《電子技術(shù)應(yīng)用》
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三相可控整流并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流的抑制研究
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第4期
甘 雪1，曹太強(qiáng)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(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西華大學(xué)），四川 成都610039
摘要： 三相可控整流并聯(lián)電路中由于控制與器件不能實(shí)時(shí)響應(yīng)、零序開(kāi)關(guān)占空比不同步和器件參數(shù)不相同等將導(dǎo)致環(huán)流的產(chǎn)生。采用一種統(tǒng)一電壓調(diào)節(jié)器控制方法，即將各并聯(lián)模塊的外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器獨(dú)立出來(lái)，形成統(tǒng)一電壓調(diào)節(jié)器，通過(guò)對(duì)并聯(lián)系統(tǒng)閉環(huán)電流的控制實(shí)現(xiàn)三相可控整流器的并聯(lián)均流。對(duì)三相PWM整流并聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行了小信號(hào)建模，分析了其環(huán)流產(chǎn)生的原因，通過(guò)仿真驗(yàn)證了環(huán)流為0.12 mA，輸出直流電壓紋波電壓為輸出電壓的0.2%；同時(shí)負(fù)載突變時(shí)，0.03 s內(nèi)電壓值就恢復(fù)到給定值，其輸出直流電壓的變化量為2.8％，有較好的穩(wěn)定性。
中圖分類號(hào)： TM8
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.04.040
中文引用格式： 甘雪，曹太強(qiáng)，林玉婷. 三相可控整流并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流的抑制研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(4)：157-160，164.
英文引用格式： Gan Xue，Cao Taiqiang，Lin Yuting. Research on suppression of average current of three phase controlled rectifier parallel system[J].Application of Electronic Technique，2017，43(4)：157-160，164.
Research on suppression of average current of three phase controlled rectifier parallel system
Gan Xue1，Cao Taiqiang1，2，Lin Yuting2
1.School of Electric Information，Xihua University，Chengdu 610039，China； 2.Key Laboratory of Fluid and Power Machinery(Xihua University)，Ministry of Education，Chengdu 610039，China
Abstract： In three phase controlled rectifier parallel system,there are several reasons will lead to the generation of circulation，such as control and device can not be real-time response, zero sequence switching duty cycle and device parameters are not the same. This paper puts forward a kind of control method, which using unified voltage regulator ,it is to say that outer ring of the parallel modules voltage regulator has been separated，to form a unified common voltage regulator ,through the closed loop current control module in the parallel implementation of the three-phase controlled rectifier current, suppress the circulation. This paper sets up a small signal model in three-phase PWM rectifier system in parallel,analyzes the reasons of three-phase PWM rectifier parallel circulation system, the simulation results show that circulating current of the parallel system has been effectively suppressed, is 0.12 mA, output DC voltage ripple amplitude value decreases, the ripple voltage for 0.2% of the output voltage ,the load mutation is that this kind of control method of parallel circuit can be within 0.08 s fast recovery to the output voltage,and load mutation after 2.8% of DC voltage overshoot,it has good stability.
Key words : three-phase rectifier；parallel connection；flow equalize；unified voltage regulator

0 引言

    由SCR開(kāi)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(wèn)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(kāi)關(guān)管小功率整流電源并聯(lián)提高功率等級(jí)。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(gè)整流模塊無(wú)論是參數(shù)還是工藝都達(dá)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(shí)環(huán)流將導(dǎo)致功率開(kāi)關(guān)器件承受的電流應(yīng)力不均衡，影響開(kāi)關(guān)管的使用壽命。在實(shí)際應(yīng)用電路中還會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件發(fā)熱，縮短使用壽命，對(duì)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(xiàn)[1]中針對(duì)平均電流均流法輸出外特性軟的特點(diǎn)，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(xiàn)[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(qiáng)、擴(kuò)容和維護(hù)方便、運(yùn)行可靠等突出優(yōu)點(diǎn)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(yùn)行一定時(shí)間后，電流又分配不均，因此文獻(xiàn)[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(xiàn)[4]對(duì)雙模塊并聯(lián)電路進(jìn)行了建模，分析了環(huán)流產(chǎn)生的原因。文獻(xiàn)[5]通過(guò)對(duì)大功率整流器并聯(lián)拓?fù)錂C(jī)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(shí)提高了系統(tǒng)冗余性，但存在狀態(tài)通信線，電路相對(duì)復(fù)雜。文獻(xiàn)[6]在電流連續(xù)和斷續(xù)情況下對(duì)整流并聯(lián)電路進(jìn)行了分析。而文獻(xiàn)[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(bǔ)的自動(dòng)選擇工作的最大電流控制法。文獻(xiàn)[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(jī)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(dú)立控制器的方法。

