多重联结大功率直流电源控制策略研究

焦文良，　王旭东，　那日沙，　周凯，　隋鑫

(1.哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江科技大学 电气与控制学院，黑龙江 哈尔滨150027)



多重联结大功率直流电源控制策略研究

焦文良1,2，王旭东1，那日沙1，周凯1，隋鑫1

(1.哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江科技大学 电气与控制学院，黑龙江 哈尔滨150027)

摘要:大功率直流调速电源为提高功率因数采用顺序控制的多重联结整流器，但浅度控制时谐波较大，给电网带来了不容忽视的谐波危害，采用对多重联结整流器在顺序控制和同步控制时的输入侧电流的基波、谐波、谐波总畸变率、基波因数、功率因数等进行了波形及理论的对比分析方法，给出计算公式，得到了减小谐波的最佳控制策略。经过仿真与实验证明对于多重联结的大功率整流器的控制在深度控制时采用顺序控制，浅度控制时采用同步控制(并行控制)是大功率多重联结整流器的最佳控制策略，能实现在功率因数不变的前提下大幅度减小谐波。

关键词:功率因数；多重联结；顺序控制；谐波

0引言

在大功率直流调速电源领域，为了提高电网的功率因数，减小电动机电流纹波，常采用多重联结的整流器为直流电动机供电,有12相、18相，24相等整流供电[1-5]。很多文献为提高功率因数进行了变拓扑结构的研究，这种方法只是增加了整流器的脉动数而且是有级的，没有对控制方式进行分析与探讨[6-8]，有的只是提到顺序控制与同步控制(并行控制)没有对谐波进行定量分析与测量，也没有对整流器的控制方式进行讨论[9-11]，对于多重联结顺序控制的整流网侧电流谐波没有精确的定量分析，也就不能给出最佳的控制策略[11-14]。经理论分析和实际测试表明，多重联结顺序控制的整流器深度控制时，功率因数能够得到一定程度的提高，但控制程度很浅时谐波较大，对电网产生的危害也较大。本文将针对多重联结整流器不同控制深度时功率因数和谐波进行定量分析，得到最佳的控制策略并通过仿真及实验进行验证。

1不同控制方式的多重联结整流器谐波电流的定量分析

图1　变流器主电路Fig.1　Inverter main circuit

图2　α1=0°α2=30°时输入侧电流波形Fig.2　α1=0°α2=30° input side current waveform

(1)

式中：Id为整流器输出直流电流；ω为电源角频率，这里为100π。

运用叠加原理得网侧总电流为

(2)

通过式(2)可见，采用顺序控制的整流变压器输入侧电流中，5、7、17、19…次谐波依然存在，各次谐波的幅值都与Δα有关。

谐波电流含量的大小是谐波分析的关键。

电流谐波含量IH为

(3)

电流总畸变率THDi为

(4)

基波电流有效值

(5)

只要求出输入侧的线电流有效值IA，就可求出IH。

图3　不同Δα时的网侧电流波形Fig.3　Net side current waveform under different Δα

当0°≤Δα≤30°时，IA为

(6)

150°≤Δα≤180°时，IA为

(7)

经以上分析可知，Δα在0°～30°和150°～180°区间内，输入侧电流有效值是一恒值。

当30°<Δα<90°时

当90°<Δα<150°时

可得两个区间内电流有效值相同。即

(8)

将式(5)、式(6)、式(7)、式(8)代入式(3)，可得Δα在各区间的IH为

(9)

据式(9)绘出IH=f(Δα)曲线如图4所示。通过图4可以看出，谐波电流含量在Δα=30°时最大，为0.468Id，在Δα=150°时最小，为0.125Id。Δα在30°～150°区间内波谷和波峰出现在65.08°和114.92°处，对应的谐波含量标幺值为 0.291和0.388。Δα=0°即同步控制时为0.237。所以，在制定控制策略时应避免使Δα=30°。

