并聯(lián)三相PWM變換器零序環(huán)流帶寬擴(kuò)展

張學(xué)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(kuò)展

張學(xué)廣 陳佳明 張文杰 徐殿國

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院 哈爾濱 150001）

三相PWM變換器并聯(lián)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會(huì)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(kuò)展策略。在分析并聯(lián)模塊環(huán)流模型的基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究了變換器的參數(shù)差異和數(shù)字控制器的延時(shí)對(duì)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(yùn)行狀態(tài)不同對(duì)零序電流環(huán)帶寬設(shè)計(jì)的限制，并結(jié)合單個(gè)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(dòng)態(tài)響應(yīng)快和環(huán)流抑制效果好的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)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(kuò)展 電壓零矢量前饋

0 引言

三相PWM變換器廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等低壓大電流場(chǎng)合[1]。利用變換器并聯(lián)來提高系統(tǒng)的功率等級(jí)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(shí)會(huì)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(diǎn)。

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(dú)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(duì)于中低頻環(huán)流的抑制作用有限。

對(duì)于環(huán)流問題，目前研究較多的是從控制算法上對(duì)環(huán)流進(jìn)行抑制。文獻(xiàn)[6]通過對(duì)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(xiàn)[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(shí)現(xiàn)對(duì)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(xiàn)[8]采用指定諧波消除的方法抑制環(huán)流，該方法能夠同時(shí)對(duì)環(huán)流的低頻和高頻分量進(jìn)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(xiàn)[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(shí)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(kuò)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(biāo)。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(shí)[11]以及干擾量的存在均會(huì)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(shí)、排除干擾量的影響對(duì)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(duì)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(jìn)行了研究。首先給出并聯(lián)三相PWM變換器數(shù)學(xué)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(kuò)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(dòng)態(tài)響應(yīng)，改善環(huán)流的控制效果。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(xué)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種并聯(lián)結(jié)構(gòu)中兩個(gè)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(gè)模塊。并聯(lián)變換器開關(guān)管的異步動(dòng)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(huì)造成開關(guān)管的異步動(dòng)作，導(dǎo)致環(huán)流的產(chǎn)生。以直流側(cè)負(fù)極為參考點(diǎn)，圖示電流方向?yàn)閰⒖挤较?，得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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