0 引言

    由SCR開關(guān)管組成的大功率整流電源存在諧波成份復(fù)雜、電磁干擾嚴(yán)重、體積大、可靠性差、不易控制的問題。隨著電力電子技術(shù)和功率器件的快速發(fā)展，現(xiàn)在通常采用IGBT開關(guān)管小功率整流電源并聯(lián)提高功率等級。多模塊并聯(lián)整流器不僅增加了功率容量，還提高供電系統(tǒng)的冗余性和可靠性。但由于并聯(lián)的各個整流模塊無論是參數(shù)還是工藝都達不到完全一致，因此并聯(lián)整流電源將產(chǎn)生環(huán)流。環(huán)流將使交流電流發(fā)生畸變，在一定程度上增加電路損耗，從而降低系統(tǒng)的效率。同時環(huán)流將導(dǎo)致功率開關(guān)器件承受的電流應(yīng)力不均衡，影響開關(guān)管的使用壽命。在實際應(yīng)用電路中還會導(dǎo)致開關(guān)器件發(fā)熱，縮短使用壽命，對電路的影響非常大。本文采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下雙閉環(huán)控制三相電壓型PWM整流器并聯(lián)，提高整流功率。

    文獻[1]中針對平均電流均流法輸出外特性軟的特點，在電路控制結(jié)構(gòu)上加入負(fù)載電流前饋的方法，提高輸出外特性。文獻[2]在分布式并網(wǎng)及微網(wǎng)系統(tǒng)中，提出了一種基于下垂控制法的均流策略，下垂控制方法具有抗干擾能力強、擴容和維護方便、運行可靠等突出優(yōu)點而被廣泛關(guān)注，但傳統(tǒng)的外特性下垂控制法在精確的輸出電壓和均衡的負(fù)載分配不可兼得，運行一定時間后，電流又分配不均，因此文獻[3]引入虛擬阻抗，虛擬阻抗使輸出阻抗僅由濾波電感值決定，減少了逆變器輸出電阻的影響。同樣這些均流策略都可應(yīng)用于整流器環(huán)流的抑制。文獻[4]對雙模塊并聯(lián)電路進行了建模，分析了環(huán)流產(chǎn)生的原因。文獻[5]通過對大功率整流器并聯(lián)拓?fù)錂C構(gòu)的分析，詳細(xì)討論了外特性下垂法和傳統(tǒng)主從控制法的優(yōu)劣，提出了一種基于狀態(tài)通信的主從控制法，從而在保證輸出精度的同時提高了系統(tǒng)冗余性，但存在狀態(tài)通信線，電路相對復(fù)雜。文獻[6]在電流連續(xù)和斷續(xù)情況下對整流并聯(lián)電路進行了分析。而文獻[7]分析了最大電流法及其控制策略，提出了一種電壓環(huán)和限流互補的自動選擇工作的最大電流控制法。文獻[8]、[9]采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系建立電壓型PWM整流器的數(shù)學(xué)模型，分析并聯(lián)電路中零序電流及環(huán)流產(chǎn)生的機理和均流技術(shù)的研究，為了更好地抑制環(huán)流的產(chǎn)生，需要采用零序環(huán)流控制法^[8]和共模差模獨立控制器的方法。

    針對外特性下垂法、主從控制法和最大電流法等均流策略的不足，本文采用了一種簡化的控制方法，把各并聯(lián)整流器模塊的外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器獨立出來，形成一個共用的電壓調(diào)節(jié)器，把雙閉環(huán)控制電路簡化成一個單閉環(huán)電流控制，解決了并聯(lián)整流器能量流向的一致性問題，從而避免環(huán)流的產(chǎn)生。

1 三相可控整流并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流分析

1.1 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及小信號模型分析

    兩個三相PWM整流器的交流側(cè)和直流側(cè)直接并聯(lián)后的系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。圖中三相電網(wǎng)電壓分別為e_a，e_b，e_c，交流側(cè)電感分別為L₁，L₂，整流橋直流側(cè)電壓為u_dc，并聯(lián)后系統(tǒng)直流側(cè)濾波電容為2C，負(fù)載等效電阻為R/2。

    在單個的三相PWM整流器中，不存在零序電流通路，因此零序電流始終為零。在三相PWM整流器并聯(lián)系統(tǒng)中，當(dāng)一個模塊上管全部同時開通而另一模塊下管全部同時關(guān)斷或者一個模塊上管全部同時關(guān)斷而另一個模塊下管全部同時開通時，零序電流通路經(jīng)過直流母線^[4]，形成零序環(huán)流，影響整個系統(tǒng)的運行效率。

    零序電流占空比定義為d_z，引入平均算子<x(t)>_Ts，經(jīng)坐標(biāo)變化得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的平均模型為： 

    由式(1)~式(4)可得三相PWM并聯(lián)整流器平均模型的的等效電路圖如圖2所示。

    其中n為1或2，代入式(1)~式(4)，經(jīng)小信號擾動和線性化整理得到三相PWM整流器并聯(lián)的小信號模型的狀態(tài)空間方程如式（6）所示。

    三相整流器并聯(lián)的小信號的等效圖如圖3所示。

    從小信號模型可以看出，整個三相整流器并聯(lián)系統(tǒng)解耦后，零序分量仍獨立于d軸和q軸，大小由每個模塊的零序開關(guān)占空比的差異決定。

1.2 環(huán)流抑制的分析

    在抑制方法上有采用隔離變壓器的方法，阻斷環(huán)流的流動通路，但變壓器成本較高；有采用耦合電感的方法，耦合出來的電流與產(chǎn)生的環(huán)流抵消，但對低頻的環(huán)流抑制效果不大。目前，在并聯(lián)的整流系統(tǒng)中，均流技術(shù)也在不斷地改進和研究當(dāng)中。

