李辉,王毅,杨晓萍

(西安理工大学 水利水电学院, 陕西 西安 710048)

三相整流器并联运行环流抑制策略

李辉,王毅,杨晓萍

(西安理工大学 水利水电学院, 陕西 西安 710048)

整流器直接并联运行可以提高系统的可靠性和效率,减少成本,且易于模块化设计。但是整流器开关动作以及控制参数的不一致性会产生环流,导致整流器损耗增加,从而迫使整流器降低功率等级运行。控制环流是并联整流器设计的一个重要目标。本文以三相PWM整流器并联系统为例建立了环流的数学模型,针对环流问题,分析了影响环流大小的因素,验证了一个PWM周期内零矢量分布的改变不会影响控制目标,并通过控制空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法中零矢量在每个PWM周期中的作用时间对环流加以抑制。最后通过Matlab仿真对本文的控制策略进行了验证。

三相整流器; 直接并联运行; 零序环流; 数学模型; 零矢量控制

随着环境保护意识的逐渐加强和能源需求的日益突出,新能源技术越来越成为学者研究的热点,整流器作为新能源的核心技术之一,在供配电系统中得到广泛应用。为了满足系统对容量和可靠性的要求,整流器并联技术被广泛采用。整流器并联技术不仅可以在保持整流器开关现有耐电压和耐电流水平不变的情况下,提高整个系统的功率等级、可靠性以及效率,减小电流和电压的纹波,而且有利于系统的模块化设计,易于系统重新配置,提高了系统的灵活性。零序环流是整流器并联系统中的特有问题,并联整流器的器件参数、开关动作以及控制参数的差异,都会导致环流产生。环流会增加功率器件的损耗,降低系统的效率。为了解决环流问题,传统的方法是使用独立的直流侧[1],或者采用交流侧变压器隔离[2],或者使用抽头电抗来提高零序阻抗[3]等。这些方法虽然能够有效降低环流大小,但是均增加了系统成本、重量及体积。文献[4]在传统的正弦波脉宽调制(SPWM)中实现了环流的比例—积分(PI)闭环控制,代价是降低了直流母线的利用率;文献[5]采用了非线性控制来提高并联系统的稳定性和抑制环流,但比较难以实现;文献[6]使用了准谐振控制器来抑制三倍频及其以上的零序环流,但在某些情况下还存在基频的零序环流;文献[7]在三相坐标下对环流进行了详细的建模和定义,指出了环流中可能存在的成分,但其数学表达复杂,物理概念不清晰。本文在分析零矢量作用效果的基础上,阐述了通过控制空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法中零矢量在每个PWM周期中的作用时间来控制环流的策略,并通过Matlab仿真对本文的控制策略进行了验证。

1 环流产生原理

直流侧和交流侧直接并联的整流器系统如图1所示。图中a、b、c为交流侧三相,a1、b1、c1分别为整流器1的三相,a2、b2、c2分别为整流器2的三相,N、P分别为直流端负极和正极。当上、下两套三相整流器的触发脉冲时间不一致时,会导致两套整流器工作不同步,这时电流可能同时在两套整流器中流通,从而形成环流[8]。以a、b两相为例,当两整流器a相上桥臂和b相下桥臂导通时,电流回路如图1所示。当上、下两套整流器触发脉冲时间不完全同步时,会形成电流回路P-a1-a-a2-N-P。在a相和c相、b相和c相之间也存在这样的电流回路。

此时电流不经过电网而由两套整流器构成电流回路,形成环流,使输出电流不平衡,导致整流器的性能变差。

2 零序环流的数学模型

(1)

由基尔霍夫定律可得三相整流器的状态空间方程:

(2)

(3)

式中,p为微分算子d/dt。

系统处于稳态时,三相整流器工作在单位功率因数下,输出的直流电压vdc可近似为一个常数,相电流都近似正弦化,并与输入相电压同相。同样,为了方便系统控制器的设计,通常需要将三相静止坐标系下的系统转换为旋转坐标系下的系统模型。

