一種變流器多單元並聯繫統的環流控制方法
2023-11-09 11:13:07
專利名稱：一種變流器多單元並聯繫統的環流控制方法
技術領域：
本發明涉及電力電子技術領域，具體地說，涉及一種變流器多單元並聯繫統的環流控制方法。
背景技術：
能源是當今人類面臨的重大問題，由於信息技術的飛快發展，電力電子技術是能源變換與信息控制的關鍵環節。隨著電力電子技術在電氣節能、新能源發電、電能傳輸、電氣牽引、大型油氣輸送和智能電網等領域的不斷發展，單機容量不斷增大，大功率電力電子面臨諸多問題與挑戰。受到目前電力電子器件製造工藝的限制，單臺變流器已無法滿足大功率傳送的要求，因此變流器並聯技術便應運而生。採用變流器並聯技術具有可有效提高功率等級，增加系統可靠性和效率，減少成本和電壓、電流紋波，且易於模塊化設計和系統配置，靈活性更強等優點，在大功率場合有廣泛的應用前景。 在單臺變流器系統中，由於不存在環流通路，因此不存在環流問題。當變流器並聯運行時，由於並聯運行的變流器連接到同一個直流母線和同樣的負載，電流會在並聯的變流器之間流動，從而形成環流。環流的存在會增加開關管的應力，迫使變流器降低功率等級運行，並且會增加系統損耗，降低系統效率，使功率器件發熱嚴重，甚至燒毀。目前對於變流器多單元並聯繫統中環流問題的解決主要有兩種方式一種是在硬體上消除環流通路，另一種是採用適當的控制方法來抑制環流。通常採用硬體方式消除環流的方法是在交流側加隔離變壓器，隔離變壓器能夠阻斷交流側的環流通路，從而達到消除環流的目的。由於通常在工頻下工作，導致隔離變壓器的體積和重量很大，造成系統成本和體積的增加，所以不適合用於大功率應用場合。文獻(李建林，高志剛，胡書舉，等.並聯背靠背PWM變流器在直驅型風力發電系統的應用[J].電力系統自動化，2008，32 (5) :59-62)提出了獨立直流母線的拓撲結構，它在硬體上消除了環流通路，解決了環流問題，系統控制相對簡單，但使用場合受限，只能用於具有電氣隔離的多繞組電機，當電機為常用的單繞組電機時仍存在嚴重的環流問題，且機側環流與網側環流相互耦合。同時由於這種拓撲結構的直流母線分開，必須對兩母線電壓分別加以控制，增加了傳感器數量和系統控制複雜度。文獻(胡維昊，王躍，姚為正，等.直驅型變速恆頻風力發電系統中零序環流的研究[J].中國電機工程學報，2009，29(27) :99-105)提出了一種基於零軸電流反饋控制的零序環流控制策略，該控制策略通過控制零軸電流為零來達到抑制零序環流的目的，但該方法受電流環控制帶寬的影響只能對低頻零序環流進行控制，且僅適用於SPWM調製系統，而對需要採用SVPWM調製來獲得較高直流側電壓利用率的場合不適用。文獻(Zhihong Ye, Dushan Boroyevich, Jae-YoungChoi,et al. Control of circulating current in two parallel three-phase boostrectifiers [J]. IEEE Trans on Power Electronics. 2002，17 (5) : 609-615)提出了一種基於零矢量分配的零序環流控制策略，該控制策略通過控制SVPWM中零矢量ppp的作用時間和零矢量nnn的作用時間之間的比例關係來調節調節零矢量作用時間，從而達到抑制變流器多單元並聯繫統零序環流的目的，但是該方法需要對零軸電流進行閉環控制，控制系統結構複雜，需要考慮環流閉環的穩定性問題。
發明內容
