風(fēng)電變流器并聯(lián)控制的環(huán)流抑制策略研究

朱家瑋 彭國敬

摘要：隨著風(fēng)電機組向大容量方向發(fā)展，單個變流器容量無法滿足大機組變流的需求，需要采用小功率變流器并聯(lián)運行的方式，替代大功率開關(guān)器件，在提高系統(tǒng)容量的同時確保其滿足額定運行要求。本文重點探討并聯(lián)型風(fēng)電變流器環(huán)流抑制技術(shù)，解決并聯(lián)型變流器大容量傳遞及環(huán)流問題，實現(xiàn)負(fù)載電流均分，確保各變流器間輸出電壓的一致性，提升并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性和冗余性。隨著新型能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，以變流器為風(fēng)力發(fā)電核心器件的技術(shù)不斷成熟，僅憑單套變流器無法完成大能量的傳遞和轉(zhuǎn)換，須采用變流器并聯(lián)的方式提高系統(tǒng)功率等級。使用環(huán)流控制器，抑制并聯(lián)系統(tǒng)中的零序環(huán)流，確保各變流器間輸出電流的一致性，提升并聯(lián)系統(tǒng)的安全可靠性和冗余性。

關(guān)鍵詞：并聯(lián)型;變流器;環(huán)流抑制技術(shù)

1 變流器并聯(lián)運行技術(shù)概述

變流器的并聯(lián)方式有：1）功率模塊直接并聯(lián)。直接連接多個功率模塊的橋臂中點，實現(xiàn)對各模塊的同一驅(qū)動信號控制。2）組件模塊級并聯(lián)。將多組IGBT模塊經(jīng)由公共直流母線電容連接形成一個組件，并聯(lián)各組件模塊之后，再通過公共濾波電感或串聯(lián)電感與風(fēng)力發(fā)電機相連，有利于隔離系統(tǒng)削弱高頻環(huán)流，有效降低系統(tǒng)諧波。3）系統(tǒng)模塊級并聯(lián)。將若干個單獨控制的模塊組成一個整體，共用一個中央控制器，解決不同子系統(tǒng)的電流均分問題，有利于模塊化生產(chǎn)和故障模塊的及時更換。并聯(lián)變流器控制方法主要包括有：1）集中控制法。通過中央控制器為各并聯(lián)變流器模塊提供平均的電流信號和電壓基準(zhǔn)值，實現(xiàn)同步電壓波形的輸出。2）下垂控制法。采用無互聯(lián)線控制的方式，將不同模塊的輸出電壓和頻率調(diào)整至公共值，有效抑制環(huán)流的生成。3）分布控制法。并聯(lián)系統(tǒng)中各個變流器模塊處于同等地位，無須中央控制器，經(jīng)由互聯(lián)信號線進(jìn)行電壓/電流幅值、相角和頻率等信息的交互，完成負(fù)載電流均分。4）主從控制法。并聯(lián)系統(tǒng)中各變流器模塊處于不同等的地位，由主模塊中的中央控制器生成電壓幅值和頻率的基準(zhǔn)信號，將其傳遞給從模塊的控制器，通過調(diào)節(jié)從模塊變流器的電流大小，確保主模塊變流器的穩(wěn)定運行。

2 并聯(lián)型風(fēng)電變流器環(huán)流抑制技術(shù)應(yīng)用分析

采用載波移相技術(shù)的變流器并聯(lián)系統(tǒng)能夠有效降低總電流諧波分量，然而同時也會增大支路電流諧波分量，產(chǎn)生較大的零序環(huán)流，為此要對其進(jìn)行抑制，增強并聯(lián)型風(fēng)電變流器系統(tǒng)的可靠性。1）環(huán)流控制器設(shè)計。要對并聯(lián)型變流器系統(tǒng)中較大的零序電流進(jìn)行抑制，須將環(huán)流控制器設(shè)計為閉環(huán)控制系統(tǒng)，即電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，使兩模塊變流器共用電壓外環(huán)，保證母線電壓的穩(wěn)定性，并采用獨立但整定參數(shù)相同的電流內(nèi)環(huán)，變換生成SVPWM三相原始正弦調(diào)制波，修正WVPWM三相調(diào)制波，消除零序環(huán)流。可以采用一種基于PR控制器的環(huán)流抑制器，調(diào)節(jié)變流器的零序調(diào)制波，實現(xiàn)對零序環(huán)流的抑制，達(dá)到精準(zhǔn)控制環(huán)流的效果。

