《电子技术应用》

三相可控整流并联系统环流的抑制研究

2017年电子技术应用第4期 作者:甘 雪1,曹太强1,2,林玉婷2
2017/5/31 14:04:00

甘  雪1,曹太强1,2,林玉婷2

(1.西华大学 电气与电子信息学院,四川 成都610039;

2.流体及动力机械教育部重点实验室(西华大学),四川 成都610039)


    摘  要: 三相可控整流并联电路中由于控制与器件不能实时响应、零序开关占空比不同步和器件参数不相同等将导致环流的产生。采用一种统一电压调节器控制方法,即将各并联模块的外环电压调节器独立出来,形成统一电压调节器,通过对并联系统闭环电流的控制实现三相可控整流器的并联均流。对三相PWM整流并联系统进行了小信号建模,分析了其环流产生的原因,通过仿真验证了环流为0.12 mA,输出直流电压纹波电压为输出电压的0.2%;同时负载突变时,0.03 s内电压值就恢复到给定值,其输出直流电压的变化量为2.8%,有较好的稳定性。

    关键词: 三相可控整流器;并联;环流;电压调节

    中图分类号: TM8

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.04.040


    中文引用格式: 甘雪,曹太强,林玉婷. 三相可控整流并联系统环流的抑制研究[J].电子技术应用,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.

0 引言

    由SCR开关管组成的大功率整流电源存在谐波成份复杂、电磁干扰严重、体积大、可靠性差、不易控制的问题。随着电力电子技术和功率器件的快速发展,现在通常采用IGBT开关管小功率整流电源并联提高功率等级。多模块并联整流器不仅增加了功率容量,还提高供电系统的冗余性和可靠性。但由于并联的各个整流模块无论是参数还是工艺都达不到完全一致,因此并联整流电源将产生环流。环流将使交流电流发生畸变,在一定程度上增加电路损耗,从而降低系统的效率。同时环流将导致功率开关器件承受的电流应力不均衡,影响开关管的使用寿命。在实际应用电路中还会导致开关器件发热,缩短使用寿命,对电路的影响非常大。本文采用同步旋转坐标系下双闭环控制三相电压型PWM整流器并联,提高整流功率。

    文献[1]中针对平均电流均流法输出外特性软的特点,在电路控制结构上加入负载电流前馈的方法,提高输出外特性。文献[2]在分布式并网及微网系统中,提出了一种基于下垂控制法的均流策略,下垂控制方法具有抗干扰能力强、扩容和维护方便、运行可靠等突出优点而被广泛关注,但传统的外特性下垂控制法在精确的输出电压和均衡的负载分配不可兼得,运行一定时间后,电流又分配不均,因此文献[3]引入虚拟阻抗,虚拟阻抗使输出阻抗仅由滤波电感值决定,减少了逆变器输出电阻的影响。同样这些均流策略都可应用于整流器环流的抑制。文献[4]对双模块并联电路进行了建模,分析了环流产生的原因。文献[5]通过对大功率整流器并联拓扑机构的分析,详细讨论了外特性下垂法和传统主从控制法的优劣,提出了一种基于状态通信的主从控制法,从而在保证输出精度的同时提高了系统冗余性,但存在状态通信线,电路相对复杂。文献[6]在电流连续和断续情况下对整流并联电路进行了分析。而文献[7]分析了最大电流法及其控制策略,提出了一种电压环和限流互补的自动选择工作的最大电流控制法。文献[8]、[9]采用同步旋转坐标系建立电压型PWM整流器的数学模型,分析并联电路中零序电流及环流产生的机理和均流技术的研究,为了更好地抑制环流的产生,需要采用零序环流控制法[8]和共模差模独立控制器的方法。

    针对外特性下垂法、主从控制法和最大电流法等均流策略的不足,本文采用了一种简化的控制方法,把各并联整流器模块的外环电压调节器独立出来,形成一个共用的电压调节器,把双闭环控制电路简化成一个单闭环电流控制,解决了并联整流器能量流向的一致性问题,从而避免环流的产生。

1 三相可控整流并联系统环流分析

1.1 系统数学模型及小信号模型分析

    两个三相PWM整流器的交流侧和直流侧直接并联后的系统拓扑图如图1所示。图中三相电网电压分别为ea,eb,ec,交流侧电感分别为L1,L2,整流桥直流侧电压为udc,并联后系统直流侧滤波电容为2C,负载等效电阻为R/2。

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    在单个的三相PWM整流器中,不存在零序电流通路,因此零序电流始终为零。在三相PWM整流器并联系统中,当一个模块上管全部同时开通而另一模块下管全部同时关断或者一个模块上管全部同时关断而另一个模块下管全部同时开通时,零序电流通路经过直流母线[4],形成零序环流,影响整个系统的运行效率。