針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種變流器多單元並聯繫統環流的控制方法，該方法不需要引入零軸電流閉環控制，簡化控制系統結構，提高系統控制穩定性，且對環流擾動的調節速度更快；不需要增加額外的電流傳感器，不需要改變原有控制系統結構，且普遍適用於各種調製策略中。本發明將環流看作系統的一個擾動，根據環流擾動的大小對被控量(即變流器交流側輸出電流)進行前饋補償。由控制理論可知，反饋控制只有在擾動作用於系統並引起被控量發生變化、導致調節器輸入端的偏差信號發生變化時，調節器才改變輸出的調節信號、克服擾動、對被控量進行調節。因此，反饋控制存在調節不及時，調節總是滯後於擾動的缺點。與反饋控制相比，前饋控制則直接根據擾動信號對被控量進行調節，因此調節快速性很好。 為實現上述目的，本發明提供採用以下技術方案一種變流器多單元並聯繫統環流的控制方法，本發明通過採樣各並聯變流器單元交流側輸出電流，計算得到並聯繫統三相環流，再經過三相靜止到兩相同步旋轉坐標變換，得到環流的d、q軸分量，然後將環流的d、q軸分量作為擾動疊加到d、q軸電流給定值上，來補償環流擾動對變流器交流側輸出電流所造成的影響，從而達到抑制環流的目的。由於環流存在於兩個變流器之間，因此只要控制一個變流器的環流即可。本發明上述方法包括如下步驟步驟I :信號採集單元採集直流母線電壓Ude以及第一併聯單元的三相PWM變流器交流側三相電流和第二並聯單元的三相PWM變流器交流側三相電流iak，ibk, ick(k=l, 2)，並計算出三相環流iha，ihb, ihc ；步驟2 =Clarke坐標變換單元將三相靜止坐標系下的三相電流iak，ibk, ick(k=l, 2)和三相環流iha，ihb, ih。變換到兩相靜止坐標下的電流iak，i0k(k=l, 2)和環流iha，ih0,Park坐標變換單元再將兩相靜止坐標下的電流iak，i0k(k=l, 2)和環流iha，ih0變換到兩相同步旋轉坐標系下的電流idk, iqk (k=l, 2)和環流ihd, ihq ；步驟3 :將直流母線電壓給定值Ud:與直流母線電壓Udc輸入到直流母線電壓控制器中，直流母線電壓控制器產生d軸電流給定值i/ ；步驟4 :將d軸電流給定值i/與兩相同步旋轉坐標下的環流ihd相加後與第一併聯單元在兩相同步旋轉坐標系下的電流idl輸入到第一併聯單元的d軸電流控制器中，第一併聯單元的d軸電流控制器產生第一併聯單元的d軸控制電壓Udl，將q軸電流給定值
與兩相同步旋轉坐標下的環流ihq相加後與第一併聯單元的兩相同步旋轉坐標系下的電流Iql輸入到第一併聯單元的q軸電流控制器中，第一併聯單元的q軸電流控制器產生第一併聯單元的q軸控制電壓Uql ；步驟5 =Park逆坐標變換單元將第一併聯單元在兩相同步旋轉坐標系下的控制電壓Udl, Uql變換到兩相靜止坐標下的控制電壓Ual, U01 ；步驟6 :將第一併聯單元在兩相靜止坐標系下的控制電壓Ual，U01輸入到第一併聯單元的SVPWM調製單元中，SVPWM調製單元輸出第一併聯單元的三相佔空比信息dal, dbl, Clca，將其分別作用於第一併聯單元的三相功率開關管，從而實現對第一併聯單元的三相PWM變流器的控制。步驟7 :將d軸電流給定值i/與第二並聯單元在兩相同步旋轉坐標系下的電流id2輸入到第二並聯單元的d軸電流控制器中，第二並聯單元的d軸電流控制器產生第二並聯單元的d軸控制電壓Ud2，將q軸電流給定值與第二並聯單元的兩相同步旋轉坐標系下的電流iq2輸入到第二並聯單元的q軸電流控制器中，第二並聯單元的q軸電流控制器產生第二並聯單元的q軸控制電壓U92 ；步驟8 =Park逆坐標變換單元將第二並聯單元在兩相同步旋轉坐標系下的控制電壓Ud2，Uq2變換到兩相靜止坐標下的控制電壓Ua2，U02 ；步驟9 :將第二並聯單元在兩相靜止坐標系下的控制電壓Ua2，U02輸入到第二並聯單元的SVPWM調製單元中，SVPWM調製單元輸出第二並聯單元的三相佔空比信息 da2，db2, (1。2，將其分別作用於第二並聯單元的三相功率開關管，從而實現對第二並聯單元的三相PWM變流器的控制。與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果I)針對變流器多單元並聯繫統，提供了一種環流前饋補償的環流控制方法，該方法具有物理概念清晰、算法簡單、易於數字實現等優點；2)不需要引入零軸電流閉環控制，簡化了控制系統結構，提高了系統控制穩定性，且對環流擾動的調節速度更快。3)不需要增加額外的電流傳感器，不需要改變原有控制系統結構，且普遍適用於各種調製策略中。
