CN102882231A - 一种变流器多单元并联系统的环流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变流器多单元并联系统的环流控制方法，所述方法通过采样各并联变流器单元交流侧输出电流，计算得到并联系统三相环流，再经过三相静止到两相同步旋转坐标变换，得到环流的d、q轴分量，然后将环流的d、q轴分量作为扰动叠加到d、q轴电流给定值上，来补偿环流扰动对变流器交流侧输出电流所造成的影响，从而达到抑制环流的目的；由于环流存在于两个变流器之间，因此只要控制一个变流器的环流即可。本发明不需要引入零轴电流闭环控制，简化控制系统结构，提高系统控制稳定性，且对环流扰动的调节速度更快；不需要增加额外的电流传感器，不需要改变原有控制系统结构，且普遍适用于各种调制策略中。

Description

一种变流器多单元并联系统的环流控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体地说，涉及一种变流器多单元并联系统的环流控制方法。

背景技术

能源是当今人类面临的重大问题，由于信息技术的飞快发展，电力电子技术是能源变换与信息控制的关键环节。随着电力电子技术在电气节能、新能源发电、电能传输、电气牵引、大型油气输送和智能电网等领域的不断发展，单机容量不断增大，大功率电力电子面临诸多问题与挑战。受到目前电力电子器件制造工艺的限制，单台变流器已无法满足大功率传送的要求，因此变流器并联技术便应运而生。采用变流器并联技术具有可有效提高功率等级，增加系统可靠性和效率，减少成本和电压、电流纹波，且易于模块化设计和系统配置，灵活性更强等优点，在大功率场合有广泛的应用前景。

在单台变流器系统中，由于不存在环流通路，因此不存在环流问题。当变流器并联运行时，由于并联运行的变流器连接到同一个直流母线和同样的负载，电流会在并联的变流器之间流动，从而形成环流。环流的存在会增加开关管的应力，迫使变流器降低功率等级运行，并且会增加系统损耗，降低系统效率，使功率器件发热严重，甚至烧毁。

目前对于变流器多单元并联系统中环流问题的解决主要有两种方式：一种是在硬件上消除环流通路，另一种是采用适当的控制方法来抑制环流。通常采用硬件方式消除环流的方法是在交流侧加隔离变压器，隔离变压器能够阻断交流侧的环流通路，从而达到消除环流的目的。由于通常在工频下工作，导致隔离变压器的体积和重量很大，造成系统成本和体积的增加，所以不适合用于大功率应用场合。

文献（李建林，高志刚，胡书举，等.并联背靠背PWM变流器在直驱型风力发电系统的应用[J].电力系统自动化，2008,32（5）：59-62）提出了独立直流母线的拓扑结构，它在硬件上消除了环流通路，解决了环流问题，系统控制相对简单，但使用场合受限，只能用于具有电气隔离的多绕组电机，当电机为常用的单绕组电机时仍存在严重的环流问题，且机侧环流与网侧环流相互耦合。同时由于这种拓扑结构的直流母线分开，必须对两母线电压分别加以控制，增加了传感器数量和系统控制复杂度。文献（胡维昊，王跃,姚为正,等.直驱型变速恒频风力发电系统中零序环流的研究[J].中国电机工程学报，2009，29(27)：99-105）提出了一种基于零轴电流反馈控制的零序环流控制策略，该控制策略通过控制零轴电流为零来达到抑制零序环流的目的，但该方法受电流环控制带宽的影响只能对低频零序环流进行控制，且仅适用于SPWM调制系统，而对需要采用SVPWM调制来获得较高直流侧电压利用率的场合不适用。文献（Zhihong Ye,Dushan Boroyevich,Jae-Young Choi,et al.Controlof circulating current in two parallel three-phase boost rectifiers[J].IEEE Trans on PowerElectronics.2002,17(5):609-615）提出了一种基于零矢量分配的零序环流控制策略，该控制策略通过控制SVPWM中零矢量ppp的作用时间和零矢量nnn的作用时间之间的比例关系来调节调节零矢量作用时间，从而达到抑制变流器多单元并联系统零序环流的目的，但是该方法需要对零轴电流进行闭环控制，控制系统结构复杂，需要考虑环流闭环的稳定性问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种变流器多单元并联系统环流的控制方法，该方法不需要引入零轴电流闭环控制，简化控制系统结构，提高系统控制稳定性，且对环流扰动的调节速度更快；不需要增加额外的电流传感器，不需要改变原有控制系统结构，且普遍适用于各种调制策略中。

