并聯三相PWM變換器零序環流帶寬擴展

張學廣 陳佳明 張文杰 徐殿國

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并聯三相PWM變換器零序環流帶寬擴展

張學廣 陳佳明 張文杰 徐殿國

（哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院 哈爾濱 150001）

三相PWM變換器并聯系統運行時會產生環流。為解決并聯系統環流問題，本文提出一種零序電流環帶寬擴展策略。在分析并聯模塊環流模型的基礎上，詳細研究了變換器的參數差異和數字控制器的延時對零序電流環帶寬的限制，利用電壓零矢量前饋控制消除了變換器參數差異和運行狀態不同對零序電流環帶寬設計的限制，并結合單個載波周期內雙次電流采樣雙次PWM更新方式（DSDU）有效增加了零序電流環的帶寬。該方法不需要提高系統的開關頻率，具有動態響應快和環流抑制效果好的優點，能夠在并聯模塊濾波電感不同及給定電流不同的情況下，獲得較好的環流控制效果。實驗結果驗證了理論分析的正確性和控制策略的有效性。

三相PWM變換器并聯 環流控制 帶寬擴展 電壓零矢量前饋

0 引言

三相PWM變換器廣泛應用于風力發電、光伏發電等低壓大電流場合[1]。利用變換器并聯來提高系統的功率等級是目前普遍采用的方法。然而，變換器共直流母線且交流側直接并聯時會帶來環流問題[2]。抑制環流問題是目前該領域的研究重點。

消除環流最簡單的方法是采用硬件隔離并聯方式，利用多繞組變壓器或獨立直流源切斷環流通路[3,4]，從根本上消除環流。這種方法簡單易行，但需要使用變壓器或額外的直流源，硬件體積較大，成本較高。采用直接并聯方式可克服隔離并聯方式的不足。在直接并聯方式中，最簡單的環流抑制方法是在環流通路上增加電抗器[5]，這種通過硬件形成高阻抗的方法可有效抑制高頻環流，但對于中低頻環流的抑制作用有限。

對于環流問題，目前研究較多的是從控制算法上對環流進行抑制。文獻[6]通過對變換器內各相和并聯變換器間載波移相的方式減小模塊間的環流，這種開環控制方法能夠減小并網電流的畸變，但不能從根本上消除環流。文獻[7]采用主從控制方式將從變換器的調制電壓控制到與主變換器相同以實現對環流的抑制，這種開環控制方式同樣不能從根本上抑制環流。文獻[8]采用指定諧波消除的方法抑制環流，該方法能夠同時對環流的低頻和高頻分量進行抑制，環流控制效果好，但系統的開關頻率較高。文獻[9,10]通過PI控制算法調節零矢量的分配來抑制環流，該方法因控制結構清晰，比較容易實現而得到普遍采用，但是環流抑制效果受零序電流環的帶寬限制，并不適于并聯模塊電感不同及給定電流不同的情況。因此，本文在環流PI控制方法的基礎上研究了零序電流環帶寬擴展策略。

三相并聯系統的環流可分為低頻和高頻分量，其中低頻分量是環流的主要成分。在低壓大電流環境下，由于大功率開關器件開關頻率的限制，低頻環流是環流抑制的主要目標。提高零序電流環的控制帶寬，能夠改善環流抑制的效果。然而，功率器件的開關頻率低、數字控制器的延時[11]以及干擾量的存在均會制約電流環帶寬。因此在不提高功率器件開關頻率的前提下減小控制器的延時、排除干擾量的影響對于提高零序電流環帶寬、改善零序環流控制效果具有非常重要的意義。

本文針對共直流母線交流側直接并聯三相PWM變換器系統的環流控制方法進行了研究。首先給出并聯三相PWM變換器數學模型，分析環流產生的原因和抑制方法以及限制環流電流環帶寬的主要因素，在傳統環流PI控制方法的基礎上，提出利用雙次電流采樣和雙次PWM占空比輸出更新（Dual currents Sampling and Dual PWM duty ratios Update，DSDU）方式來擴展零序電流環帶寬，并結合電壓零矢量前饋排除干擾量影響的控制策略，有效提高零序電流環的動態響應，改善環流的控制效果。最后通過實驗驗證了所提方法的有效性。

1 并聯三相PWM變換器環流控制原理

1.1 并聯三相PWM變換器平均數學模型

圖1為共直流母線的交流側直接并聯的三相PWM變換器拓撲結構。這種并聯結構中兩個變換器同一相的上、下橋臂的開關管、直流源和交流濾波電感共同形成了零序環流回路。兩變換器模塊間的零序環流為

式中，=1,2分別表示圖1中的上、下兩個模塊。并聯變換器開關管的異步動作是環流產生的根本原因。功率開關管參數分散性、并聯模塊的交流濾波電感的差異以及不同模塊輸出電流的差異均會造成開關管的異步動作，導致環流的產生。以直流側負極為參考點，圖示電流方向為參考方向，得到同步旋轉坐標系下變換器并聯結構的平均模型

圖1 并聯三相PWM變換器拓撲結構

Fig.1 Topology structure of parallel connection system of three-phase PWM converter