电压源型PWM整流器的并联结构及其整流器控制方法

摘要

本发明公开了属于电力电子应用技术领域的一种电压源型PWM整流器的并联结构及其整流器控制方法。所述电压源型PWM整流器的拓扑电路结构分为单相电压源型PWM整流器的并联结构、三相电压源型PWM整流器的并联结构，其控制方法是基于电网电压定向的矢量控制技术，采用电压外环、电流内环控制方式，将所并联的电压源型PWM整流器控制电路的外环电压调节器独立出来，形成一个公用的统一电压调节器，输出唯一的外环控制电压，将控制策略简化为单闭环电流控制，以解决并联电压源型PWM整流器能量流向的一致性问题，避免环流的产生，为电压源型PWM整流器多模块并联，实现大功率化、积木化、规模化应用提供技术保障。

说明书

技术领域

本发明属电力电子应用技术领域，特别涉及一种电压源型PWM整流器的并联结构及其整流器控制方法。具体说是关于分布式电源，可再生能源发电并网，充放电及其储能等系统的新型电力电子整流器大功率化、模块化的并联技术和方法。

背景技术

交直流变换在整个电力电子装置中所占的比例很大，绝大多数直流(DC)电源都需要通过交流(AC)电源进行整流来获取。传统的整流装置是采用二极管组成的半波、全波或桥式整流；或采用晶闸管的相控整流，但是这些整流装置存在功率因数低，交流侧波形畸变严重等缺点。自从20世纪80年代后期开始将PWM(脉冲宽度调制)技术引入整流器控制中，这种高功率因数PWM整流器技术已成为国内外研究的热点。电压源型PWM整流技术是一种新型电力电子整流技术，与传统的整流技术相比，整流器网侧电流接近正弦波，谐波含量小；网侧功率因数可控，例如单位功率因数控制，或者根据需要参与公共连接点(PCC)的无功功率调节，吸收或发出无功功率；有着明显的技术优势：

1)电压源型PWM整流器的能量可以双向变换，在保证直流电压恒定的基础上，自动实现能量的双向流动，而不需要改变电路的拓扑接线方式。

2)快速的动态传输响应能力。

随着电压源型PWM整流器应用程度的深化，大功率、规模化工程应用势在必行。然而电压源型PWM整流器采用积木方式并联扩大容量的方法遇到了问题。由于电压源型PWM整流器一般采用双闭环控制策略，外环控制整流器直流输出电压U_dc，内环控制整流器网侧交流电流；并且在满足恒值控制直流电压U_dc的目标下，能量自动双向变换，即：当直流侧电压高于给定值时，调节器作用的同时，能量自动从直流侧流向整流器网侧，当直流侧电压低于给定值时，调节器作用的同时，能量自动从整流器网侧流向直流侧。由于各个整流器给定参数以及调节参数的分散性，可能造成给定参数的细小差异，以及调节参数的不一致，当两个或多个电压源型PWM整流器并联时，在同一时刻，将可能出现部分整流器工作在整流状态，部分整流器工作在有源逆变状态。由于各电压源型PWM整流器的内阻均极小，这种部分整流、部分有源逆变的情形可能在所并联的电压源型PWM整流器之间形成大的环流，轻则影响整流器的正常工作，影响整个系统的稳定性，降低系统的性能；重则危害，甚至损坏所并联的电压源型PWM整流器系统。因此，一般不允许电压源型PWM整流器并联工作。

发明内容

本发明的目的是提出一种电压源型PWM整流器的并联结构及其整流器控制方法。以满足电压源型PWM整流器大功率化、积木化、模块化应用的技术需求。

所述电压源型PWM整流器的并联结构，其特征在于，所述电压源型PWM整流器的拓扑电路结构分为单相电压源型PWM整流器的并联结构、三相电压源型PWM整流器的并联结构以及以三相电压源型PWM整流器的并联结构为模块的多模块三相电压源型PWM整流器的并联结构；

所述单相电压源型PWM整流器的并联结构是指主电路由采用具有反并联二极管的功率开关管构成上臂和下臂，上、下臂串联构成一个桥臂；两个桥臂并联组成单相全桥，直流侧并联滤波电容器C，构成典型的单相电压源型PWM整流器。多个单相电压源型PWM整流器电路并联组成单相电压源型PWM整流器的并联结构，其特点是：各个桥式整流电路的交流取自同一个交流电源，直流端并联构成直流母线，共同分担直流负载RL。