本发明将环流看作系统的一个扰动，根据环流扰动的大小对被控量（即变流器交流侧输出电流）进行前馈补偿。由控制理论可知，反馈控制只有在扰动作用于系统并引起被控量发生变化、导致调节器输入端的偏差信号发生变化时，调节器才改变输出的调节信号、克服扰动、对被控量进行调节。因此，反馈控制存在调节不及时，调节总是滞后于扰动的缺点。与反馈控制相比，前馈控制则直接根据扰动信号对被控量进行调节，因此调节快速性很好。

为实现上述目的，本发明提供采用以下技术方案：

一种变流器多单元并联系统环流的控制方法，本发明通过采样各并联变流器单元交流侧输出电流，计算得到并联系统三相环流，再经过三相静止到两相同步旋转坐标变换，得到环流的d、q轴分量，然后将环流的d、q轴分量作为扰动叠加到d、q轴电流给定值上，来补偿环流扰动对变流器交流侧输出电流所造成的影响，从而达到抑制环流的目的。由于环流存在于两个变流器之间，因此只要控制一个变流器的环流即可。

本发明上述方法包括如下步骤：

步骤1：信号采集单元采集直流母线电压U_dc以及第一并联单元的三相PWM变流器交流侧三相电流和第二并联单元的三相PWM变流器交流侧三相电流i_ak,i_bk,i_ck(k=1,2)，并计算出三相环流i_ha,i_hb,i_hc；

步骤2：Clarke坐标变换单元将三相静止坐标系下的三相电流i_ak,i_bk,i_ck(k=1,2)和三相环流i_ha,i_hb,i_hc变换到两相静止坐标下的电流i_αk,i_βk(k=1,2)和环流i_hα,i_hβ，Park坐标变换单元再将两相静止坐标下的电流i_αk,i_βk(k=1,2)和环流i_hα,i_hβ变换到两相同步旋转坐标系下的电流i_dk,i_qk(k=1,2)和环流i_hd,i_hq；

步骤3：将直流母线电压给定值U_dc ^*与直流母线电压U_dc输入到直流母线电压控制器中，直流母线电压控制器产生d轴电流给定值i_d ^*；

步骤4：将d轴电流给定值i_d ^*与两相同步旋转坐标下的环流i_hd相加后与第一并联单元在两相同步旋转坐标系下的电流i_d1输入到第一并联单元的d轴电流控制器中，第一并联单元的d轴电流控制器产生第一并联单元的d轴控制电压U_d1，将q轴电流给定值i_q ^*与两相同步旋转坐标下的环流i_hq相加后与第一并联单元的两相同步旋转坐标系下的电流i_q1输入到第一并联单元的q轴电流控制器中，第一并联单元的q轴电流控制器产生第一并联单元的q轴控制电压U_q1；

步骤:5：Park逆坐标变换单元将第一并联单元在两相同步旋转坐标系下的控制电压U_d1,U_q1变换到两相静止坐标下的控制电压U_α1,U_β1；

步骤6：将第一并联单元在两相静止坐标系下的控制电压U_α1,U_β1输入到第一并联单元的SVPWM调制单元中，SVPWM调制单元输出第一并联单元的三相占空比信息d_a1,d_b1,d_c1，将其分别作用于第一并联单元的三相功率开关管，从而实现对第一并联单元的三相PWM变流器的控制。

步骤7：将d轴电流给定值i_d ^*与第二并联单元在两相同步旋转坐标系下的电流i_d2输入到第二并联单元的d轴电流控制器中，第二并联单元的d轴电流控制器产生第二并联单元的d轴控制电压U_d2，将q轴电流给定值i_q ^*与第二并联单元的两相同步旋转坐标系下的电流i_q2输入到第二并联单元的q轴电流控制器中，第二并联单元的q轴电流控制器产生第二并联单元的q轴控制电压U_q2；

