張學廣 陳佳明 張文杰 徐殿國

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并聯(lián)三相PWM變換器零序環(huán)流帶寬擴展

張學廣 陳佳明 張文杰 徐殿國

（哈爾濱工業(yè)大學電氣工程及自動化學院 哈爾濱 150001）

三相PWM變換器并聯(lián)系統(tǒng)運行時會產(chǎn)生環(huán)流。為解決并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流問題，本文提出一種零序電流環(huán)帶寬擴展策略。在分析并聯(lián)模塊環(huán)流模型的基礎(chǔ)上，詳細研究了變換器的參數(shù)差異和數(shù)字控制器的延時對零序電流環(huán)帶寬的限制，利用電壓零矢量前饋控制消除了變換器參數(shù)差異和運行狀態(tài)不同對零序電流環(huán)帶寬設計的限制，并結(jié)合單個載波周期內(nèi)雙次電流采樣雙次PWM更新方式（DSDU）有效增加了零序電流環(huán)的帶寬。該方法不需要提高系統(tǒng)的開關(guān)頻率，具有動態(tài)響應快和環(huán)流抑制效果好的優(yōu)點，能夠在并聯(lián)模塊濾波電感不同及給定電流不同的情況下，獲得較好的環(huán)流控制效果。實驗結(jié)果驗證了理論分析的正確性和控制策略的有效性。

三相PWM變換器并聯(lián) 環(huán)流控制 帶寬擴展 電壓零矢量前饋

0 引言

三相PWM變換器廣泛應用于風力發(fā)電、光伏發(fā)電等低壓大電流場合[1]。利用變換器并聯(lián)來提高系統(tǒng)的功率等級是目前普遍采用的方法。然而，變換器共直流母線且交流側(cè)直接并聯(lián)時會帶來環(huán)流問題[2]。抑制環(huán)流問題是目前該領(lǐng)域的研究重點。

消除環(huán)流最簡單的方法是采用硬件隔離并聯(lián)方式，利用多繞組變壓器或獨立直流源切斷環(huán)流通路[3,4]，從根本上消除環(huán)流。這種方法簡單易行，但需要使用變壓器或額外的直流源，硬件體積較大，成本較高。采用直接并聯(lián)方式可克服隔離并聯(lián)方式的不足。在直接并聯(lián)方式中，最簡單的環(huán)流抑制方法是在環(huán)流通路上增加電抗器[5]，這種通過硬件形成高阻抗的方法可有效抑制高頻環(huán)流，但對于中低頻環(huán)流的抑制作用有限。

對于環(huán)流問題，目前研究較多的是從控制算法上對環(huán)流進行抑制。文獻[6]通過對變換器內(nèi)各相和并聯(lián)變換器間載波移相的方式減小模塊間的環(huán)流，這種開環(huán)控制方法能夠減小并網(wǎng)電流的畸變，但不能從根本上消除環(huán)流。文獻[7]采用主從控制方式將從變換器的調(diào)制電壓控制到與主變換器相同以實現(xiàn)對環(huán)流的抑制，這種開環(huán)控制方式同樣不能從根本上抑制環(huán)流。文獻[8]采用指定諧波消除的方法抑制環(huán)流，該方法能夠同時對環(huán)流的低頻和高頻分量進行抑制，環(huán)流控制效果好，但系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高。文獻[9,10]通過PI控制算法調(diào)節(jié)零矢量的分配來抑制環(huán)流，該方法因控制結(jié)構(gòu)清晰，比較容易實現(xiàn)而得到普遍采用，但是環(huán)流抑制效果受零序電流環(huán)的帶寬限制，并不適于并聯(lián)模塊電感不同及給定電流不同的情況。因此，本文在環(huán)流PI控制方法的基礎(chǔ)上研究了零序電流環(huán)帶寬擴展策略。

三相并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流可分為低頻和高頻分量，其中低頻分量是環(huán)流的主要成分。在低壓大電流環(huán)境下，由于大功率開關(guān)器件開關(guān)頻率的限制，低頻環(huán)流是環(huán)流抑制的主要目標。提高零序電流環(huán)的控制帶寬，能夠改善環(huán)流抑制的效果。然而，功率器件的開關(guān)頻率低、數(shù)字控制器的延時[11]以及干擾量的存在均會制約電流環(huán)帶寬。因此在不提高功率器件開關(guān)頻率的前提下減小控制器的延時、排除干擾量的影響對于提高零序電流環(huán)帶寬、改善零序環(huán)流控制效果具有非常重要的意義。

本文針對共直流母線交流側(cè)直接并聯(lián)三相PWM變換器系統(tǒng)的環(huán)流控制方法進行了研究。首先給出并聯(lián)三相PWM變換器數(shù)學模型，分析環(huán)流產(chǎn)生的原因和抑制方法以及限制環(huán)流電流環(huán)帶寬的主要因素，在傳統(tǒng)環(huán)流PI控制方法的基礎(chǔ)上，提出利用雙次電流采樣和雙次PWM占空比輸出更新（Dual currents Sampling and Dual PWM duty ratios Update，DSDU）方式來擴展零序電流環(huán)帶寬，并結(jié)合電壓零矢量前饋排除干擾量影響的控制策略，有效提高零序電流環(huán)的動態(tài)響應，改善環(huán)流的控制效果。最后通過實驗驗證了所提方法的有效性。

1 并聯(lián)三相PWM變換器環(huán)流控制原理

1.1 并聯(lián)三相PWM變換器平均數(shù)學模型

圖1為共直流母線的交流側(cè)直接并聯(lián)的三相PWM變換器拓撲結(jié)構(gòu)。這種并聯(lián)結(jié)構(gòu)中兩個變換器同一相的上、下橋臂的開關(guān)管、直流源和交流濾波電感共同形成了零序環(huán)流回路。兩變換器模塊間的零序環(huán)流為

式中，=1,2分別表示圖1中的上、下兩個模塊。并聯(lián)變換器開關(guān)管的異步動作是環(huán)流產(chǎn)生的根本原因。功率開關(guān)管參數(shù)分散性、并聯(lián)模塊的交流濾波電感的差異以及不同模塊輸出電流的差異均會造成開關(guān)管的異步動作，導致環(huán)流的產(chǎn)生。以直流側(cè)負極為參考點，圖示電流方向為參考方向，得到同步旋轉(zhuǎn)坐標系下變換器并聯(lián)結(jié)構(gòu)的平均模型

圖1 并聯(lián)三相PWM變換器拓撲結(jié)構(gòu)

Fig.1 Topology structure of parallel connection system of three-phase PWM converter