通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯圖I為變流器多單元並聯繫統結構示意圖；圖2為基於環流前饋補償的環流控制原理圖；圖3加入環流前饋補償前後的a相電流仿真波形圖，其中(a)未加環流前饋補償，(b)加入環流前饋補償。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。實施例I :本實施例中電網電壓為690V/50HZ，直流母線電容器組為18. 8mF，直流母線電壓給定值為1100V，開關頻率為2. 5kHz，LCL濾波器參數為電網側電感為80 μ H、中間濾波電容為466 μ F、變流器側電感為170 μ H，直流側電阻負載為O. 83 Ω。請參閱圖1，本實施例中，變流器多單元並聯繫統由兩臺三相PWM變流器單元共直流母線並聯而成，它包括第一併聯單元的輸入LCL濾波器、第一併聯單元的三相PWM變流器C0NV1、第一併聯單元的直流母線電容器組C1、第二並聯單元的輸入LCL濾波器、第二並聯單元的三相PWM變流器C0NV2、第二並聯單元的直流母線電容器組C2和直流側電阻負載Rl。三相電網的輸出端與第一併聯單元和第二並聯單元的LCL濾波器輸入端相連，第一併聯單元和第二並聯單元的LCL濾波器在輸入端並聯，第一併聯單元的LCL濾波器輸出端與第一併聯單元的三相PWM變流器CONVl的交流側輸入端相連，第二並聯單元的LCL濾波器輸出端與第二並聯單元的三相PWM變流器C0NV2的交流側輸入端相連，第一併聯單元的三相PWM變流器CONVl的直流側輸出端與第 一併聯單元的直流母線電容器組C1的正負極性端相連，第二並聯單元的三相PWM變流器C0NV2的直流側輸出端與第二並聯單元的直流母線電容器組C2的正負極性端相連，第一併聯單元的直流母線電容器組C1和第二並聯單元的直流母線電容器組C2的正負極性端分別相連，直流側電阻負載&的一端與正直流母線相連，另一端與負直流母線相連。所述的第一併聯單元的輸入LCL濾波器包括電網側電感Lgl、中間濾波電容Cfl、變流器側電感Lcl，所述的第二並聯單元的輸入LCL濾波器包括電網側電感Lg2、中間濾波電容Cf2、變流器側電感Lci2 ；所述的第一併聯單元的三相PWM變流器CONVl和第二並聯單元的三相PWM變流器C0NV2分別包括6個功率開關管及其反並聯續流二極體；所述的第一併聯單元的直流母線電容器組C1和第二並聯單元的直流母線電容器組C2分別由若干個電容器並聯而成；所述的直流側電阻負載&是由若干個大功率電阻並聯而成。流經第一併聯單元的三相PWM變流器CONVl的三相電流為ial，ibl, iel，流經第二並聯單元的三相PWM變流器C0NV2的三相電流為ia2，ib2, ie2，則定義流經兩個變流器並聯繫統的三相環流為ih，即
權利要求
1.一種變流器多單元並聯繫統的環流控制方法，其特徵在於，所述方法通過採樣各並聯變流器單元交流側輸出電流，計算得到並聯繫統三相環流，再經過三相靜止到兩相同步旋轉坐標變換，得到環流的d、q軸分量,然後將環流的d、q軸分量作為擾動疊加到d、q軸電流給定值上，來補償環流擾動對變流器交流側輸出電流所造成的影響，從而達到抑制環流的目的；由於環流存在於兩個變流器之間，因此只要控制一個變流器的環流即可。
