三電平變流器中點(diǎn)電壓波動(dòng)的不平衡控制

三電平變流器中點(diǎn)電壓波動(dòng)的不平衡控制

0不對(duì)稱條件下變流器中點(diǎn)電壓波動(dòng)規(guī)律由于多永平技術(shù)具有低電壓補(bǔ)償率、低dap和低電壓濾波率的特點(diǎn)，降低了開關(guān)裝置的電壓強(qiáng)度，降低了濾波器的設(shè)計(jì)要求。因此，它被廣泛應(yīng)用于容量損失變換領(lǐng)域。從經(jīng)濟(jì)性、控制的復(fù)雜程度、系統(tǒng)性能等方面綜合考慮,二極管箝位(NPC)三電平變流器在工程中得到了較廣泛的應(yīng)用,如電氣傳動(dòng)、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域。目前,對(duì)于三相并網(wǎng)型PWM變流器,普遍應(yīng)用的控制技術(shù)都是以三相電網(wǎng)電壓對(duì)稱為前提進(jìn)行建模和控制。由于三電平變流器的中點(diǎn)電壓只與變流器采用的調(diào)制技術(shù)和三相電流有關(guān),因此,只要三相電壓對(duì)稱,不論電網(wǎng)電壓是否跌落,三相電流必然對(duì)稱,變流器中點(diǎn)電壓的波動(dòng)規(guī)律與正常運(yùn)行時(shí)相同。但當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)不對(duì)稱時(shí),為抑制直流母線電壓出現(xiàn)的諧波,變流器還必須對(duì)負(fù)序分量進(jìn)行控制,才能保證變流器的安全并實(shí)現(xiàn)低電壓穿越(LVTR),此時(shí),三相電流將不再對(duì)稱。因此有必要研究不對(duì)稱條件下變流器中點(diǎn)電壓的波動(dòng)規(guī)律。目前,在公開的文獻(xiàn)中尚未看到對(duì)這一問題的深入研究。本文分析了三電平變流器應(yīng)用抑制直流電壓諧波的不平衡控制策略,分別在單相電壓跌落與兩相電壓跌落情況下,采用標(biāo)準(zhǔn)SVPWM技術(shù)與虛擬矢量合成SVPWM(VVS-SVPWM)技術(shù)研究了中點(diǎn)電壓波動(dòng)規(guī)律。仿真結(jié)果與理論分析結(jié)論一致。1采用了一個(gè)短矢量u3和控制系數(shù)kSVPWM技術(shù)由于其直流電壓利用率高、產(chǎn)生的波形質(zhì)量高、諧波含量小、便于數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)時(shí)控制等優(yōu)點(diǎn),得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于NPC三電平變流器(見圖1)采用SVPWM技術(shù)時(shí),還必須考慮抑制中點(diǎn)電壓偏移與波動(dòng)問題。三電平電壓空間矢量圖的每個(gè)扇區(qū)內(nèi)部有2種劃分模式,以扇區(qū)Ⅰ為例,一種是標(biāo)準(zhǔn)的劃分方式(見圖2(a)),將扇區(qū)中的基本矢量相連,可得到4個(gè)子區(qū)域;另一種是將中矢量U3用虛擬矢量U′3代替(見圖2(b)),其優(yōu)點(diǎn)在于通過開關(guān)模式的合理選擇,可使SVPWM具有中點(diǎn)電壓的自平衡能力。中點(diǎn)電壓平衡控制的基本思想依然是通過實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地調(diào)制短矢量的作用時(shí)間,實(shí)現(xiàn)對(duì)電容充放電的控制,達(dá)到中點(diǎn)電壓平衡的目的。常用的滯環(huán)控制是一種定性的、較粗略的控制,考慮算法的簡化與控制效果,借鑒文獻(xiàn)[12-13]的思路,本文在滯環(huán)控制中引入控制系數(shù)k實(shí)現(xiàn)對(duì)中點(diǎn)電壓的定量控制。其基本原理是:在保證短矢量在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)總作用時(shí)間不變的前提下,根據(jù)檢測(cè)到的中點(diǎn)電壓和交流電流方向,實(shí)時(shí)調(diào)整正負(fù)短矢量的作用時(shí)間,實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電壓的平衡控制。