所述三相电压源型PWM整流器的并联结构是指主电路由三个单相电压源型PWM整流器电路并联组成的电路，各相采用具有反并联二极管的功率开关管构成上臂和下臂，上、下臂串联构成一个桥臂；三个桥臂并联组成三相桥式电路，三相交流电源火线经三相线性电感L接入各相桥臂的上下臂连接处，直流侧并联滤波电容器C，构成典型的三相电压源型PWM整流器电路；其中，各个桥式整流电路的交流取自同一个交流电源，直流端并联构成直流母线，共同分担直流负载RL；交流电源火线经线性电感L接入一相桥臂的上下臂连接处，零线直接接另一相桥臂的上下臂连接处。

所述多模块三相电压源型PWM整流器的并联结构是三相电压源型PWM整流器的并联结构为一个模块，1-N个并联，其中，各个桥式整流电路的交流取自同一个交流电源，直流端并联构成直流母线，共同分担直流负载RL。

所述多个电压源型PWM整流器并联运行的控制方法，其特征在于，将各并联的电压源型PWM整流器的外环电压调节器独立出来，形成一个公用的统一电压调节器，使各并联整流器的控制简化为单闭环电流控制。这样，一方面，克服了并联整流器给定参数以及调节参数的分散性，避免了在并联运行过程中部分整流器工作在整流状态，部分整流器工作在有源逆变状态，排除了在所并联的电压源型PWM整流器之间形成环流的因素；另一方面，各并联整流器的控制策略简化为网侧交流电流单闭环控制，实质上转化为并联整流器间的均流控制，从而，本发明解决了并联的电压源型PWM整流器在并联运行时各电压源型PWM整流器能量流向的一致性问题，避免了环流的产生；同时，也解决了电压源型PWM整流器并联的均流难题，为电压源型PWM整流器多模块并联，实现大功率化、积木化、规模化应用提供技术保障。

该技术方案具有如下技术和方法上的创新：

1)提出电压源型PWM整流器多模块并联的方法，解决了电压源型PWM整流器大功率化、积木化、规模化应用的技术难题。

2)将各并联的电压源型PWM整流器的外环电压调节器独立出来，形成一个公用的统一电压调节器，解决了在并联运行时各电压源型PWM整流器能量流向的一致性问题，避免了环流的产生。

3)以统一电压调节器的输出控制电压作为各并联电压源型PWM整流器有功电流给定分量，功率因数或网侧无功功率换算为无功电流给定分量，各并联电压源型PWM整流器采用闭环电流控制实现并联均流控制，解决了各电压源型PWM整流器并联运行时的均流问题。

附图说明

图1为典型电压源型PWM整流器主电路拓扑结构示意图，其中，a为单相电压源型PWM整流器的结构示意图，b为三相电压源型PWM整流器的结构示意图。

图2为三相电压源型PWM整流器的控制框图。

图3为三相电压源型PWM整流器多模块并联的具体实施方式框图。

具体实施方式

其控制的逻辑关系如图3所示。详细说明如下：将主电路电气拓扑结构分为单相电压源型PWM整流器并联、三相电压源型PWM整流器并联，以及多模块三相电压源型PWM整流器的并联结构，典型的电压源型PWM整流器拓扑电路如图1(a)，(b)所示。主电路采用具有反并联二极管的功率开关管构成上(或下)臂，上、下臂串联构成一个桥臂；两个桥臂并联组成单相桥式电路如图1(a)，三个桥臂并联组成三相桥式电路如图1(b)。

所述单相电压源型PWM整流器的并联结构是指主电路由采用具有反并联二极管的功率开关管构成上臂和下臂，上、下臂串联构成一个桥臂；两个桥臂并联组成单相全桥，直流侧并联滤波电容器C，构成典型的单相电压源型PWM整流器。多个单相电压源型PWM整流器电路并联组成单相电压源型PWM整流器的并联结构，其特点是：各个桥式整流电路的交流取自同一个交流电源，直流端并联构成直流母线，共同分担直流负载R_L，如图1(a)所示。

