周 成，江宏玲，戴新榮，謝 芳

（1.安徽國際商務(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)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)控制時如果不處理好環(huán)流問題，會降低系統(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。國內(nèi)外學(xué)者對變流器的并聯(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。基于以上研究存在的問題，在分析多種變流器控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對大功率變流器并聯(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所示為實際工程應(yīng)用中普遍采用的兩臺變流器共直流側(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)時的環(huán)流

為了對兩臺變流器共直流側(cè)并聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)流分析，對圖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)流抑制時可對機(jī)、網(wǎng)側(cè)進(jìn)行分開設(shè)計，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)動信號的不一致問題。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。使用電流傳感器測得機(jī)側(cè)變流器的三相電流并算出Z軸（零軸）電流信號（給定值為0）作為反饋信號送入環(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，從而實現(xiàn)環(huán)流的抑制。為了得到較理想的環(huán)流抑制效果對并聯(lián)上、下管的PWM驅(qū)動信號的一致性要求較高，但這種控制策略實際上是機(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)動信號分別由各自電流環(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)動信號不一致、A橋臂的上管A1導(dǎo)通時，A橋臂的下管A4可能導(dǎo)通，這樣電流會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)動信號的一致性。采用機(jī)側(cè)兩個變流器用一個DSP控制（網(wǎng)側(cè)類似），也就是機(jī)側(cè)并聯(lián)采用一個電流環(huán)控制。該控制策略通過將電流傳感器檢測到的兩個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，通過一個電流環(huán)調(diào)節(jié)后輸出信號經(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)采用同一個載波和同一個調(diào)制信號，避免了圖3（a）所示控制策略的上、下橋臂PWM驅(qū)動信號的不一致問題，從而達(dá)到抑制橋臂環(huán)流的目的。

3 仿真與實驗

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，搭建了小功率實驗平臺開展控制方案的相關(guān)實驗驗證。實驗平臺的系統(tǒng)框圖如圖6所示。DSP2808主要用于電壓、電流等信號采樣和算法處理等，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，其電流和電壓等級為100 A 和1 200 V。

圖6 實驗平臺控制結(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，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)相同時電流波形

圖8 給定電流不一致時電流波形

圖9 濾波電感很小時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，采用圖3（a）所示的控制策略得到圖8所示電流波形，實驗波形表明，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，則并聯(lián)會產(chǎn)生較大的環(huán)流，圖3（a）所示的控制策略會使變流器產(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驗驗證了環(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。當(dāng)濾波電感參數(shù)很小時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。