图4　IH=f(Δα)曲线Fig.4　IH=f(Δα) curve

2不同控制方式的多重联结整流器的功率因数分析

二重联结顺序控制整流器的功率因数为：λ=ξcosφ，式中ξ为基波因数，ξ=I1/IA。据式(5)～式(8)可求出不同Δα时的ξ值，基波因数ξ在0～0.989之间变化。cosφ中，φ可表示为

(10)

在顺序控制中，一般一组桥的触发角固定，另一组桥的触发角变化，设α1固定，α2变化，则

(11)

可得各区间功率因数为

(12)

在0°≤Δα≤30°时

(13)

在30°<Δα<150°时

(14)

在150°≤Δα≤180°时

(15)

使两种控制方式时整流输出电压相同。比较同步控制和顺序控制的二重联结整流器的功率因数。

令UdT、UdS分别为同步控制和顺序控制时的输出电压，则

UdT=Udocosα,

式中：α为同步控制时的触发角；Udo为α为零度时整流器的输出电压。

令UdT=UdS，得

将Δα=0代入式(5)、式(6)求出ξ，再将ξ代入λ=ξcosα可得与顺序控制方案等效的同步控制方案的功率因数为

(16)

①为顺序控制α1=0°，②为同步控制α1=0°,③为顺序控制α1=30°，④为同步控制α1=30°。图5　两种控制方式下的功率因数曲线Fig.5　Power factor curves of two kinds of control modes

ΔαIA/IdI1/IdIH/IdTHDiξ01.5771.5590.2370.1520.989151.5771.5460.3130.2020.980301.5771.5060.4680.3110.955451.4831.4410.3520.2440.971601.3821.3500.2950.2180.977751.2731.2370.3020.2440.971901.1551.1030.3430.3110.9551051.0220.9490.3790.3990.9291200.8690.7800.3850.4940.8971350.6840.5970.3330.5590.8731500.4230.4040.1250.3110.9551650.4230.2040.3701.8200.482

据式(13)～式(16)，绘出α1=0°和α1=30°时两种控制方式下的功率因数变化曲线示于图5。结合前面的式(5)～式(9)可得出不同特殊角度时的IH、IA、I1、THDi，ξ值如表1所示。

在图5所示曲线中，通过曲线①和②可对比顺序控制α1=0°与同步控制的功率因数，当Δα>30°时，两种控制方式的功率因数相差较大，最大差在Δα=150°处，顺序控制的功率为0.247，同步控制的功率因数为0.067相差0．18。通过曲线③和④可对比顺序控制α1=30°与同步控制最小α=30°的功率因数，最大差值为0．072。在实际控制中一般最小α要不小于30°，所以顺序控制的功率因数高的优势已基本失去。

3最佳控制策略

一般在要求可逆运行的电气设备中，为了防止逆变失败，要设置最小逆变角，最小触发一般取αmin=βmin=30°。这时Δα有可能经常处在30°附近，由表1的数据分析可知，这时顺序控制的谐波最大，谐波含量为0.468，THDi为0.31——对电网的危害也较大。而此时如果将控制方式由顺序控制变为同步控制即Δα=0°,这时谐波含量为0.237,谐波含量减小了49.4%，THDi为0.152减小了51.1%，而Δα≤30°时顺序控制与同步控制的功率因数基本相同，可见这时采用同步控制才是最佳的控制策略。电机在低速运行时采用Δα=150°的控制方式，这时谐波含量仅为0.125。

4仿真及实验

为了验证理论分析的正确性，用Matlab软件对二重联结电路进行仿真分析。系统参数如下：电源电压380 V，变压器漏感1 mH,负载10 Ω，0.1 mH。仿真结果如图6所示,每个小图中上面为网侧电流波形，下面为网侧电流的1～50次谐波含量的柱状图，单位为占基波电流含量的百分比。

