并联三相PWM变换器零序环流带宽扩展

张学广 陈佳明 张文杰 徐殿国



并联三相PWM变换器零序环流带宽扩展

张学广 陈佳明 张文杰 徐殿国

（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 哈尔滨 150001）

三相PWM变换器并联系统运行时会产生环流。为解决并联系统环流问题，本文提出一种零序电流环带宽扩展策略。在分析并联模块环流模型的基础上，详细研究了变换器的参数差异和数字控制器的延时对零序电流环带宽的限制，利用电压零矢量前馈控制消除了变换器参数差异和运行状态不同对零序电流环带宽设计的限制，并结合单个载波周期内双次电流采样双次PWM更新方式（DSDU）有效增加了零序电流环的带宽。该方法不需要提高系统的开关频率，具有动态响应快和环流抑制效果好的优点，能够在并联模块滤波电感不同及给定电流不同的情况下，获得较好的环流控制效果。实验结果验证了理论分析的正确性和控制策略的有效性。

三相PWM变换器并联 环流控制 带宽扩展 电压零矢量前馈

0 引言

三相PWM变换器广泛应用于风力发电、光伏发电等低压大电流场合[1]。利用变换器并联来提高系统的功率等级是目前普遍采用的方法。然而，变换器共直流母线且交流侧直接并联时会带来环流问题[2]。抑制环流问题是目前该领域的研究重点。

消除环流最简单的方法是采用硬件隔离并联方式，利用多绕组变压器或独立直流源切断环流通路[3,4]，从根本上消除环流。这种方法简单易行，但需要使用变压器或额外的直流源，硬件体积较大，成本较高。采用直接并联方式可克服隔离并联方式的不足。在直接并联方式中，最简单的环流抑制方法是在环流通路上增加电抗器[5]，这种通过硬件形成高阻抗的方法可有效抑制高频环流，但对于中低频环流的抑制作用有限。

对于环流问题，目前研究较多的是从控制算法上对环流进行抑制。文献[6]通过对变换器内各相和并联变换器间载波移相的方式减小模块间的环流，这种开环控制方法能够减小并网电流的畸变，但不能从根本上消除环流。文献[7]采用主从控制方式将从变换器的调制电压控制到与主变换器相同以实现对环流的抑制，这种开环控制方式同样不能从根本上抑制环流。文献[8]采用指定谐波消除的方法抑制环流，该方法能够同时对环流的低频和高频分量进行抑制，环流控制效果好，但系统的开关频率较高。文献[9,10]通过PI控制算法调节零矢量的分配来抑制环流，该方法因控制结构清晰，比较容易实现而得到普遍采用，但是环流抑制效果受零序电流环的带宽限制，并不适于并联模块电感不同及给定电流不同的情况。因此，本文在环流PI控制方法的基础上研究了零序电流环带宽扩展策略。

三相并联系统的环流可分为低频和高频分量，其中低频分量是环流的主要成分。在低压大电流环境下，由于大功率开关器件开关频率的限制，低频环流是环流抑制的主要目标。提高零序电流环的控制带宽，能够改善环流抑制的效果。然而，功率器件的开关频率低、数字控制器的延时[11]以及干扰量的存在均会制约电流环带宽。因此在不提高功率器件开关频率的前提下减小控制器的延时、排除干扰量的影响对于提高零序电流环带宽、改善零序环流控制效果具有非常重要的意义。

本文针对共直流母线交流侧直接并联三相PWM变换器系统的环流控制方法进行了研究。首先给出并联三相PWM变换器数学模型，分析环流产生的原因和抑制方法以及限制环流电流环带宽的主要因素，在传统环流PI控制方法的基础上，提出利用双次电流采样和双次PWM占空比输出更新（Dual currents Sampling and Dual PWM duty ratios Update，DSDU）方式来扩展零序电流环带宽，并结合电压零矢量前馈排除干扰量影响的控制策略，有效提高零序电流环的动态响应，改善环流的控制效果。最后通过实验验证了所提方法的有效性。

1 并联三相PWM变换器环流控制原理

1.1 并联三相PWM变换器平均数学模型

图1为共直流母线的交流侧直接并联的三相PWM变换器拓扑结构。这种并联结构中两个变换器同一相的上、下桥臂的开关管、直流源和交流滤波电感共同形成了零序环流回路。两变换器模块间的零序环流为

式中，=1,2分别表示图1中的上、下两个模块。并联变换器开关管的异步动作是环流产生的根本原因。功率开关管参数分散性、并联模块的交流滤波电感的差异以及不同模块输出电流的差异均会造成开关管的异步动作，导致环流的产生。以直流侧负极为参考点，图示电流方向为参考方向，得到同步旋转坐标系下变换器并联结构的平均模型

图1 并联三相PWM变换器拓扑结构

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