以扇區(qū)Ⅰ為例,令k=△udc/△Umax(-1≤k≤1,△udc為中點(diǎn)電壓波動(dòng)值,△Umax為允許的最大中點(diǎn)電壓波動(dòng)值),則正負(fù)短矢量作用的占空比可按表1計(jì)算,其他扇區(qū)正負(fù)短矢量的占空比也可按同樣方法推出。其中,d1與d2分別為短矢量U1與U4的占空比。2控制策略選擇當(dāng)電網(wǎng)電壓不對(duì)稱時(shí),如果只對(duì)正序分量進(jìn)行控制,則此時(shí)出現(xiàn)的負(fù)序電壓會(huì)產(chǎn)生很大的負(fù)序電流,嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)變流器交流過流,甚至燒毀裝置;負(fù)序電流的出現(xiàn)也會(huì)導(dǎo)致直流電壓出現(xiàn)2倍工頻的2次諧波,直流電壓的波動(dòng)導(dǎo)致電容頻繁充放電,減少電容使用壽命,同時(shí)使交流側(cè)產(chǎn)生3次諧波,惡化了電能質(zhì)量。目前,國內(nèi)外對(duì)三相并網(wǎng)變流器不對(duì)稱運(yùn)行提出的控制策略主要有以下2種:一種是抑制三相電壓源型變換器交流負(fù)序電流的不平衡控制策略,該算法簡單,可以使網(wǎng)側(cè)三相電流對(duì)稱,但直流電壓依然含有2次諧波;另一種是抑制直流電壓諧波的不平衡控制策略,該方法可基本消除直流電壓的2次諧波,但三相電流不對(duì)稱,算法復(fù)雜,共需5個(gè)PI調(diào)節(jié)器,本文采用該方法作為變流器不對(duì)稱運(yùn)行的控制策略。三相不平衡條件下,網(wǎng)側(cè)變流器視在復(fù)功率S為其中,U+dq、U-dq、I+dq、I-dq分別為網(wǎng)側(cè)電壓、電流在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的正、負(fù)序分量。由于只有4個(gè)控制變量,而p0與q0必須受系統(tǒng)控制,故在pc2、ps2、qc2、qs24個(gè)狀態(tài)量中,只能有2個(gè)受控。由于本文要求抑制直流電壓2次諧波,故令pc2=ps2=0,可得:系統(tǒng)采用的正、負(fù)序雙電流內(nèi)環(huán)的控制策略如圖3所示。3理論極限分析為得到中點(diǎn)電壓平衡控制能力的理論極限,可假設(shè)中點(diǎn)電壓始終偏低,需對(duì)C1放電、對(duì)C2充電才能使中點(diǎn)電壓平衡,只需分析iC2在一個(gè)基波周期中的最小值iC2_min與平均值iC2_av,即可得該理論極限。結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,采用標(biāo)幺值進(jìn)行分析,令PN=1,QN=0.4,IN=1。根據(jù)采用的變流器不對(duì)稱控制策略,以及iC2在各扇區(qū)與占空比的表達(dá)式,即可求得iC2_min與iC2_av。下述分析均以變流器工作容量S=0.4、cosφ=P/S為例,其中,φ為三相系統(tǒng)的功率因數(shù)角。3.1級(jí)數(shù)對(duì)中點(diǎn)電壓平衡的影響圖4為2種調(diào)制方式在發(fā)生單相電壓跌落時(shí),iC2_min與iC2_av(標(biāo)幺值)的三維圖。圖中,電壓跌落比kdip代表實(shí)際相電壓與額定相電壓之比。從圖4可看出以下幾點(diǎn)。a.對(duì)于同一功率因數(shù),隨著電壓跌落比的減小,iC2_min也隨之減小,且功率因數(shù)越接近于零,iC2_min減小的速率越大。因此,功率因數(shù)越低,同樣的電壓跌落比會(huì)產(chǎn)生更大的中點(diǎn)電壓波動(dòng)。b.對(duì)于同一電壓跌落比,iC2_min隨功率因數(shù)增大而增大。功率因數(shù)越高,中點(diǎn)電壓平衡的控制能力越強(qiáng);功率因數(shù)越低,中點(diǎn)電壓平衡的控制能力越弱。c.對(duì)于同一電壓跌落比,Q﹥0(0°≤φ≤180°)時(shí)的iC2_min大于Q﹤0(180°﹤φ﹤360°)時(shí)的iC2_min。這是由于在這2種工況下Q﹥0的調(diào)制比小于Q﹤0的調(diào)制比。這意味著對(duì)于同一功率因數(shù),Q﹤0時(shí)產(chǎn)生的中點(diǎn)電壓波動(dòng)大于Q﹥0時(shí)產(chǎn)生的中點(diǎn)電壓波動(dòng)。