图6　不同Δα时输入电流波形及谐波含量分析结果Fig.6　　　　Input current waveform and harmonic content　　　 analysis under different Δα

通过分析仿真结果可得：在α1=α2=30°时THD=15.14%，α1=α2=60°时THD=15.05%，可知同步控制时网侧电流的谐波含量较小，而在α1=30°，α2=60°即Δα=30°时网侧电流的谐波含量最大THD=31.10%，而其它不同的Δα时THD值也都大于同步控制。这也验证了浅度控制时网侧电流谐波含量采用顺序控制要高于采用同步控制。

同时在实验室利用一台3.7 kW直流它励电机，采用二重联结整流器对其进行供电，采用不同Δα控制，用HIOKI 3194马达/谐波测试分析仪对变压器二次侧电流进行分析，结果如图7所示，图中横坐标为1～50次谐波，纵坐标为各次谐波占基波电流的百分比。由图7可知采用同步控制即Δα=0时网侧电流谐波含量最小。由图7可得到与采用Matlab仿真一样的结果，即浅度控制时应采用同步控制。

图7　不同Δα时网侧电流谐波频谱分析实测图Fig.7　　　　Analysis chart of grid side current harmonics spectrum of different Δα

5结论

通过对顺序控制的多脉动整流器网侧电流的谐波和功率因数的理论分析和仿真及实验结果可得，Δα在0°～180°范围内时，输入电流的谐波含量为三段连续函数，在Δα≤30°时，两种控制方式的功率因数基本相等，而采用顺序控制的整流器的输入电流的谐波含量比同步控制时要大很多，在Δα=30°时差得最多，多了49.4%。这时采用同步控制对于多脉动整流器来讲是最优控制；在Δα>30°时采用顺序控制的整流器的功率因数比同步控制时要大，而输入电流谐波含量方面，顺序控制比同步控制大部分区间要大一些，而在Δα=150°时顺序控制的输入电流谐波含量达到最小,为0.125。所以对于大功率直流调速电源采用多脉动整流器时，深度控制时采用顺序控制，浅度控制时采用同步控制是最佳控制策略。这种控制策略可以在不降低功率因数的前提下大幅度地减小网侧电流谐波含量，减小了对电网的谐波污染，增加了电机的保用寿命，同时还提高了系统调速性能，是大功率多脉动晶闸管整流器的最佳控制策略。

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(编辑：刘琳琳)

Control strategy of high power multiple connection dc power

JIAO Wen-liang1,2，WANG Xu-dong1，NA Ri-sha1，ZHOU Kai1，SUI Xin1

(1.School of Electrical and Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China; 2.School of Electrical and Control,Heilongjiang University of Science and Technology ,Harbin 150027,China)

Abstract:High power DC speed control power supply which can improve the power factor is a kind of multiple connection rectifier using sequential control, but it brings the grid large harmonic which cannot be ignored in shallow control.Wave and theory of the input side current，harmonic, total factor of harmonic distortion, fundamental wave factor and power factor were contrastively analyzed.Moreover, the best control strategy of reducing harmonic was also proposed through the calculating formula. For the control of high power multiple connection rectifier, the best control strategy is to use sequential control in depth control and synchronous control (parallel control) in shallow control which proved by simulation and experiment. In this method, harmonic is greatly reduced but the power factor is the same.

Keywords:power factor; multiple connection; sequential control; the harmonic

收稿日期:2014-07-03

基金项目：哈尔滨市应用技术研究与开发项目(2015RAQXJ058)

作者简介：焦文良(1971—)，男，博士研究生，研究方向为电力电子与电力传动；王旭东(1958—)，男，教授，博士生导师，研究方向为电力电子与电力传动；那日沙(1982—)，男，博士，研究方向电机驱动控制。

通讯作者:焦文良

DOI:10.15938/j.emc.2016.05.008

中图分类号:TM 921

文献标志码:A

文章编号:1007-449X(2016)05-0053-07