所述三相电压源型PWM整流器的并联结构是指主电路由三个单相电压源型PWM整流器电路并联组成的电路，各相采用具有反并联二极管的功率开关管构成上臂和下臂，上、下臂串联构成一个桥臂；三个桥臂并联组成三相桥式电路，三相交流电源火线经三相线性电感L接入各相桥臂的上下臂连接处，直流侧并联滤波电容器C，构成典型的三相电压源型PWM整流器电路；其中，各个桥式整流电路的交流取自同一个交流电源，直流端并联构成直流母线，共同分担直流负载RL；交流电源火线经线性电感L接入一相桥臂的上下臂连接处，零线直接接另一相桥臂的上下臂连接，处如图1(b)所示。

图2所示为三相电压源型PWM整流器的控制框图。控制方法基于电网电压定向的矢量控制技术，采用双闭环控制，外环为电压控制环，内环为网侧电流控制环，a.外环以直流输出电压信号作为电压反馈量，经R₁，R₂电阻网络1分压、直流母线电压采样2获得电压反馈量U_dc，以给定电压U_dc^*为恒值目标，U_dc和U_dc^*经第三加法器16处理，通过电压调节器3进行比例-积分运算输出控制电流i_d^*；b.内环分为d轴电流调节器4和q轴电流调节器5，其过程是先将三相瞬时交流电流经数学变换，解耦得到与电压合成矢量同方向的直流电流分量i_d、与电压合成矢量垂直的直流电流分量i_q；由于i_d与电压合成矢量同方向，因此i_d称为电流有功分量，控制i_d可调节整流器的有功功率，即图中的直流母线电压，同理i_q称为电流无功分量，控制i_q可调节整流器的无功功率；其控制的逻辑关系如图2所示。以三相为例说明，在图1(b)所示的三相电压源型PWM整流器主电路拓扑结构中，设三相电网电动势为e_a，e_b，e_c，经三相线性电感L接入各相桥臂的上下臂连接处，三相网侧电流分别为i_a，i_b，i_c，直流侧并联滤波电容器C和直流负载电阻R_L；其控制部分是在三相线性电感L与三相电网电动势为e_a，e_b，e_c的连接处的三相中任何一相上，以e_a为例，即在e_a相线上串联锁相环8和正弦、余弦信号发生器9，正弦、余弦信号发生器9输出正弦、余弦信号至dq/αβ变换11，dq/αβ变换11再经过串联的第二abc/αβ变换12、SVPWM信号生成器13与PWM整流器连接；在三相线性电感L与PWM整流器连接的各相节点6分别连接第一abc/αβ变换7，第一abc/αβ变换7再连接αβ/dq变换10，αβ/dq变换10两路输出，其中i_q信号经第一加法器14、q轴电流调节器5与dq/αβ变换11的u_q^*输入连接，i_d信号经第二加法器15、d轴电流调节器4与dq/αβ变换11的u_d^*输入连接；在滤波电容器C和直流负载电阻R_L之间并联R₁、R₂电阻网络1经过直流母线电压采样2、第三加法器16、电压调节器3和第二加法器15连接。

具体运算过程现详细说明如下：

1)首先从各相节点6提取的交流电流i_a，i_b，i_c为电流反馈量，通过abc/αβ变换7的三相静止坐标系至两相静止坐标系变换，将相位互差120°的三相电流i_a，i_b，i_c变换为相位互差90°的两相电流i_α，i_β；

2)同时选取电网三相合成电压矢量作为d轴矢量定向基准，通过锁相环电路8实时检测电网A相电动势e_a的相位，经正弦、余弦信号发生器9确定电压定向矢量的位置角θ，求得θ的正弦、余弦函数；

3.再通过αβ/dq变换10将αβ两相静止坐标系变换至dq同步旋转止坐标系，将静止坐标系下正弦分量i_α，i_β最终变换为同步旋转坐标系下直流分量i_d，1_q。

4.外环以直流输出电压信号作为电压反馈量，经R₁，R₂电阻网络1分压、直流母线电压采样2获得电压反馈量U_dc，以给定电压U_dc^*为恒值目标，U_dc和U_dc^*经第三加法器16处理，通过电压调节器3进行比例-积分运算输出控制电流i_d^*；i_d^*作为d轴电流调节器4的给定参数，交流电流解耦得到的直流分量i_d作为d轴电流调节器4的反馈，i_d^*和i_d一起经过第二加法器15通过d轴电流调节器4比例-积分运算输出控制电压u_d^*；

