CN106374530B - 一种并联运行变流器的环流抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联运行变流器的环流抑制方法，解决了多个变流器单元由于调制载波不一致引起的高频环流问题。该方法实时检测变流器单元的并网电流，得到半个开关周期内高频环流的变化量，由此确定变流器单元载波的相对位置。通过插入同步周期，调节载波频率，实现调制载波重新同步，有效抑制了并联系统的高频环流。本发明所述的方法具有简单实用，控制方便，动态响应快速等优点。

Description

一种并联运行变流器的环流抑制方法

技术领域

本发明涉及一种并联运行变流器的环流抑制方法，用于抑制多个变流器单元由于调制载波不一致引起的高频环流。

背景技术

随着电力电子技术的发展，采用并联结构变流器可以扩大系统容量，得到了日益广泛地应用。变流器并联结构主要具有如下优点：(1)在不增加功率器件电流应力的情况下，使系统容量成倍增加，更适合大容量高电压的场合；(2)通过合理的分配负载功率实现效率优化控制，以模块化取代系列化，缩短了研发周期，降低了生产成本，有效提高了系统的效率；(3)实现冗余控制，从而提高系统的可靠性和容错能力。然而，由于共享正、负直流母线和交流母线，变流器模块间的环流成为制约其性能的一个重要指标。

针对变流器并联运行引起的环流问题，最基本的方法是利用硬件阻断环流通路，包括各变流器单元采用独立的直流电源、网侧采用多绕组变压器实现电气隔离，该方法可以完全消除环流，但会增加系统的成本和体积。其次，现有的一些电路设计准则，从高频环流与实际电路参数之间的定量关系出发设计滤波电路实现环流抑制，但由于电路元件实际参数难以测量，实现起来较为复杂。此外，通过建立零序环流的等效模型，分析零序环流的产生机理，提出了改变零矢量配比抑制零序环流的方法，该方法在很大程度上增加了功率器件的开关损耗。

发明内容

本发明的发明目的在于，克服现有技术存在的缺陷，提供一种并联运行变流器的环流抑制方法。采用插入同步周期的方法，解决多个变流器单元调制载波不一致引起的高频环流问题。本发明为解决上述技术问题提出的一种并联运行变流器的环流抑制方法，其步骤如下：

步骤一、利用电压传感器采集公共直流侧电压U_dc，利用电流传感器采集变流器单元的并网电流i_kj，k＝a,b,c；j＝1,2；(i_k1为电流霍尔传感器采集的主变流器电流，i_k2为电流霍尔传感器采集的从变流器电流)。

步骤二、主控制器将给定电压和由电压传感器采集的公共直流侧电压U_dc的差值作为电压环PI调节器的输入量，电压环PI调节器输出为两相旋转坐标系下的d轴给定电流两相旋转坐标系下的q轴给定电流由用户自定义；通过坐标变换得到αβ坐标系下给定电流

步骤三、由霍尔电流传感器采集的主变流器的并网电流i_k1经过坐标变换转换到αβ坐标系下i_α1(n-1)、i_β1(n-1)，主控制器电压环输出给定电流与i_α1(n-1)、i_β1(n-1)比较，其差值为电流环的输入量，电流环输出为三相调制电压u_a1、u_b1、u_c1。

步骤四、主控制器将三相调制电压u_a1、u_b1、u_c1通过高速通信发至从控制器，从而保证多个变流器单元实现调制电压一致。

步骤五、从控制器实时检测从变流器的输出电流。其检测方法为在半个开关周期时检测一次，在开关周期结束时检测一次。得到半个开关周期内高频环流的变化量，由此确定多个变流器单元调制载波的相对位置。判断高频环流变化量是否达到设定限幅值，若达到该限幅值，通过载波同步算法插入同步周期调节变流器单元的载波频率，实现多个变流器单元调制载波重新同步，其中并联系统高频环流定义为