d.由于iC2_min≤0,故在iC2_min﹤0時(shí),三電平變換器失去了瞬時(shí)控制中點(diǎn)電壓平衡的能力,中點(diǎn)電壓將出現(xiàn)低頻紋波;但iC2_av≥0,故三電平變換器在全區(qū)域范圍內(nèi),能在一個(gè)基波周期內(nèi)控制中點(diǎn)電壓達(dá)到平衡。e.由圖4(b)與圖4(d)可知,在同樣條件下,VVS-SVPWM產(chǎn)生的中點(diǎn)電壓波動(dòng)小于標(biāo)準(zhǔn)SVPWM產(chǎn)生的中點(diǎn)電壓波動(dòng)。3.2單相電壓全過程和組合線性相關(guān)法圖5為2種調(diào)制方式在發(fā)生兩相電壓跌落時(shí),iC2_min與iC2_av(標(biāo)幺值)的三維圖。其條件為a相電壓跌落比為0.3,b相電壓的電壓跌落比則由1減至0。從圖5除了可得出與單相電壓跌落相同的規(guī)律外,還可得出下述結(jié)論。a.電壓跌落比等于1的曲線為單相電壓跌落(a相電壓跌落比為0.3)對(duì)應(yīng)的曲線。b.對(duì)于同一功率因數(shù),隨著電壓跌落比的減小,iC2_min先隨之增大,在電壓跌落比減小至某一轉(zhuǎn)折點(diǎn)后,iC2_min則開始減小。該轉(zhuǎn)折點(diǎn)隨功率因數(shù)的增大而減小;在φ為270°附近且電壓跌落比小于轉(zhuǎn)折點(diǎn)的區(qū)域,iC2_min會(huì)隨電壓跌落比的不斷減小而減至最小,此時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的中點(diǎn)電壓波動(dòng)。對(duì)于其他情況的兩相電壓跌落情況,可同樣得出相同結(jié)論。4種svpwm單相電壓實(shí)踐對(duì)比變流器參數(shù)如下:直流電壓1100V,電網(wǎng)電壓660V,C1=C2=10mF,系統(tǒng)容量1.08MV·A,采樣頻率9kHz,開關(guān)頻率1.5kHz,△Umax=15V,控制系數(shù)k綴[-0.5,0.5]。整流器出口與電網(wǎng)之間接LCL濾波器。為驗(yàn)證三電平變流器在不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)的理論分析結(jié)論,本文以P=0、Q=665kvar為例進(jìn)行分析。分別采用2種SVPWM技術(shù),在Q=665kvar與-665kvar時(shí)進(jìn)行對(duì)比分析,仿真過程為:0~0.6s期間,三相電壓對(duì)稱;0.6~0.8s期間,b相發(fā)生單相電壓跌落,電壓跌落比為0.3;0.8~0.9s期間,發(fā)生兩相電壓跌落,b相電壓跌落比依然為0.3,c相電壓跌落比為0.3。圖6為仿真波形。從圖6(a)與圖6(b)可看出,標(biāo)準(zhǔn)SVPWM技術(shù)在單相電壓跌落比為0.3時(shí)產(chǎn)生的中點(diǎn)電壓波動(dòng)大于兩相電壓跌落產(chǎn)生的中點(diǎn)電壓波動(dòng);Q>0時(shí)產(chǎn)生的中點(diǎn)電壓波動(dòng)小于Q<0時(shí)產(chǎn)生的中點(diǎn)電壓波動(dòng)。從圖6(c)與圖6(d)可以看出,VVS-SVPWM單相電壓跌落比為0.3時(shí)產(chǎn)生的中點(diǎn)電壓波動(dòng)小于兩相電壓跌落產(chǎn)生的中點(diǎn)電壓波動(dòng);Q>0時(shí)產(chǎn)生的中點(diǎn)電壓波動(dòng)小于Q<0時(shí)產(chǎn)生的中點(diǎn)電壓波動(dòng)。通過圖6(a)與圖6(c)、圖6(b)與圖6(d)的對(duì)比可看出,在同樣條件下,VSS-SVPWM技術(shù)產(chǎn)生的中點(diǎn)電壓波動(dòng)小于標(biāo)準(zhǔn)SVPWM技術(shù)產(chǎn)生的中點(diǎn)電壓波動(dòng)。上述分析表明,仿真結(jié)果所得結(jié)論與理論分析相一致。對(duì)于其他工況下的不對(duì)稱運(yùn)行規(guī)律,經(jīng)驗(yàn)證均與理論分析一致。在此不再給出相關(guān)波形。5變流器不對(duì)稱時(shí)不平衡控制策略三電平變流器的中點(diǎn)電壓只與變流器采用的調(diào)制技術(shù)和三相電流有關(guān)。對(duì)于