并联整流器环流控制策略研究

马晨骁， 李鸿奎， 曾文婷， 王启龙

(1.东北电力大学 电气工程学院,吉林 吉林 132012;2.国网山东省电力公司菏泽供电公司,山东 菏泽 274000)

0 引 言

三相PWM变换器广泛应用于低压大电流设备。随着变换器容量的增加，整流器并联因其具有简单、低成本和高灵活性等优点而得到广泛应用。然而，当并联整流器的共直流母线和共交流母线时，系统将产生零序环流。环流会导致输入电流畸变和降低系统的输出性能[1-3]。因此，零序环流抑制已经成为目前研究的焦点。

文献[4-5]采用隔离变压器的方法实现了并联变换器的零序环流抑制，但是该方法会增加并联系统的体积和成本。文献[6]提出通过硬件方法实现高频零序环流抑制，但是该方法不能抑制低频零序环流。

为了降低并联系统成本，研究人员提出相关的控制方法，在不增加成本和体积的情况下，实现零序环流的有效抑制。

文献[7]采用SHEPWM调制方法消除三次谐波，实现并联变换器零序环流抑制。文献[8-9]提出一种非线性的控制方法，该方法虽然能够有效地抑制并联变换器的环流，但是该方法在实际工程中并不适用。文献[10]通过改变调制的方法，实现了并联变换器的零序环流抑制。

文献[11]针对并联逆变器，提出一种改变零矢量调制方法，实现零序环流有效抑制。在上述基础上，文献[12]采用预测控制方法实现了输出电流和电感不相等情况的零序环流抑制,文献[13]采用混合调制方法实现并联逆变器的零序环流抑制。

但是，上述方法都是针对逆变器并联的零序环流抑制，目前还未有整流器并联的零序环流抑制方法的报道。

为此，本文提出一种比例谐振控制实现并联整流器零序环流抑制。此外，为了能够更好地抑制并联整流器的零序环流，在上述基础上，提出一种双采样零序环流抑制方法，实现整流器并联的最优控制。仿真和试验表明：和现有方法相比，新方法的零序环流抑制能力增强，输出电流波形得到进一步改善。

1 三相整流器并联的环流抑制理论

图1为两电平整流器的拓扑结构。在理想情况下，两电平整流器的并联并不会存在环流。

图1 两电平整流器并联拓扑

但是实际情况会存在一些输入电流不相等和电路参数不相等情况，系统会产生零序环流，因此，需要对其进行环流抑制。

以两电平整流器的N点作为参考点，根据基尔霍夫定律得到整流器的数学模型为：

(1)

式中:Vai、Vbi、Vci为两电平整流器并联的输出相电压；ea、eb、ec为电网电压；iai、ibi、ici为两电平整流器并联的输入电流；uON为电网O点的电压；Li为并联两电平整流器滤波电感。

众所周知，单台整流器由于没有环路，因此并不存在零序环流。但是对于多台整流器的并联情况来说，由于具有环路存在，因此会产生零序环流。对于两台整流器来说，环流的大小相等，方向相反，可表示为：

iz=iz1=-iz2

(2)

为了实现三相整流器的控制，需要对其坐标变换，将三相坐标系转化为d-q-z轴，变换矩阵表示为：

三相整流器通过坐标变换能够变为：

(4)

(5)

(6)

式中：ix1和ix2为整流器输入电流;dx1、dx2为整流器1和2的占空比；dz1、dz2为并联整流器的零序占空比;Vdc为直流侧电压。

化简能够得到并联整流器的零序环流表达式为：

(7)

式中：dz1、dz2为整流器1、2的零序占空比。

2 并联整流器零序环流控制

两电平整流器由2个零矢量和6个非零矢量组成，零矢量的作用时间不会影响整流器的输入电流和线电压，因此，可以通过改变零矢量作用时间实现零序环流抑制。

两电平整流器的空间矢量调制如图2所示。为了实现并联整流器零序环流抑制，对零矢量进行控制。

图2 整流器矢量分配图

因此，得到并联整流器的零序占空比可表示为：

(8)

式中：yi为整流器i中零矢量的修正占空比。

两台并联整流器的零序电流占空比之差为:

(9)

为了实现简单控制，只需要对其中一台整流器进行控制，式(9)能够简化为：

(10)

第一台整流器的零序环流的模型能够表示为：

(11)

图3 并联整流器零序占空比

整流器的电感参数和输入电流参数不相等式，将引起零序占空比不同。从图3中可以看出，两台整流器的零序占空比为三次波形，因此可以通过比例谐振控制实现零序环流抑制。

PR控制器能够实现并联整流器零序环流抑制，采用的比例积分谐振控制器表示为：

(12)

式中：kr和kp分别为谐振和比例谐振参数;ξ为阻尼系数;ωg为三倍频频率。

3 双采样环流抑制方法

假设Vdc恒定，为了实现并联整流器的零序环流抑制，需要将逆变器1的输入和给定做差，然后差值再通过比例谐振控制器实现零序环流抑制。并联系统的零序环流控制框图如图4所示。

图4 PR控制框图

系统的开环传递函数能够表示为：

(13)

开环的截止频率表示为：

(14)

从式(13)可以看出，Td和TPWM为采样延迟时间和PWM时间，Td+TPWM会限制零序环流环的控制带宽，因此，零序环流控制将受到一定影响。为了改进性能，需要减小Td+TPWM的值。

因此，本文采用双采样方法，实现零序环流抑制，即在载波的中间控制零序环流，从而实现零序环流的有效抑制。

4 试验结果分析

为了证明本文所提算法的正确性，本文通过试验验证并联整流器零序环流抑制效果，试验参数如表1所示。

表1 试验参数

图5为给定电流从10 A跳变到24 A试验波形。通过波形可以看出，采用本文提出方法，并网电流波形质量良好，电流谐波为1.5%。

图5 采用提出方法的整流器输入电流和电网电压波形

图6为并联整流器参数都相等的电流和环流波形，但是由于控制参数不同和死区不同等情况，均会造成零序环流。从图中可以看出，PI控制器只能在一定程度上抑制零序环流，但是不能从根本上消除零序环流，采用本文提出方法以后，能够很好地抑制零序环流。输入电流的波形得到明显改善。

图6 电感为3 mH和参考电流为12 A时试验结果

实际情况会存在电感和电流不相等情况，图7为电流和电感不相等情况的仿真波形，传统PI控制不能很好地抑制零序环流，但是本文提出方法能够很好地抑制零序环流。

5 结束语

本文针对并联整流器，提出一种新型零序环流抑制方法。首先分析并联整流器的零序环流模型，改变零矢量作用时间实现零序环流抑制。此外，为了能够更好地抑制并联整流器的零序环流，在上述基础上，提出一种双采样零序环流抑制方法，实现整流器并联的最优控制。最后通过仿真和试验验证了提出算法的正确性。该方法能够适用于电感和电流不相等的工况下，具有非常好的实际意义。

图7 电感为3 mH, 5 mH和给定电流为20 A,12 A时的输入电流和零序环流仿真结果