2）對載波移相系統(tǒng)環(huán)流的抑制。由于載波移相技術(shù)在降低并網(wǎng)總電流諧波的過程中，也會在支路電流中生成較大的諧波分量和變流器間零序環(huán)流。環(huán)流控制器，能有效抑制環(huán)流，實現(xiàn)支路電流的重合和負(fù)載電流均分，降低支路諧波分量，使之由6.31%降至3.32%，并將三次諧波構(gòu)成的零序環(huán)流幅值抑制在2.9A以內(nèi)，較好地保障總電流的質(zhì)量，確保風(fēng)電并聯(lián)變流器系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3）開關(guān)頻率對環(huán)流的影響及抑制。當(dāng)變流器的開關(guān)頻率不同時，會導(dǎo)致支路電流不均分的環(huán)流現(xiàn)象。將環(huán)流控制器加入到并聯(lián)系統(tǒng)之中，可將環(huán)流幅值限制在較小范圍之內(nèi)，使負(fù)載電流得以均分，有效降低支路諧波的含量，符合并網(wǎng)電流諧波的要求，確保電流的質(zhì)量。通過應(yīng)用驗證可知，在并聯(lián)系統(tǒng)中采用環(huán)流控制器能夠?qū)⒘阈颦h(huán)流控制在2.2A以內(nèi)，提高支路電流的重合度，并降低支路諧波含量，使之由4.92%降至3.47%，提高并聯(lián)系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。

4）濾波電感對環(huán)流的影響及抑制。如果濾波電感大小不一致，則會導(dǎo)致零序環(huán)流的生成，出現(xiàn)系統(tǒng)支路電流的畸變現(xiàn)象。將環(huán)流控制器加入到并聯(lián)系統(tǒng)之中，通過環(huán)流控制器有效抑制濾波電感不一致而引發(fā)的零序環(huán)流，并抑制支路電流的諧波含量，降低總電流諧波，確保電流的質(zhì)量。通過應(yīng)用分析可知，系統(tǒng)中采用環(huán)流控制器可以將因濾波電感不同而產(chǎn)生的環(huán)流抑制在2.7A以內(nèi)，并均分負(fù)載電流，降低諧波含量，使之降至3.32%。

三、環(huán)流等效模型

圖1所示為實際工程應(yīng)用中普遍采用的兩臺變流器共直流側(cè)并聯(lián)拓?fù)鋱D，變流器并聯(lián)控制必然帶來如圖1所示的環(huán)流問題。

3.1兩種環(huán)流抑制策略

由上文分析可知，并聯(lián)變流器機、網(wǎng)測的環(huán)流相互獨立并且環(huán)流產(chǎn)生的主要原因是兩機側(cè)或網(wǎng)側(cè)變流器的三相橋臂占空比的零軸分量dgz1≠dgz2或dσz1≠dσz2。在進(jìn)行環(huán)流抑制時可對機、網(wǎng)側(cè)進(jìn)行分開設(shè)計，以機側(cè)環(huán)流抑制為例的兩種環(huán)流抑制策略。下面將分別介紹

（1） 忽略機側(cè)變流器的并聯(lián)上、下橋臂PWM驅(qū)動信號的不一致問題。在機側(cè)變流器的控制中加入零序電流控制，設(shè)計環(huán)流抑制器只抑制機側(cè)變流器的環(huán)流，機器變流器2的環(huán)流自然得到抑制。使用電流傳感器測得機側(cè)變流器的三相電流并算出Z軸（零軸）電流信號作為反饋信號送入環(huán)流抑制器，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器作為環(huán)流抑制器的輸出再分送補償?shù)饺鄻虮壅伎毡攘闶噶可蟻碚{(diào)整零軸分量dgz1，從而實現(xiàn)環(huán)流的抑制。

（2） 考慮并聯(lián)上、下管的PWM驅(qū)動信號的一致性。采用機側(cè)兩個變流器用一個DSP控制（網(wǎng)側(cè)類似），也就是機側(cè)并聯(lián)采用一個電流環(huán)控制。該控制策略通過將電流傳感器檢測到的兩個變流器的三相電流之和送入PI調(diào)節(jié)器的反饋端，電流環(huán)的給定由轉(zhuǎn)矩控制算法得到，通過一個電流環(huán)調(diào)節(jié)后輸出信號經(jīng)過SVPWM來控制兩并聯(lián)變流器的開通和關(guān)斷。在并聯(lián)側(cè)采用同一個載波和同一個調(diào)制信號，避免了控制策略的上、下橋臂PWM驅(qū)動信號的不一致問題，從而達(dá)到抑制橋臂環(huán)流的目的。

四、小結(jié)

綜上所述，并聯(lián)型變流器系統(tǒng)存在常見的環(huán)流問題，本文提出并聯(lián)型風(fēng)電變流器的設(shè)計方法，并提出基于PR控制的閉環(huán)零序環(huán)流抑制策略，在并聯(lián)型風(fēng)電系統(tǒng)中加入環(huán)流控制器，分析開關(guān)頻率、濾波電感等參數(shù)對環(huán)流的影響，有效降低并聯(lián)型風(fēng)電系統(tǒng)的零序環(huán)流，提高變流器并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。后續(xù)還要深入研究三模塊并聯(lián)或更多模塊并聯(lián)的多模

塊級聯(lián)系統(tǒng)，并采用調(diào)節(jié)零矢量作用時間的方式進(jìn)行環(huán)流抑制，并進(jìn)一步驗證環(huán)流控制器的實用性能。

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