多重聯結大功率直流電源控制策略研究

焦文良，　王旭東，　那日沙，　周凱，　隋鑫

(1.哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江科技大學 電氣與控制學院，黑龍江 哈爾濱150027)

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多重聯結大功率直流電源控制策略研究

焦文良1,2，王旭東1，那日沙1，周凱1，隋鑫1

(1.哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江科技大學 電氣與控制學院，黑龍江 哈爾濱150027)

摘要:大功率直流調速電源為提高功率因數采用順序控制的多重聯結整流器，但淺度控制時諧波較大，給電網帶來了不容忽視的諧波危害，采用對多重聯結整流器在順序控制和同步控制時的輸入側電流的基波、諧波、諧波總畸變率、基波因數、功率因數等進行了波形及理論的對比分析方法，給出計算公式，得到了減小諧波的最佳控制策略。經過仿真與實驗證明對于多重聯結的大功率整流器的控制在深度控制時采用順序控制，淺度控制時采用同步控制(并行控制)是大功率多重聯結整流器的最佳控制策略，能實現在功率因數不變的前提下大幅度減小諧波。

關鍵詞:功率因數；多重聯結；順序控制；諧波

0引言

在大功率直流調速電源領域，為了提高電網的功率因數，減小電動機電流紋波，常采用多重聯結的整流器為直流電動機供電,有12相、18相，24相等整流供電[1-5]。很多文獻為提高功率因數進行了變拓撲結構的研究，這種方法只是增加了整流器的脈動數而且是有級的，沒有對控制方式進行分析與探討[6-8]，有的只是提到順序控制與同步控制(并行控制)沒有對諧波進行定量分析與測量，也沒有對整流器的控制方式進行討論[9-11]，對于多重聯結順序控制的整流網側電流諧波沒有精確的定量分析，也就不能給出最佳的控制策略[11-14]。經理論分析和實際測試表明，多重聯結順序控制的整流器深度控制時，功率因數能夠得到一定程度的提高，但控制程度很淺時諧波較大，對電網產生的危害也較大。本文將針對多重聯結整流器不同控制深度時功率因數和諧波進行定量分析，得到最佳的控制策略并通過仿真及實驗進行驗證。

1不同控制方式的多重聯結整流器諧波電流的定量分析

圖1　變流器主電路Fig.1　Inverter main circuit

圖2　α1=0°α2=30°時輸入側電流波形Fig.2　α1=0°α2=30° input side current waveform

(1)

式中：Id為整流器輸出直流電流；ω為電源角頻率，這里為100π。

運用疊加原理得網側總電流為

(2)

通過式(2)可見，采用順序控制的整流變壓器輸入側電流中，5、7、17、19…次諧波依然存在，各次諧波的幅值都與Δα有關。

諧波電流含量的大小是諧波分析的關鍵。

電流諧波含量IH為

(3)

電流總畸變率THDi為

(4)

基波電流有效值

(5)

只要求出輸入側的線電流有效值IA，就可求出IH。

圖3　不同Δα時的網側電流波形Fig.3　Net side current waveform under different Δα

當0°≤Δα≤30°時，IA為

(6)

150°≤Δα≤180°時，IA為

(7)

經以上分析可知，Δα在0°～30°和150°～180°區間內，輸入側電流有效值是一恒值。

當30°<Δα<90°時

當90°<Δα<150°時

可得兩個區間內電流有效值相同。即

(8)

將式(5)、式(6)、式(7)、式(8)代入式(3)，可得Δα在各區間的IH為

(9)

據式(9)繪出IH=f(Δα)曲線如圖4所示。通過圖4可以看出，諧波電流含量在Δα=30°時最大，為0.468Id，在Δα=150°時最小，為0.125Id。Δα在30°～150°區間內波谷和波峰出現在65.08°和114.92°處，對應的諧波含量標幺值為 0.291和0.388。Δα=0°即同步控制時為0.237。所以，在制定控制策略時應避免使Δα=30°。