5.以无功功率或功率因数换算的无功电流分量i_q^*作为q轴电流调节器5的给定参数，交流电流解耦得到的直流分量i_q作为q轴电流调节器5的反馈，i_q^*和i_q一起经过第一加法器14通过q轴电流调节器5比例-积分运算输出控制电压u_q^*；

6.d、q轴电流调节器输出的控制电压u_d^*、u_q^*，经dq/αβ变换11变换，将dq同步旋转止坐标系变换为αβ两相静止坐标系，将同步旋转坐标系下直流分量u_d^*、u_q^*变换为静止坐标系下正弦分量u_α^*、u_β^*；

7.静止坐标系下正弦分量u_α^*、u_β^*进一步经abc/αβ变换12进行αβ至abc变换，将两相静止坐标系变换为三相静止坐标系，得到预期的PWM整流器网侧三相电压通过SVPWM信号生成器13脉宽调制后，输出PWM整流器桥臂功率管的控制信号。

由于解耦之后，PWM整流器的有功功率与d轴电流分量成正比，无功功率与q轴电流分量成正比，其规律满足关系式(1)，其中U_G为电网相电压有效值。

$\left(\begin{array}{c}P=\frac{3}{2}{U}_G{i}_d\\ Q=\frac{3}{2}{U}_G{i}_q\end{array}\right)---\left(1\right)$

因此，控制d轴电流分量可调节直流母线电压，控制q轴电流分量可调节无功功率或功率因数，实现PWM整流器的直流电压和网侧无功功率的独立控制，并使系统具有好的静态和动态性能。

图3为多电压源型PWM整流器并联的具体实施方式框图。所述多模块三相电压源型PWM整流器的并联结构是三相电压源型PWM整流器的并联结构为一个模块，由并联模块I、并联模块II、…、并联模块N，共N个三相电压源型PWM整流器并联(如图3中，上、中、下“并联模块”子框所示)；其中N为2-20的正整数。各PWM整流器交流侧并联接自同一交流电源，如图3的左侧“电源输入”子框；各PWM整流器直流输出并联到直流母线，共同分担直流负载R_L的功率，其并联运行的关键技术是：

1)将各并联的电压源型PWM整流器的外环电压调节器独立出来，形成一个公用的统一电压调节器(如图3右边长矩形框)，具体是外环以直流输出电压信号作为电压反馈量，经R₁，R₂电阻网络1分压、直流母线电压采样2获得电压反馈量U_dc，以给定电压U_dc^*为恒值目标，U_dc和U_dc^*经第三加法器16处理，通过电压调节器3进行比例-积分运算输出控制电流i_d^*；作为各并联电压源型PWM整流器闭环电流控制d轴电流调节器的给定信号；

2)并联模块I的闭环电流控制分为d轴电流调节器4和q轴电流调节器5，以统一电压调节器的输出控制电流i_d^*作为d轴电流调节器4的给定电压U_dc^*信号，交流电流解耦得到的直流分量i_d作为d轴电流调节器4的反馈，与给定电压U_dc^*为恒值目标一起通过加法器16、电压调节器3经d轴电流调节器4比例-积分运算后输出控制电压u_d^*；以无功功率或功率因数换算的无功电流分量i_q^*作为q轴电流调节器5的给定信号，交流电流解耦得到的直流分量i_q作为q轴电流调节器5的反馈，经q轴电流调节器5比例-积分运算后输出控制电压u_q^*，并联模块1的电流矢量控制过程具体与上述图2三相电压源型PWM整流器的内环电流矢量控制相同。并联模块II至并联模块N的工作原理与并联模块I相同，

这样，一方面，克服了并联电压源型PWM整流器给定参数以及调节参数的分散性，避免了在并联运行过程中部分整流器工作在整流状态，部分整流器工作在有源逆变状态，排除了在所并联的电压源型PWM整流器之间形成环流的因素；另一方面，各并联的电压源型PWM整流器的控制策略简化为网侧交流电流闭环控制，实质上实现了并联整流器间的均流控制，从而，本发明解决了在并联运行时各电压源型PWM整流器能量流向的一致性问题，避免了环流的产生；同时，也解决了电压源型PWM整流器并联的均流难题，为电压源型PWM整流器多模块并联，实现大功率化、积木化、规模化应用提供技术保障。