2.根據權利要求I所述的變流器多單元並聯繫統的環流控制方法，其特徵在於，包括如下步驟 步驟I :信號採集單元採集直流母線電壓Ud。以及第一併聯單元的三相PWM變流器交流側三相電流和第二並聯單元的三相PWM變流器交流側三相電流iak，ibk, ick(k=l, 2)，並計算出三相環流iha, ihb, ihc ； 步驟2 =Clarke坐標變換單元將三相靜止坐標系下的三相電流iak，ibk, ick(k=l, 2)和三相環流iha，ihb, ihc變換到兩相靜止坐標下的電流iak，i0k(k=l, 2)和環流iha，ih0，Park坐標變換單元再將兩相靜止坐標下的電流iak，i0k(k=l, 2)和環流iha，ih0變換到兩相同步旋轉坐標系下的電流idk, iqk (k=l, 2)和環流ihd, ihq ； 步驟3 :將直流母線電壓給定值Ud:與直流母線電壓Udc輸入到直流母線電壓控制器中，直流母線電壓控制器產生d軸電流給定值i/ ； 步驟4 :將d軸電流給定值i/與兩相同步旋轉坐標下的環流ihd相加後與第一併聯單元在兩相同步旋轉坐標系下的電流idl輸入到第一併聯單元的d軸電流控制器中，第一併聯單元的d軸電流控制器產生第一併聯單元的d軸控制電壓Udl，將q軸電流給定值與兩相同步旋轉坐標下的環流ihq相加後與第一併聯單元的兩相同步旋轉坐標系下的電流iql輸入到第一併聯單元的q軸電流控制器中，第一併聯單元的q軸電流控制器產生第一併聯單元的q軸控制電壓Uqi ； 步驟5 =Park逆坐標變換單元將第一併聯單元在兩相同步旋轉坐標系下的控制電壓Udl』 Uql變換到兩相靜止坐標下的控制電壓Ual』 U01 ； 步驟6 :將第一併聯單元在兩相靜止坐標系下的控制電壓Ual，U01輸入到第一併聯單元的SVPWM調製單元中，SVPWM調製單元輸出第一併聯單元的三相佔空比信息dal，dbl, dcl,將其分別作用於第一併聯單元的三相功率開關管，從而實現對第一併聯單元的三相PWM變流器的控制； 步驟7 :將d軸電流給定值i/與第二並聯單元在兩相同步旋轉坐標系下的電流id2輸入到第二並聯單元的d軸電流控制器中，第二並聯單元的d軸電流控制器產生第二並聯單元的d軸控制電壓Ud2，將q軸電流給定值與第二並聯單元的兩相同步旋轉坐標系下的電流iq2輸入到第二並聯單元的q軸電流控制器中，第二並聯單元的q軸電流控制器產生第二並聯單元的q軸控制電壓Uq2 ； 步驟8 =Park逆坐標變換單元將第二並聯單元在兩相同步旋轉坐標系下的控制電壓Ud2』 Uq2變換到兩相靜止坐標下的控制電壓Ua2，U02 ； 步驟9 :將第二並聯單元在兩相靜止坐標系下的控制電壓Ua2，U02輸入到第二並聯單元的SVPWM調製單元中，SVPWM調製單元輸出第二並聯單元的三相佔空比信息da2，db2, dc2,將其分別作用於第二並聯單元的三相功率開關管，從而實現對第二並聯單元的三相PWM變流器的控制。
3.根據權利要求I或2所述的變流器多單元並聯繫統的環流控制方法，其特徵在於，流經第一併聯單元的三相PWM變流器的三相電流為ial，ibl, iel，流經第二並聯單元的三相PWM變流器的三相電流為ia2，ib2,丨。2，則定義流經兩個變流器並聯繫統的三相環流為ih，即%=1 != 2 I^vi _/'.2)其中，x=a, b, c, a, b, c 分別表示 a, b, c 三相，k=l, 2,且 ihl=_ih2。
全文摘要
本發明提供了一種變流器多單元並聯繫統的環流控制方法，所述方法通過採樣各並聯變流器單元交流側輸出電流，計算得到並聯繫統三相環流，再經過三相靜止到兩相同步旋轉坐標變換，得到環流的d、q軸分量，然後將環流的d、q軸分量作為擾動疊加到d、q軸電流給定值上，來補償環流擾動對變流器交流側輸出電流所造成的影響，從而達到抑制環流的目的；由於環流存在於兩個變流器之間，因此只要控制一個變流器的環流即可。本發明不需要引入零軸電流閉環控制，簡化控制系統結構，提高系統控制穩定性，且對環流擾動的調節速度更快；不需要增加額外的電流傳感器，不需要改變原有控制系統結構，且普遍適用於各種調製策略中。
文檔編號H02J3/38GK102882231SQ20121035699
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月21日 優先權日2012年9月21日
發明者呂敬, 張建文 申請人:上海交通大學