步骤:8：Park逆坐标变换单元将第二并联单元在两相同步旋转坐标系下的控制电压U_d2,U_q2变换到两相静止坐标下的控制电压U_α2,U_β2；

步骤9：将第二并联单元在两相静止坐标系下的控制电压U_α2,U_β2输入到第二并联单元的SVPWM调制单元中，SVPWM调制单元输出第二并联单元的三相占空比信息d_a2,d_b2,d_c2，将其分别作用于第二并联单元的三相功率开关管，从而实现对第二并联单元的三相PWM变流器的控制。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1）针对变流器多单元并联系统，提供了一种环流前馈补偿的环流控制方法，该方法具有物理概念清晰、算法简单、易于数字实现等优点；

2）不需要引入零轴电流闭环控制，简化了控制系统结构，提高了系统控制稳定性，且对环流扰动的调节速度更快。

3）不需要增加额外的电流传感器，不需要改变原有控制系统结构，且普遍适用于各种调制策略中。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为变流器多单元并联系统结构示意图；

图2为基于环流前馈补偿的环流控制原理图；

图3加入环流前馈补偿前后的a相电流仿真波形图，其中：（a）未加环流前馈补偿，（b）加入环流前馈补偿。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1：本实施例中电网电压为690V/50Hz，直流母线电容器组为18.8mF，直流母线电压给定值为1100V，开关频率为2.5kHz，LCL滤波器参数为：电网侧电感为80μH、中间滤波电容为466μF、变流器侧电感为170μH，直流侧电阻负载为0.83Ω。

请参阅图1，本实施例中，变流器多单元并联系统由两台三相PWM变流器单元共直流母线并联而成，它包括：第一并联单元的输入LCL滤波器、第一并联单元的三相PWM变流器CONV1、第一并联单元的直流母线电容器组C₁、第二并联单元的输入LCL滤波器、第二并联单元的三相PWM变流器CONV2、第二并联单元的直流母线电容器组C₂和直流侧电阻负载R_L。

三相电网的输出端与第一并联单元和第二并联单元的LCL滤波器输入端相连，第一并联单元和第二并联单元的LCL滤波器在输入端并联，第一并联单元的LCL滤波器输出端与第一并联单元的三相PWM变流器CONV1的交流侧输入端相连，第二并联单元的LCL滤波器输出端与第二并联单元的三相PWM变流器CONV2的交流侧输入端相连，第一并联单元的三相PWM变流器CONV1的直流侧输出端与第一并联单元的直流母线电容器组C₁的正负极性端相连，第二并联单元的三相PWM变流器CONV2的直流侧输出端与第二并联单元的直流母线电容器组C₂的正负极性端相连，第一并联单元的直流母线电容器组C₁和第二并联单元的直流母线电容器组C₂的正负极性端分别相连，直流侧电阻负载R_L的一端与正直流母线相连，另一端与负直流母线相连。

所述的第一并联单元的输入LCL滤波器包括电网侧电感L_g1、中间滤波电容C_f1、变流器侧电感L_c1，所述的第二并联单元的输入LCL滤波器包括电网侧电感L_g2、中间滤波电容C_f2、变流器侧电感L_c2；

所述的第一并联单元的三相PWM变流器CONV1和第二并联单元的三相PWM变流器CONV2分别包括6个功率开关管及其反并联续流二极管；

所述的第一并联单元的直流母线电容器组C₁和第二并联单元的直流母线电容器组C₂分别由若干个电容器并联而成；

所述的直流侧电阻负载R_L是由若干个大功率电阻并联而成。

流经第一并联单元的三相PWM变流器CONV1的三相电流为i_a1,i_b1,i_c1，流经第二并联单元的三相PWM变流器CONV2的三相电流为i_a2,i_b2,i_c2，则定义流经两个变流器并联系统的三相环流为i_h，即：