圖4　IH=f(Δα)曲線Fig.4　IH=f(Δα) curve

2不同控制方式的多重聯結整流器的功率因數分析

二重聯結順序控制整流器的功率因數為：λ=ξcosφ，式中ξ為基波因數，ξ=I1/IA。據式(5)～式(8)可求出不同Δα時的ξ值，基波因數ξ在0～0.989之間變化。cosφ中，φ可表示為

(10)

在順序控制中，一般一組橋的觸發角固定，另一組橋的觸發角變化，設α1固定，α2變化，則

(11)

可得各區間功率因數為

(12)

在0°≤Δα≤30°時

(13)

在30°<Δα<150°時

(14)

在150°≤Δα≤180°時

(15)

使兩種控制方式時整流輸出電壓相同。比較同步控制和順序控制的二重聯結整流器的功率因數。

令UdT、UdS分別為同步控制和順序控制時的輸出電壓，則

UdT=Udocosα,

式中：α為同步控制時的觸發角；Udo為α為零度時整流器的輸出電壓。

令UdT=UdS，得

將Δα=0代入式(5)、式(6)求出ξ，再將ξ代入λ=ξcosα可得與順序控制方案等效的同步控制方案的功率因數為

(16)

①為順序控制α1=0°，②為同步控制α1=0°,③為順序控制α1=30°，④為同步控制α1=30°。圖5　兩種控制方式下的功率因數曲線Fig.5　Power factor curves of two kinds of control modes

ΔαIA/IdI1/IdIH/IdTHDiξ01.5771.5590.2370.1520.989151.5771.5460.3130.2020.980301.5771.5060.4680.3110.955451.4831.4410.3520.2440.971601.3821.3500.2950.2180.977751.2731.2370.3020.2440.971901.1551.1030.3430.3110.9551051.0220.9490.3790.3990.9291200.8690.7800.3850.4940.8971350.6840.5970.3330.5590.8731500.4230.4040.1250.3110.9551650.4230.2040.3701.8200.482

據式(13)～式(16)，繪出α1=0°和α1=30°時兩種控制方式下的功率因數變化曲線示于圖5。結合前面的式(5)～式(9)可得出不同特殊角度時的IH、IA、I1、THDi，ξ值如表1所示。

在圖5所示曲線中，通過曲線①和②可對比順序控制α1=0°與同步控制的功率因數，當Δα>30°時，兩種控制方式的功率因數相差較大，最大差在Δα=150°處，順序控制的功率為0.247，同步控制的功率因數為0.067相差0．18。通過曲線③和④可對比順序控制α1=30°與同步控制最小α=30°的功率因數，最大差值為0．072。在實際控制中一般最小α要不小于30°，所以順序控制的功率因數高的優勢已基本失去。

3最佳控制策略

一般在要求可逆運行的電氣設備中，為了防止逆變失敗，要設置最小逆變角，最小觸發一般取αmin=βmin=30°。這時Δα有可能經常處在30°附近，由表1的數據分析可知，這時順序控制的諧波最大，諧波含量為0.468，THDi為0.31——對電網的危害也較大。而此時如果將控制方式由順序控制變為同步控制即Δα=0°,這時諧波含量為0.237,諧波含量減小了49.4%，THDi為0.152減小了51.1%，而Δα≤30°時順序控制與同步控制的功率因數基本相同，可見這時采用同步控制才是最佳的控制策略。電機在低速運行時采用Δα=150°的控制方式，這時諧波含量僅為0.125。

4仿真及實驗

為了驗證理論分析的正確性，用Matlab軟件對二重聯結電路進行仿真分析。系統參數如下：電源電壓380 V，變壓器漏感1 mH,負載10 Ω，0.1 mH。仿真結果如圖6所示,每個小圖中上面為網側電流波形，下面為網側電流的1～50次諧波含量的柱狀圖，單位為占基波電流含量的百分比。

