兩機(jī)側(cè)或網(wǎng)側(cè)變流器的三相橋臂占空比的零軸分量或。在進(jìn)行環(huán)流抑制時(shí)可對(duì)機(jī)、網(wǎng)側(cè)進(jìn)行分開設(shè)計(jì)，以機(jī)側(cè)環(huán)流抑制為例（網(wǎng)側(cè)可類似得到）有如圖3（a）和圖3（b）兩種環(huán)流抑制策略。

圖3 （a） 機(jī)側(cè)變流器分開控制策略

圖3（b） 機(jī)側(cè)變流器統(tǒng)一控制策略

圖3 （a）所示的環(huán)流抑制方法是：忽略機(jī)側(cè)變流器的并聯(lián)上、下橋臂PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的不一致問題。在機(jī)側(cè)變流器1的控制中加入零序電流控制，設(shè)計(jì)環(huán)流抑制器只抑制機(jī)側(cè)變流器1的環(huán)流，機(jī)器變流器2的環(huán)流自然得到抑制。使用電流傳感器測(cè)得機(jī)側(cè)變流器的三相電流并算出Z軸（零軸）電流信號(hào)（給定值為0）作為反饋信號(hào)送入環(huán)流抑制器，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器作為環(huán)流抑制器的輸出再分送補(bǔ)償?shù)饺鄻虮壅伎毡攘闶噶可蟻碚{(diào)整零軸分量dgz1，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)流的抑制。為了得到較理想的環(huán)流抑制效果對(duì)并聯(lián)上、下管的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的一致性要求較高，但這種控制策略實(shí)際上是機(jī)側(cè)變流器1和2各采用一套電流環(huán)控制，并聯(lián)上、下管的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別由各自電流環(huán)輸出控制。如圖4所示，當(dāng)兩套電流環(huán)控制輸出的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)不一致、A橋臂的上管A1導(dǎo)通時(shí)，A橋臂的下管A4可能導(dǎo)通，這樣電流會(huì)從直流母線的正極經(jīng)過A1和A4再流入直流母線的負(fù)極形成橋臂間環(huán)流。

圖4 橋臂之間環(huán)流

圖3 （b）所示環(huán)流抑制方法是：考慮如圖4所示的并聯(lián)上、下管的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的一致性。采用機(jī)側(cè)兩個(gè)變流器用一個(gè)DSP控制（網(wǎng)側(cè)類似），也就是機(jī)側(cè)并聯(lián)采用一個(gè)電流環(huán)控制。該控制策略通過將電流傳感器檢測(cè)到的兩個(gè)變流器的三相電流之和送入PI調(diào)節(jié)器的反饋端，電流環(huán)的給定由轉(zhuǎn)矩控制算法得到，通過一個(gè)電流環(huán)調(diào)節(jié)后輸出信號(hào)經(jīng)過SVPWM來控制兩并聯(lián)變流器的開通和關(guān)斷。在并聯(lián)側(cè)采用同一個(gè)載波和同一個(gè)調(diào)制信號(hào)，避免了圖3（a）所示控制策略的上、下橋臂PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的不一致問題，從而達(dá)到抑制橋臂環(huán)流的目的。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)仿真參數(shù)為網(wǎng)側(cè)濾波參數(shù)L=0.6 mH、C=160 uF，且給定無功電流均為400 A。仿真波形如圖5所示，圖5（a）所示為未加環(huán)流抑制的波形，可以看出兩并聯(lián)輸出的電流不一致；圖5（b）所示為加入環(huán)流抑制后的電流波形，可以看到電流波形基本重合，環(huán)流減小。

圖5 環(huán)流抑制策略仿真。（a）加環(huán)流抑制的波形；（b）加環(huán)流抑制的波形

基于上述仿真，搭建了小功率實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展控制方案的相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)框圖如圖6所示。DSP2808主要用于電壓、電流等信號(hào)采樣和算法處理等，F(xiàn)PGAEP2C8主要用于調(diào)節(jié)占空比和系統(tǒng)故障處理等。變流器逆變橋采用英飛凌公司的FF100R12RT4 搭建，其電流和電壓等級(jí)為100 A 和1 200 V。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制結(jié)構(gòu)框圖

當(dāng)給定電流一致且交流側(cè)接入的電感較大時(shí)，采用圖3所示的兩種控制策略均能獲得如圖7所示的基本沒有環(huán)流的良好控制效果。

圖7 參數(shù)相同時(shí)電流波形

圖8 給定電流不一致時(shí)電流波形

圖9 濾波電感很小時(shí)兩種控制策略電流波形。（a）圖3（a）控制策略電流波形；（b）圖3（b）控制策略電流波形

當(dāng)給定電流不一致且交流側(cè)接入的電感較大時(shí)，采用圖3（a）所示的控制策略得到圖8所示電流波形，實(shí)驗(yàn)波形表明，在加入環(huán)流抑制后波形有所改善，環(huán)流抑制控制有一定的效果。但是當(dāng)機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)接入0.02 mH的小電感時(shí)，則并聯(lián)會(huì)產(chǎn)生較大的環(huán)流，圖3（a）所示的控制策略會(huì)使變流器產(chǎn)生如圖9（a）所示的系統(tǒng)過流保護(hù)，系統(tǒng)工作性能很差，甚至導(dǎo)致變流器系統(tǒng)停機(jī)。而采用圖3（b）所示的控制策略則可以正常并網(wǎng)運(yùn)行并且基本沒有環(huán)流，電流波形如圖9（b）所示。因此，實(shí)際的變流器中機(jī)側(cè)的電感通常都較小，為了得到良好的環(huán)流抑制和控制效果應(yīng)選擇圖3（b）控制策略。

4 結(jié) 論

綜上所述理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了環(huán)流抑制策略的可行性，結(jié)論主要為并聯(lián)變流器各橋臂占空比z軸分量不等（dgz1≠dgz2或dσz1≠dσz2）是造成環(huán)流和電流波形畸變的主因。共直流側(cè)并聯(lián)時(shí)機(jī)/網(wǎng)側(cè)環(huán)流互相獨(dú)立，兩側(cè)抑制方案可分開設(shè)計(jì)。當(dāng)濾波電感參數(shù)很小時(shí)采用第二種控制策略可確保穩(wěn)定運(yùn)行并取得較好的環(huán)流抑制效果和良好的控制性能。