转换后,可得到旋转坐标系下的变量。由于单个整流器不构成环流通路,所以iz=0,因此,省略z轴分量的单个三相整流器在旋转坐标系下的平均模型为:

(4)

(5)

当三相整流器并联于系统中时,零序电流因为存在流通路径而不为零。设整流器1和整流器2的z轴电流分别为iz1和iz2,电压为vz,那么零序电流可表示为:

(6)

并联以后直流侧电容变为2C,电阻的阻值变为Rl/2。那么并联三相整流器在同步旋转坐标系下的平均模型为:

(7)

(8)

(9)

(10)

根据式(6)的定义,式(7)～(9)可化简为:

(11)

(12)

(13)

(14)

根据式(11)～(14),并联整流器的平均模型的等效电路图如图4所示。

3 并联三相整流器的环流控制

(15)

(16)

由式(14)、(16),得:

(17)

在两个三相整流器并联系统中,通过电流传感器检测到零序电流之后,经过调制,可以得到需要的k值,如式(17)中的k1、k2。通过PI调节器实时调节k的值,能够使并联整流器组中两整流器开关动作保持一致,从而使零序电流得到有效抑制。带有零矢量控制的控制原理图如图7所示。

当引入k改变零矢量占空比时,首先要通过SVPWM调制算法计算出零矢量与有效矢量的作用时间T0、T1、T2,由T0得到V7(111)的作用时间kT0,然后计算出各扇区脉冲切换时刻,控制脉冲在这些时刻发生相应跳变。

以电压矢量在第一扇区为例,根据图6,可得到第Ⅰ扇区脉冲跳变时刻。仿真模型如图8所示,图中T0、T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7分别为图6中横坐标对应的8个时间点,Tx、Ty分别为所需计算的有效矢量的作用时间。

4 仿真结果与分析

根据零序环流控制方法,在Matlab/Simulink中搭建三相整流器直接并联的模型。并联模型中,模块1采用常规调制方式,即k=0.5;模块2加入零矢量控制环节,检测环流iz并与给定值0做差,差值经过PI调节器得到k,由k改变功率器件开关时刻,从而达到抑制环流的目的。仿真参数如表1所示。

仿真结果如图9所示,在无零矢量控制环节中,存在一个低频波动且比较杂乱的电流,即零序环流。对相电流ia1、ia2进行傅里叶分析,得到ia1的THD(Total Hormonic Distortion)=5.98%,ia2的THD=5.03%。说明相电流有一定程度的畸变。

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系统加入零矢量控制以后的各电流波形如图10所示。从图中可看出,零序环流基本得到抑制,只存在高频电流纹波,ia1的THD=2.91%,ia2的THD=2.94%,相电流畸变率变小,波形得到明显改善。

由图9、10的合成电流iA的波形可知,零序环流的存在不影响合成电流的波形。这说明环流不经过电网由两套整流器构成环流通路,因此会损坏功率器件,引入变量k使环流得到抑制,从而保护了功率器件。

图11给出了并联系统中单个三相整流器有/无零矢量控制的dq轴电流。

由图可知,加入零矢量控制后,d轴电流分量波动有所减小,这说明零矢量控制可以减小系统电流畸变率。同时,图11也说明零序分量与dq轴分量相互独立,零序环流控制基本不影响单个整流器dq轴电流,引入变量k不会影响交流电流等控制目标,从而验证了环流控制策略的正确性。

5 结 论

本文分析了并联系统中环流产生的原理。在并联三相整流器平均模型的基础上,建立了零序环流的数学模型,通过控制零矢量V7(111)在一个开关周期中的作用时间来抑制环流。从仿真结果可以看出:零序环流得到有效抑制,系统相电流畸变率降低;验证了在系统参数有差异的情况下,控制策略的正确性和有效性。

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(责任编辑 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

国家自然科学基金资助项目(51209172)。

李辉,男,讲师,研究方向为水电机组、风电机组的监测、诊断与控制。E-mail:lihui@mail.xaut.edu.cn。

TM461

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