    針對(duì)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(jiǎn)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(dú)立出來(lái)，形成一個(gè)共用的電壓調(diào)節(jié)器，把雙閉環(huán)控制電路簡(jiǎn)化成一個(gè)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(wèn)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(hào)模型分析

    兩個(gè)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ea，eb，ec，交流側(cè)電感分別為L(zhǎng)1，L2，整流橋直流側(cè)電壓為udc，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。

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    在單個(gè)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(gè)模塊上管全部同時(shí)開(kāi)通而另一模塊下管全部同時(shí)關(guān)斷或者一個(gè)模塊上管全部同時(shí)關(guān)斷而另一個(gè)模塊下管全部同時(shí)開(kāi)通時(shí)，零序電流通路經(jīng)過(guò)直流母線[4]，形成零序環(huán)流，影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

    零序電流占空比定義為dz，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： 

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    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。

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

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    三相整流器并聯(lián)的小信號(hào)的等效圖如圖3所示。

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    從小信號(hào)模型可以看出，整個(gè)三相整流器并聯(lián)系統(tǒng)解耦后，零序分量仍獨(dú)立于d軸和q軸，大小由每個(gè)模塊的零序開(kāi)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(dòng)通路，但變壓器成本較高；有采用耦合電感的方法，耦合出來(lái)的電流與產(chǎn)生的環(huán)流抵消，但對(duì)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(jìn)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(lái)實(shí)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(gè)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(jìn)行系統(tǒng)控制，所以連線復(fù)雜。最大電流控制加入一個(gè)電流比較器來(lái)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(bǔ)主從控制方法的不足，并且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，均流效果好，較多場(chǎng)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(dá)到極限后，各模塊輸出電流的交替變化也會(huì)引起低頻振蕩，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定[9]?；诮y(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(dú)立出來(lái)，形成一個(gè)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。

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    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(hào)，來(lái)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(yùn)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(jiǎn)化為單閉環(huán)電流控制，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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)。

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    三相電壓型PWM整流器雙模塊并聯(lián)電路在沒(méi)有采用統(tǒng)一電壓調(diào)節(jié)器時(shí)，圖5為直流電壓給定值有差異dy3-b1-x1.gif時(shí)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)。

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    此時(shí)1模塊電路運(yùn)行的過(guò)程中交流側(cè)電流波形接近穩(wěn)定，而2模塊電路運(yùn)行過(guò)程中交流側(cè)電流穩(wěn)定的調(diào)節(jié)時(shí)間很長(zhǎng)，但與1模塊電流的大小差距不大。在這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生環(huán)流，隨著仿真越來(lái)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。

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    由圖6可知，采用統(tǒng)一電壓調(diào)節(jié)器后，兩個(gè)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(guò)斷路器給電路負(fù)載并聯(lián)一個(gè)大小相同的10 Ω電阻，此時(shí)，整個(gè)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。

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    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(shí)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(kāi)始下降，經(jīng)過(guò)不到0.03 s的時(shí)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(shuō)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(dòng)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(hào)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(guò)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(shí)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(chǎng)合具有一定工程應(yīng)用。

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作者信息:

甘  雪1，曹太強(qiáng)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(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西華大學(xué)），四川 成都610039）

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