一種並聯運行下併網變流器的混合調製方法與流程
2023-07-03 17:29:06
本發明涉及電力電子技術應用領域，適合於併網逆變器、PWM整流器並聯運行，更具體地說是涉及一種並聯運行下併網變流器的混合調製方法。
背景技術：
變流器並聯運行成為擴大系統容量的一種重要途徑，但由於共享直流母線和交流母線，變流器並聯運行在提高系統功率等級的同時不可避免的引入環流問題。環流可以分為零序環流和非零序環流，其中低頻零序環流是環流的主要成分。低頻零序環流主要是由於不同調製方法下多臺變流器的零序電壓注入不一致引起的，常見的環流抑制策略有SPWM調製方法、基於SPWM調製方法下的零序電壓注入法、基於SVPWM調製方法下的零矢量調節法。
傳統的SPWM調製方法，由於三相調製電壓始終無零序電壓注入，從根源上避免了低頻零序環流的產生，但同時會帶來直流側電壓利用率較低的問題，變流器運行效率較低。傳統的SVPWM調製方法，注入零序電壓為SPWM調製電壓中間項的一半，在一定程度上提高了直流側電壓利用率。然而，由於電路參數、併網電流等因素差異，導致每臺變流器注入的零序電壓不一致，從而形成低頻零序環流。
基於SPWM調製方法下的零序電壓注入法和基於SVPWM調製方法下的零矢量調節法均依賴多臺變流器之間的相互通信，通過複雜的計算計算過程實現多臺變流器注入基本一致的零序電壓，因此會產生通信故障或通信中斷的情況。此外，隨著變流器數目的增加，通信負擔和計算的複雜程度均大幅提高。
因此，需要提供一種不依賴通信、控制方法簡單的應用於併網變流器並聯運行的混合調製方法。
技術實現要素：
本發明是為了解決上述現有技術存在的不足之處，提出一種並聯運行下併網變流器的混合調製方法，以期能在多臺併網變流器並聯運行時，注入一致的零序電壓，從而在提高直流側電壓利用率的同時，有效抑制併網逆變器、PWM整流器等併網變流器並聯運行時的低頻零序環流，進而降低系統的開關損耗，延長功率器件的使用壽命。
為了解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案：
本發明一種並聯運行下併網變流器的混合調製方法的特點按如下步驟進行：
步驟1、採集n臺併網變流器在並聯運行時的三相電網電壓、三相併網電流，從而獲得每臺併網變流器的零序環流；
步驟2、採用閉環控制方法獨立控制每臺併網變流器，獲得如式(1)所示的無零序電壓注入時第j臺併網變流器的三相調製電壓的表達式：
式(1)中，ea,eb,ec分別是三相電網電壓，分別是第j臺併網變流器的三相調製電壓，分別為第j臺併網變流器作用在電感上的三相電壓增量；
步驟3、利用式(2)得到每臺併網變流器的零序電壓
步驟4、第j臺併網變流器將所述零序電壓注入到相應的三相調製電壓上，從而獲得混合調製方法下第j臺併網變流器的三相調製電壓
步驟5、每臺併網變流器將各自三相調製電壓與相應的載波進行比較，從而產生開關序列用於完成對n臺併網變流器的控制。
與傳統的變流器並聯運行的環流抑制方法相比，本發明的有益效果體現在：
1.本發明採用混合調製方法，不依賴於變流器之間的相互通信，不增加並聯繫統的計算複雜程度，即可通過採集公共電網信息計算相應的零序電壓，實現了多變流器零序電壓注入基本一致，從而在提高了直流側電壓利用率的同時，有效抑制了併網變流器並聯運行時低頻零序環流的產生；降低了系統的開關損耗，延長了功率器件的使用壽命。適用於任意多臺變流器並聯運行；
2.本發明無需增加任何外設，系統成本低，控制方法簡單，易於實現。
附圖說明
圖1為現有技術中三臺共享直流母線和交流母線的併網變流器並聯繫統的主電路圖；
圖2為本發明所提出的混合調製方法(HPWM)的原理圖；
圖3a為本發明變流器工作在逆變狀態時，分別採用SPWM、SVPWM、HPWM方式獲得的調製電壓波形圖；
圖3b為本發明變流器工作在整流狀態時，分別採用SPWM、SVPWM、HPWM方式獲得的調製電壓波形圖；
圖3c為本發明變流器工作在超前無功狀態時，分別採用SPWM、SVPWM、HPWM方式獲得的調製電壓波形圖；