步骤六、将多个变流器单元各自的调制载波与同一调制波进行比较，输出变流器单元的三相开关序列。

本发明所述并联运行变流器的环流抑制方法，实时检测变流器单元的三相并网电流，通过半个开关周期内高频环流变化量确定多个变流器单元载波的相对位置。当高频环流变化量达到设定限幅值，插入同步周期，调节变流器单元的载波频率，实现调制载波基本同步，达到抑制环流的效果。该方法无需设计附加硬件电路，动态响应速度快，调制方法简单，易于实现。

附图说明

图1：本发明并联运行变流器的环流抑制方法的原理示意图。

图2：为不加入环流抑制方法时，并联运行变流器在启动状态下的相电压、相电流、系统高频环流波形图。

图3：为不加入环流抑制方法时，并联运行变流器在突加负载状态下的相电压、相电流、系统高频环流波形图。

图4：为不加入环流抑制方法时，并联运行变流器在空载状态下的相电压、相电流、系统高频环流波形图。

图5：为不加入环流抑制方法时，并联运行变流器在加载状态下的相电压、相电流、系统高频环流波形图。

图6为不加入环流抑制方法时，高频环流达到最大值时刻的相电压、相电流、系统高频环流波形。

图7为不加入环流抑制方法时，高频环流达到最小值时刻的相电压、相电流、系统高频环流波形。

图8：为加入本发明提供的环流抑制方法后，并联运行变流器在启动状态下的相电压、相电流、系统高频环流波形图。

图9：为加入本发明提供的环流抑制方法后，，并联运行变流器在突加负载状态下的相电压、相电流、系统高频环流波形图。

图10：为加入本发明提供的环流抑制方法后，并联运行变流器在空载状态下的相电压、相电流、系统高频环流波形图。

图11：为加入本发明提供的环流抑制方法后，并联运行变流器在加载状态下的相电压、相电流、系统高频环流波形图。

图12：为加入本发明提供的环流抑制方法后，重新同步时刻并联系统的相电压、相电流、系统高频环流波形。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本发明作进一步详细说明。

本发明并联运行变流器的环流抑制方法，具体包括以下步骤：

(1)利用电压传感器采集公共直流侧电压U_dc，利用电流传感器采集变流器单元的并网电流i_kj，k＝a,b,c；j＝1,2；i_k1为电流霍尔传感器采集的主变流器电流，i_k2为电流霍尔传感器采集的从变流器电流。

(2)主控制器将给定电压和由电压传感器采集的公共直流侧电压U_dc作为电压外环PI调节器的输入量，得到两相旋转坐标系下d轴电流给定q轴电流给定由用户自定义，通过坐标变换得到αβ坐标系下给定电流

(3)由霍尔电流传感器采集的主变流器的并网电流i_k1经过坐标变换转换到两相静止坐标系下i_α1(n-1)、i_β1(n-1)，将给定电流和采样电流i_α1(n-1)、i_β1(n-1)作为无差拍控制器的输入量，得到三相调制电压u_a1、u_b1、u_c1；

(4)由主控制器通过高速通信将给定电流指令传递到从控制器；确保多个变流器单元的调制电压一致；

(5)实时检测变流器并网电流，得到半个开关周期内高频环流的变化量，由此确定多个变流器单元调制载波的相对位置。判断高频环流变化量是否达到设定限幅值，若达到该限幅值，通过载波同步算法插入同步周期调节变流器单元的载波频率，实现多个变流器单元调制载波重新同步，其中并联系统高频环流定义为

(6)将多个变流器单元各自的调制载波与同一调制波进行比较，输出变流器单元的三相开关序列。

图1是多个变流器单元载波不一致情况下环流抑制方法的原理示意图。其中u_aj,u_bj,u_cj分别为变流器单元三相调制电压；载波1和载波2分别对应各个变流器模块的载波信号,载波1为固定频率的载波信号，载波2为加入同步周期的变化频率的载波信号；s_kj为系统开关函数，s_kj＝1时，模块j的k相上桥臂导通；反之，当s_kj＝0时，模块j的k相下桥臂导通；采用同一调制波u_kj分别与载波1、载波2进行比较，得到变流器单元的三相开关序列。当调制电压高于载波电压时，输出1电平，此时s_kj＝1；当调制电压低于载波电压时，输出0电平，此时s_kj＝0。