    零序电流占空比定义为dz,引入平均算子<x(t)>Ts,经坐标变化得到旋转坐标系下的平均模型为: 

     dy3-gs1-4.gif

    由式(1)~式(4)可得三相PWM并联整流器平均模型的的等效电路图如图2所示。

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    其中n为1或2,代入式(1)~式(4),经小信号扰动和线性化整理得到三相PWM整流器并联的小信号模型的状态空间方程如式(6)所示。

    dy3-gs6.gif

    三相整流器并联的小信号的等效图如图3所示。

dy3-t3.gif

    从小信号模型可以看出,整个三相整流器并联系统解耦后,零序分量仍独立于d轴和q轴,大小由每个模块的零序开关占空比的差异决定。

1.2 环流抑制的分析

    在抑制方法上有采用隔离变压器的方法,阻断环流的流动通路,但变压器成本较高;有采用耦合电感的方法,耦合出来的电流与产生的环流抵消,但对低频的环流抑制效果不大。目前,在并联的整流系统中,均流技术也在不断地改进和研究当中。

    外特性下垂法属于分散控制法,利用输出电压随输出电流的变化而变化来实现均流,是并联电路模块间内部电流的自行调节[7];主从控制法是一个模块作为主电源模块,其他模块作为从模块跟随主电源模块工作[8],由于模块间需要通信线进行系统控制,所以连线复杂。最大电流控制加入一个电流比较器来比较模块电流大小,从而选择大电流的模块作为整流电路的主模块,由于可以弥补主从控制方法的不足,并且电路结构简单,均流效果好,较多场合采用这种均流控制策略。但当系统中从模块的调节能力达到极限后,各模块输出电流的交替变化也会引起低频振荡,影响系统的稳定[9]。基于统一电压调节器控制法就是把各模块的外环控制的电压调节器独立出来,形成一个公用的电压调节器。其控制方法的控制示意图如图4所示。

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    图4中的统一电压调节器输出唯一的外环控制电压,经调节后生成内环电流给定信号,来确保整流器相同的控制下输出相等的电压,以抑制双模块三相电压型 PWM 整流器并联运行系统中环流的产生。该控制策略唯一的电压外环控制使并联整流器各模块的控制策略简化为单闭环电流控制,电路结构简单,便于调试和控制。

2 并联系统的仿真分析

    表1为并联系统中单模块的仿真参数。

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    三相电压型PWM整流器双模块并联电路在没有采用统一电压调节器时,图5为直流电压给定值有差异dy3-b1-x1.gif时的相关波形。从图中可以看出,1模块处于整流状态,2模块处于逆变状态。

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    此时1模块电路运行的过程中交流侧电流波形接近稳定,而2模块电路运行过程中交流侧电流稳定的调节时间很长,但与1模块电流的大小差距不大。在这个过程产生环流,随着仿真越来越大;因此需要采用基于统一电压器的均流方法,抑制环流,仿真的相关波形图如图6所示。

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    由图6可知,采用统一电压调节器后,两个模块交流侧电压电流波形一致。直流输出电流均等,模块间环流得到了有效的抑制,大小为1.2×10-4 A。在0.1 s之前,基于统一电压调节器整流器并联系统的直流负载为10 Ω的电阻,在0.1 s之后通过断路器给电路负载并联一个大小相同的10 Ω电阻,此时,整个并联电路的直流负载为5 Ω,功率变为0.1 s之前的两倍。并联电路负载突变的直流输出电压波形如图7所示。

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    根据直流侧电压波形分析,0.1 s之前基于统一电压调节器的并联电路能够实现直流电压稳定在700 V的控制目标,在0.1 s时突然增加一倍负载,从图7中可以看出,直流电压在0.1 s后开始下降,经过不到0.03 s的时间电压就快速恢复到700 V,负载突变后直流电压的变化量为2.8%,控制在5%以内,说明基于同一电压调节器均流法的PWM并联电路具有较好的稳定性和较快的动态响应。

3 结论

    本文研究了三相电压型PWM整流器的并联系统,建立了该并联系统的小信号模型,分析了并联电路中环流产生的原因和抑制方法,提出了一种整流器并联模块间使用统一电压调节器的控制方法。通过与传统控制策略的仿真比较,采用本文统一电压调节器的控制策略,可以减小并联模块输出电压纹波,同时各模块的负载电流均为单模块负载电流的一半,环流得到了有效的抑制。该控制方法也是适用于多模块可控整流并联,在大功率整流场合具有一定工程应用。

参考文献

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