圖3d為本發明變流器工作在滯後無功狀態時，分別採用SPWM、SVPWM、HPWM方式獲得的調製電壓波形圖；
圖4a為本發明1號變流器採用HPWM方法時的並聯實驗結果圖；
圖4b為本發明2號變流器採用HPWM方法時的並聯實驗結果圖；
圖4c為本發明3號變流器採用HPWM方法時的並聯實驗結果圖；
圖4d為本發明1號變流器採用SVPWM方法時的並聯實驗結果圖；
圖4e為本發明2號變流器採用SVPWM方法時的並聯實驗結果圖；
圖4f為本發明3號變流器採用SVPWM方法時的並聯實驗結果圖；
圖4g為本發明1號變流器採用SPWM方法時的並聯實驗結果圖；
圖4h為本發明2號變流器採用SPWM方法時的並聯實驗結果圖；
圖4i為本發明3號變流器採用SPWM方法時的並聯實驗結果圖；
圖5為本發明三臺併網變流器並聯實驗分別採用SPWM、SVPWM、HPWM發波方式獲得的A相調製電壓。
具體實施方式
如圖1所示，本實施例中，一種並聯運行下併網變流器的混合調製方法按如下步驟進行：
步驟1、採集n臺併網變流器在並聯運行時的三相電網電壓、三相併網電流，從而獲得每臺併網變流器的零序環流；
步驟2、採用雙閉環控制方法獨立控制每臺併網變流器，獲得如式(1)所示的無零序電壓注入時第j臺併網變流器的三相調製電壓的表達式：
式(1)中，ea,eb,ec分別是三相電網電壓的分量，分別是第j臺併網變流器的三相調製電壓，分別為第j臺併網變流器作用在電感上的三相電壓增量；
具體實施中，多臺變流器由於電感參數，併網電流的差異性，作用在電感上的電壓增量往往大小不等，但由於三相加和始終為零，並聯繫統不會產生低頻零序環流。
步驟3、利用式(2)得到每臺併網變流器的零序電壓
具體實施中，每臺變流器獨立採樣公共電網信息，進而計算出相應的零序電壓；
步驟4、第j臺併網變流器將所述零序電壓注入到相應的三相調製電壓上，從而獲得混合調製方法下第j臺併網變流器的三相調製電壓
具體實施過程如圖2所示，由公共電網信息計算得到的三相零序電壓為一個三倍電網頻率的三角波，而作用在電感上的三相電壓增量與併網變流器的工作狀態有關。以工作在整流模式下為例，三相電壓增量始終滯後於三相電網電壓90°。根據式(3)，可以獲得變流器工作在整流模式下採用混合調製方法的調製電壓波形。該調製電壓波形表現為一個不對稱的馬鞍波，馬鞍波的波峰表現為左低右高的形式；
步驟5、每臺併網變流器將各自三相調製電壓與相應的載波進行比較，從而產生開關序列用於完成對n臺併網變流器的控制。
在步驟5中，分別採用SPWM、SVPWM、HPWM方法進行調製時，併網變流器的調製電壓波形如圖3a-圖3d所示。其中，併網變流器分別工作在逆變、滯後無功、整流、超前無功四種狀態。併網變流器工作超前無功和滯後無功兩種狀態時，採用HPWM獲得的調製電壓波形與傳統的SVPWM基本一致，接近於標準對稱的馬鞍波，而當併網變流器工作在逆變和整流兩種狀態下，調製電壓均為不對稱的馬鞍波，兩個波峰分別表示為左高右低和左低右高的形式。
本實施例中，以n＝3臺併網變流器並聯運行為例進行說明：三臺併網變流器並聯運行，其中1號機的併網電流由5A突變到20A，2號、3號機的併網電流始終為20A。濾波電感參數為：L1＝8mH，L2＝4mH，L3＝4mH。圖4a-圖4c為採用本發明所提出的HPWM方法，圖4d-圖4f為採用傳統的SVPWM方法，圖4g-圖4i為採用SPWM方法時獲得的實驗結果。上述三種方法下，三相併網電流正弦度良好，相電流頻譜中僅含有開關次諧波。然而，對比每臺變流器的零序環流波形以及相應的頻譜分析可以看出，採用SVPWM時，並聯繫統出現明顯的三倍頻環流，而採用HPWM時獲得的環流抑制效果與採用無零序電壓注入的SPWM方法基本一致，無明顯三倍頻零序環流產生。
圖5為實施例中三臺併網變流器均工作在整流狀態下，分別採用SPWM、SVPWM、HPWM方法獲得的調製電壓波形，其中SPWM方法下，相調製電壓波形為標準的正弦波，SVPWM方法下，相調製電壓波形為標準的馬鞍波，而HPWM方法下，相調製電壓波形為不規則的馬鞍波，且兩個波峰左低右高，與圖3c的分析結果吻合。