    外特性下垂法屬于分散控制法，利用輸出電壓隨輸出電流的變化而變化來實現(xiàn)均流，是并聯(lián)電路模塊間內(nèi)部電流的自行調(diào)節(jié)^[7]；主從控制法是一個模塊作為主電源模塊，其他模塊作為從模塊跟隨主電源模塊工作^[8]，由于模塊間需要通信線進行系統(tǒng)控制，所以連線復(fù)雜。最大電流控制加入一個電流比較器來比較模塊電流大小，從而選擇大電流的模塊作為整流電路的主模塊，由于可以彌補主從控制方法的不足，并且電路結(jié)構(gòu)簡單，均流效果好，較多場合采用這種均流控制策略。但當(dāng)系統(tǒng)中從模塊的調(diào)節(jié)能力達到極限后，各模塊輸出電流的交替變化也會引起低頻振蕩，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定^[9]。基于統(tǒng)一電壓調(diào)節(jié)器控制法就是把各模塊的外環(huán)控制的電壓調(diào)節(jié)器獨立出來，形成一個公用的電壓調(diào)節(jié)器。其控制方法的控制示意圖如圖4所示。

    圖4中的統(tǒng)一電壓調(diào)節(jié)器輸出唯一的外環(huán)控制電壓，經(jīng)調(diào)節(jié)后生成內(nèi)環(huán)電流給定信號，來確保整流器相同的控制下輸出相等的電壓，以抑制雙模塊三相電壓型 PWM 整流器并聯(lián)運行系統(tǒng)中環(huán)流的產(chǎn)生。該控制策略唯一的電壓外環(huán)控制使并聯(lián)整流器各模塊的控制策略簡化為單閉環(huán)電流控制，電路結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)試和控制。

2 并聯(lián)系統(tǒng)的仿真分析

    表1為并聯(lián)系統(tǒng)中單模塊的仿真參數(shù)。

    三相電壓型PWM整流器雙模塊并聯(lián)電路在沒有采用統(tǒng)一電壓調(diào)節(jié)器時，圖5為直流電壓給定值有差異時的相關(guān)波形。從圖中可以看出，1模塊處于整流狀態(tài)，2模塊處于逆變狀態(tài)。

    此時1模塊電路運行的過程中交流側(cè)電流波形接近穩(wěn)定，而2模塊電路運行過程中交流側(cè)電流穩(wěn)定的調(diào)節(jié)時間很長，但與1模塊電流的大小差距不大。在這個過程產(chǎn)生環(huán)流，隨著仿真越來越大；因此需要采用基于統(tǒng)一電壓器的均流方法，抑制環(huán)流，仿真的相關(guān)波形圖如圖6所示。

    由圖6可知，采用統(tǒng)一電壓調(diào)節(jié)器后，兩個模塊交流側(cè)電壓電流波形一致。直流輸出電流均等，模塊間環(huán)流得到了有效的抑制，大小為1.2×10^-4 A。在0.1 s之前，基于統(tǒng)一電壓調(diào)節(jié)器整流器并聯(lián)系統(tǒng)的直流負(fù)載為10 Ω的電阻，在0.1 s之后通過斷路器給電路負(fù)載并聯(lián)一個大小相同的10 Ω電阻，此時，整個并聯(lián)電路的直流負(fù)載為5 Ω，功率變?yōu)?.1 s之前的兩倍。并聯(lián)電路負(fù)載突變的直流輸出電壓波形如圖7所示。

    根據(jù)直流側(cè)電壓波形分析，0.1 s之前基于統(tǒng)一電壓調(diào)節(jié)器的并聯(lián)電路能夠?qū)崿F(xiàn)直流電壓穩(wěn)定在700 V的控制目標(biāo)，在0.1 s時突然增加一倍負(fù)載，從圖7中可以看出，直流電壓在0.1 s后開始下降，經(jīng)過不到0.03 s的時間電壓就快速恢復(fù)到700 V，負(fù)載突變后直流電壓的變化量為2.8％，控制在5％以內(nèi)，說明基于同一電壓調(diào)節(jié)器均流法的PWM并聯(lián)電路具有較好的穩(wěn)定性和較快的動態(tài)響應(yīng)。

3 結(jié)論

    本文研究了三相電壓型PWM整流器的并聯(lián)系統(tǒng)，建立了該并聯(lián)系統(tǒng)的小信號模型，分析了并聯(lián)電路中環(huán)流產(chǎn)生的原因和抑制方法，提出了一種整流器并聯(lián)模塊間使用統(tǒng)一電壓調(diào)節(jié)器的控制方法。通過與傳統(tǒng)控制策略的仿真比較，采用本文統(tǒng)一電壓調(diào)節(jié)器的控制策略，可以減小并聯(lián)模塊輸出電壓紋波，同時各模塊的負(fù)載電流均為單模塊負(fù)載電流的一半，環(huán)流得到了有效的抑制。該控制方法也是適用于多模塊可控整流并聯(lián)，在大功率整流場合具有一定工程應(yīng)用。

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作者信息:

甘  雪1，曹太強1，2，林玉婷2

（1.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都610039；

2.流體及動力機械教育部重點實驗室（西華大學(xué)），四川 成都610039）