圖6　不同Δα時輸入電流波形及諧波含量分析結果Fig.6　　　　Input current waveform and harmonic content　　　 analysis under different Δα

通過分析仿真結果可得：在α1=α2=30°時THD=15.14%，α1=α2=60°時THD=15.05%，可知同步控制時網側電流的諧波含量較小，而在α1=30°，α2=60°即Δα=30°時網側電流的諧波含量最大THD=31.10%，而其它不同的Δα時THD值也都大于同步控制。這也驗證了淺度控制時網側電流諧波含量采用順序控制要高于采用同步控制。

同時在實驗室利用一臺3.7 kW直流它勵電機，采用二重聯結整流器對其進行供電，采用不同Δα控制，用HIOKI 3194馬達/諧波測試分析儀對變壓器二次側電流進行分析，結果如圖7所示，圖中橫坐標為1～50次諧波，縱坐標為各次諧波占基波電流的百分比。由圖7可知采用同步控制即Δα=0時網側電流諧波含量最小。由圖7可得到與采用Matlab仿真一樣的結果，即淺度控制時應采用同步控制。

圖7　不同Δα時網側電流諧波頻譜分析實測圖Fig.7　　　　Analysis chart of grid side current harmonics spectrum of different Δα

5結論

通過對順序控制的多脈動整流器網側電流的諧波和功率因數的理論分析和仿真及實驗結果可得，Δα在0°～180°范圍內時，輸入電流的諧波含量為三段連續函數，在Δα≤30°時，兩種控制方式的功率因數基本相等，而采用順序控制的整流器的輸入電流的諧波含量比同步控制時要大很多，在Δα=30°時差得最多，多了49.4%。這時采用同步控制對于多脈動整流器來講是最優控制；在Δα>30°時采用順序控制的整流器的功率因數比同步控制時要大，而輸入電流諧波含量方面，順序控制比同步控制大部分區間要大一些，而在Δα=150°時順序控制的輸入電流諧波含量達到最小,為0.125。所以對于大功率直流調速電源采用多脈動整流器時，深度控制時采用順序控制，淺度控制時采用同步控制是最佳控制策略。這種控制策略可以在不降低功率因數的前提下大幅度地減小網側電流諧波含量，減小了對電網的諧波污染，增加了電機的保用壽命，同時還提高了系統調速性能，是大功率多脈動晶閘管整流器的最佳控制策略。

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(編輯：劉琳琳)

Control strategy of high power multiple connection dc power

JIAO Wen-liang1,2，WANG Xu-dong1，NA Ri-sha1，ZHOU Kai1，SUI Xin1

(1.School of Electrical and Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China; 2.School of Electrical and Control,Heilongjiang University of Science and Technology ,Harbin 150027,China)

Abstract:High power DC speed control power supply which can improve the power factor is a kind of multiple connection rectifier using sequential control, but it brings the grid large harmonic which cannot be ignored in shallow control.Wave and theory of the input side current，harmonic, total factor of harmonic distortion, fundamental wave factor and power factor were contrastively analyzed.Moreover, the best control strategy of reducing harmonic was also proposed through the calculating formula. For the control of high power multiple connection rectifier, the best control strategy is to use sequential control in depth control and synchronous control (parallel control) in shallow control which proved by simulation and experiment. In this method, harmonic is greatly reduced but the power factor is the same.

Keywords:power factor; multiple connection; sequential control; the harmonic

收稿日期:2014-07-03

基金項目：哈爾濱市應用技術研究與開發項目(2015RAQXJ058)

作者簡介：焦文良(1971—)，男，博士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動；王旭東(1958—)，男，教授，博士生導師，研究方向為電力電子與電力傳動；那日沙(1982—)，男，博士，研究方向電機驅動控制。

通訊作者:焦文良

DOI:10.15938/j.emc.2016.05.008

中圖分類號:TM 921

文獻標志碼:A

文章編號:1007-449X(2016)05-0053-07