$i_h=\left|i_{\mathrm{hk}}\right|=\frac{1}{2}\left|(i_{x1}-i_{x2})\right|$

其中，x=a,b,c，a,b,c分别表示a,b,c三相，k=1,2，且i_h1=-i_h2。

请参阅图2和图3，本实施例中，所述的一种变流器多单元并联系统环流的控制方法，包括如下步骤：

步骤1：信号采集单元采集直流母线电压U_dc以及第一并联单元的三相PWM变流器交流侧三相电流和第二并联单元的三相PWM变流器交流侧三相电流i_ak,i_bk,i_ck(k=1,2)，并计算出三相环流i_ha,i_hb,i_hc；

步骤2：Clarke坐标变换单元将三相静止坐标系下的三相电流i_ak,i_bk,i_ck(k=1,2)和三相环流i_ha,i_hb,i_hc变换到两相静止坐标下的电流i_αk,i_βk(k=1,2)和环流i_hα,i_hβ，Park坐标变换单元再将两相静止坐标下的电流i_αk,i_βk(k=1,2)和环流i_hα,i_hβ变换到两相同步旋转坐标系下的电流i_dk,i_qk(k=1,2)和环流i_hd,i_hq；

步骤3：将直流母线电压给定值U_dc ^*与直流母线电压U_dc输入到直流母线电压控制器中，直流母线电压控制器产生d轴电流给定值i_d ^*；

步骤4：将d轴电流给定值i_d ^*与两相同步旋转坐标下的环流i_hd相加后与第一并联单元在两相同步旋转坐标系下的电流i_d1输入到第一并联单元的d轴电流控制器中，第一并联单元的d轴电流控制器产生第一并联单元的d轴控制电压U_d1，将q轴电流给定值i_q ^*与两相同步旋转坐标下的环流i_hq相加后与第一并联单元的两相同步旋转坐标系下的电流i_q1输入到第一并联单元的q轴电流控制器中，第一并联单元的q轴电流控制器产生第一并联单元的q轴控制电压U_q1；

步骤:5：Park逆坐标变换单元将第一并联单元在两相同步旋转坐标系下的控制电压U_d1,U_q1变换到两相静止坐标下的控制电压U_α1,U_β1；

步骤6：将第一并联单元在两相静止坐标系下的控制电压U_α1,U_β1输入到第一并联单元的SVPWM调制单元中，SVPWM调制单元输出第一并联单元的三相占空比信息d_a1,d_b1,d_c1，将其分别作用于第一并联单元的三相功率开关管，从而实现对第一并联单元的三相PWM变流器的控制。

步骤7：将d轴电流给定值i_d ^*与第二并联单元在两相同步旋转坐标系下的电流i_d2输入到第二并联单元的d轴电流控制器中，第二并联单元的d轴电流控制器产生第二并联单元的d轴控制电压U_d2，将q轴电流给定值i_q ^*与第二并联单元的两相同步旋转坐标系下的电流i_q2输入到第二并联单元的q轴电流控制器中，第二并联单元的q轴电流控制器产生第二并联单元的q轴控制电压U_q2；

步骤:8：Park逆坐标变换单元将第二并联单元在两相同步旋转坐标系下的控制电压U_d2,U_q2变换到两相静止坐标下的控制电压U_α2,U_β2；

步骤9：将第二并联单元在两相静止坐标系下的控制电压U_α2,U_β2输入到第二并联单元的SVPWM调制单元中，SVPWM调制单元输出第二并联单元的三相占空比信息d_a2,d_b2,d_c2，将其分别作用于第二并联单元的三相功率开关管，从而实现对第二并联单元的三相PWM变流器的控制。

图3所示为采用本发明的环流控制方法后系统仿真波形图。从图中可以看出，本发明的基于环流前馈补偿的环流控制方法能够有效抑制环流。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (3)

1.一种变流器多单元并联系统的环流控制方法，其特征在于，所述方法通过采样各并联变流器单元交流侧输出电流，计算得到并联系统三相环流，再经过三相静止到两相同步旋转坐标变换，得到环流的d、q轴分量，然后将环流的d、q轴分量作为扰动叠加到d、q轴电流给定值上，来补偿环流扰动对变流器交流侧输出电流所造成的影响，从而达到抑制环流的目的；由于环流存在于两个变流器之间，因此只要控制一个变流器的环流即可。