半个开关周期内高频环流的变化量可以表示为：

其中Δt为变流器单元单相桥臂上功率器件开关状态不一致的维持时间，且三相开关状态不一致的维持时间是相同的。高频环流的变化量可以通过变流器单元的三相并网电流加和在开关周期内的变化量确定。

当s_k1＝1,s_k2＝0时，Δt为正值，此时变流器单元二的开关序列超前单元一，即单元二的载波频率高于单元一。为抑制系统高频环流，应降低单元二的载波频率。

当s_k1＝0,s_k2＝1时，Δt为负值，此时变流器单元二的开关序列滞后单元一，即单元二的载波频率低于单元一。为抑制系统高频环流，应提高单元二的载波频率。

当系统高频环流变化量达到设定限幅值Δi_lim，并联系统开关状态不一致的维持时间：

插入同步周期，调节载波频率，同步周期内变流器单元的载波频率f_t表示为：

经过同步周期调节单元二的载波频率，变流器单元载波实现重新同步，确定适合的限幅值，能够满足对高频环流的显著抑制。

为了验证本发明所述环流抑制方法的有效性，将其应用于变流器并联系统中，与不加入环流抑制方法进行对比实验，在多个变流器单元载波不一致的情况下，得到以下实验结果：

(1)比较图2～图5和图8～图11可以看出，变流器并联系统处于启动、突加负载、空载、负载这四种状态下，高频环流均得到有效抑制，高频环流的幅值显著降低，且环流变化周期大幅度缩短，并网电流更加平滑，无明显周期性波动。不加入环流抑制方法时，高频环流周期性变化，变化周期与变流器单元的载波频率差成反比。

(2)由图6和图7可以看出，不加入环流抑制方法时，当高频环流达到最大值时，变流器单元的输出电压波形完全反向；而当高频环流达到最小值时，变流器单元的输出电压波形基本一致。

(3)由图12可以看出，插入同步周期前，变流器单元的开关序列存在明显位置偏差。插入同步周期后，单周期调节变流器单元的载波频率，使得并联单元载波实现重新同步，开关序列基本一致，系统高频环流显著减小。

显然，在多个变流器单元载波不一致的情况下，本实施例的环流抑制效果十分显著，无论系统运行在何种工作状态，该方法均可大幅度降低并联变流器单元间的高频环流幅值，缩短高频环流的变化周期，使得并网电流波形更为平滑。

Claims (1)

1.一种并联运行变流器的环流抑制方法，其步骤如下：

步骤一、利用电压传感器采集公共直流侧电压U_dc，利用电流传感器采集变流器单元的并网电流i_kj，k＝a,b,c；j＝1,2；其中：i_k1为霍尔电流传感器采集的主变流器并网电流，i_k2为霍尔电流传感器采集的从变流器并网电流；

步骤二、将给定电压和由电压传感器采集的直流侧电压U_dc作为电压外环PI调节器的输入量，得到两相旋转坐标系下d轴给定电流q轴给定电流由用户自定义，通过坐标变换得到αβ坐标系下给定电流

步骤三、由霍尔电流传感器采集的主变流器的并网电流i_k1经过坐标变换转换到αβ坐标系下i_α1(n-1)、i_β1(n-1)，将给定电流和采样电流i_α1(n-1)、i_β1(n-1)作为无差拍控制器的输入量，得到三相调制电压u_a1、u_b1、u_c1；

步骤四、主控制器将三相调制电压u_a1、u_b1、u_c1通过高速通信发至从控制器，从而保证多个变流器单元实现调制电压一致；

步骤五、实时检测变流器并网电流，得到半个开关周期内高频环流的变化量，由此确定多个变流器单元调制载波的相对位置；判断高频环流变化量是否达到设定限幅值，若达到该限幅值，通过载波同步算法插入同步周期调节变流器单元的载波频率，实现多个变流器单元调制载波重新同步，其中并联系统高频环流定义为

步骤六、将多个变流器单元各自的调制载波与同一调制波进行比较，输出变流器单元的三相开关序列。