2.根据权利要求1所述的变流器多单元并联系统的环流控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：信号采集单元采集直流母线电压U_dc以及第一并联单元的三相PWM变流器交流侧三相电流和第二并联单元的三相PWM变流器交流侧三相电流i_ak,i_bk,i_ck(k=1,2)，并计算出三相环流i_ha,i_hb,i_hc；

步骤2：Clarke坐标变换单元将三相静止坐标系下的三相电流i_ak,i_bk,i_ck(k=1,2)和三相环流i_ha,i_hb,i_hc变换到两相静止坐标下的电流i_αk,i_βk(k=1,2)和环流i_hα,i_hβ，Park坐标变换单元再将两相静止坐标下的电流i_αk,i_βk(k=1,2)和环流i_hα,i_hβ变换到两相同步旋转坐标系下的电流i_dk,i_qk(k=1,2)和环流i_hd,i_hq；

步骤3：将直流母线电压给定值U_dc ^*与直流母线电压U_dc输入到直流母线电压控制器中，直流母线电压控制器产生d轴电流给定值i_d ^*；

步骤4：将d轴电流给定值i_d ^*与两相同步旋转坐标下的环流i_hd相加后与第一并联单元在两相同步旋转坐标系下的电流i_d1输入到第一并联单元的d轴电流控制器中，第一并联单元的d轴电流控制器产生第一并联单元的d轴控制电压U_d1，将q轴电流给定值i_q ^*与两相同步旋转坐标下的环流i_hq相加后与第一并联单元的两相同步旋转坐标系下的电流i_q1输入到第一并联单元的q轴电流控制器中，第一并联单元的q轴电流控制器产生第一并联单元的q轴控制电压U_q1；

步骤:5：Park逆坐标变换单元将第一并联单元在两相同步旋转坐标系下的控制电压U_d1,U_q1变换到两相静止坐标下的控制电压U_α1,U_β1；

步骤6：将第一并联单元在两相静止坐标系下的控制电压U_α1,U_β1输入到第一并联单元的SVPWM调制单元中，SVPWM调制单元输出第一并联单元的三相占空比信息d_a1,d_b1,d_c1，将其分别作用于第一并联单元的三相功率开关管，从而实现对第一并联单元的三相PWM变流器的控制；

步骤7：将d轴电流给定值i_d ^*与第二并联单元在两相同步旋转坐标系下的电流i_d2输入到第二并联单元的d轴电流控制器中，第二并联单元的d轴电流控制器产生第二并联单元的d轴控制电压U_d2，将q轴电流给定值i_q ^*与第二并联单元的两相同步旋转坐标系下的电流i_q2输入到第二并联单元的q轴电流控制器中，第二并联单元的q轴电流控制器产生第二并联单元的q轴控制电压U_q2；

步骤:8：Park逆坐标变换单元将第二并联单元在两相同步旋转坐标系下的控制电压U_d2,U_q2变换到两相静止坐标下的控制电压U_α2,U_β2；

步骤9：将第二并联单元在两相静止坐标系下的控制电压U_α2,U_β2输入到第二并联单元的SVPWM调制单元中，SVPWM调制单元输出第二并联单元的三相占空比信息d_a2,d_b2,d_c2，将其分别作用于第二并联单元的三相功率开关管，从而实现对第二并联单元的三相PWM变流器的控制。

3.根据权利要求1或2所述的变流器多单元并联系统的环流控制方法，其特征在于，流经第一并联单元的三相PWM变流器的三相电流为i_a1,i_b1,i_c1，流经第二并联单元的三相PWM变流器的三相电流为i_a2,i_b2,i_c2，则定义流经两个变流器并联系统的三相环流为i_h，即：

$i_h=\left|i_{\mathrm{hk}}\right|=\frac{1}{2}\left|(i_{x1}-i_{x2})\right|$

其中，x=a,b,c，a,b,c分别表示a,b,c三相，k=1,2，且i_h1=-i_h2。

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