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  • 頭條傳統(tǒng)CSI逆變器儲能電感電流不穩(wěn)定,如何解決?
    2020-04-13 作者:苗軼如、劉和平、華澤璽、劉靜、程章格  |  來源:《電工技術(shù)學(xué)報》  |  點擊率:
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    導(dǎo)語輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室(重慶大學(xué))、西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院、國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司的研究人員苗軼如、劉和平、華澤璽、劉靜、程章格,在《電工技術(shù)學(xué)報》2019年第2期上撰文(論文標(biāo)題為“基于直流側(cè)儲能電感電流最優(yōu)給定的三相電流源型逆變器控制策略”)指出,傳統(tǒng)三相電流源型逆變器在空間矢量調(diào)制過程中,直流側(cè)儲能電感電流在一個載波周期內(nèi)通常被視為恒定,忽略了儲能電感的充放電過程,導(dǎo)致儲能電感電流出現(xiàn)斷續(xù)或持續(xù)增加的問題。 首先對傳統(tǒng)三相電流源型逆變器直流側(cè)拓?fù)渥龀龈倪M(jìn),深入分析調(diào)制過程中電流源型逆變器的三種工作模式,提出任意工作條件下儲能電感電流最優(yōu)給定值的計算方法,并針對改進(jìn)拓?fù)湓O(shè)計調(diào)制策略以維持儲能電感電流的穩(wěn)定。然后,建立兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下三相電流源型逆變器的交流側(cè)數(shù)學(xué)模型,據(jù)此設(shè)計電壓內(nèi)環(huán)與電流外環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)。 仿真和實驗結(jié)果表明,直流儲能電感的最優(yōu)給定電流能夠滿足交流側(cè)的電流需求且電流可以維持在限定值附近,同時逆變器負(fù)載電流能夠精確跟隨給定,系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能,證明了所提調(diào)制及控制策略的可行性與正確性。

    逆變器按照直流側(cè)電源特性分為電壓源型逆變器(Voltage Source Inverter, VSI)與電流源型逆變器(Current Source Inverter, CSI)。VSI只能工作在直流電壓恒定且高于交流側(cè)電壓峰值的場合,并且輸入電流脈動大,需要插入死區(qū)防止出現(xiàn)上、下橋臂直通。與VSI相比,CSI具有升壓作用,無需直通保護(hù)等優(yōu)點。在單級升壓大容量變換場合,尤其是光伏電池并網(wǎng)系統(tǒng)中,CSI相比VSI更加適用。

    近年來國內(nèi)外學(xué)者對電流源型逆變器的研究已經(jīng)取得了顯著的成果。文獻(xiàn)[9]以配電網(wǎng)無功補償為背景,將電流型空間矢量調(diào)制策略(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)運用到靜止無功發(fā)生器中,取得了一定的補償效果,但是未考慮儲能電感電流充放電的問題。

    文獻(xiàn)[10]分析了CSI疊流時間的作用機理,根據(jù)當(dāng)前電流、電壓的極性關(guān)系,采用正鋸齒或負(fù)鋸齒載波信號以減小疊流時間產(chǎn)生的非線性誤差。文獻(xiàn)[11,12]分別針對CSI的共模電壓、共模電流問題,對電流型空間矢量調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn),共模電壓、共模電流得到有效抑制。

    文獻(xiàn)[13]為了實現(xiàn)對儲能電感電流的控制,在儲能電感前增加一個電流源型整流器,通過控制占空比實現(xiàn)對母線電感電流的控制,提出了電流最大調(diào)制比控制策略,即在不出現(xiàn)過調(diào)制的前提下使母線電流保持最小,降低損耗。但是該拓?fù)涫腔诮涣?直流- 交流(AC-DC-AC)類型的變換器,前級需要一個大功率的三相交流電源,不適用于DC-AC逆變器。

    文獻(xiàn)[14-16]在直流側(cè)引入準(zhǔn)Z源電流源型變換器,從理論上推導(dǎo)出該拓?fù)涞膸追N工作模式與運行范圍,量化了輸出電壓與控制變量及功率因數(shù)之間的關(guān)系。但是未能對準(zhǔn)Z源電流源型逆變器的輸出電壓控制策略進(jìn)行研究,且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。文獻(xiàn)[17]在直流電源與儲能電感之間增加了一個H橋環(huán)節(jié),實現(xiàn)直流電壓到電流的變換,能夠在不影響交流輸出的前提下實現(xiàn)直流儲能電感電流的穩(wěn)定,但是開關(guān)器件數(shù)量過多,損耗增大。

    相較以上兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),文獻(xiàn)[18]對傳統(tǒng)電流源型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),在儲能電感上并聯(lián)旁路開關(guān)器件,通過對開關(guān)器件的控制能夠有效抑制直流側(cè)儲能電感電流的不斷增加,降低儲能電感的設(shè)計值。但是沒有給出直流側(cè)儲能電感電流的具體控制方法以及基于改進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)制策略。

    文獻(xiàn)[19]針對三相電流源型永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng),在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下分別采用不同的解耦方法設(shè)計出幾種定子電流控制策略,但是僅對交流側(cè)進(jìn)行建模,未考慮空間矢量調(diào)制過程中對儲能電感電流的影響。文獻(xiàn)[20]從電機控制系統(tǒng)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(dq軸系)下的解耦性、抗擾動能力以及魯棒性三個方面對實系數(shù)、復(fù)系數(shù)兩種形式的PI調(diào)節(jié)器展開研究,為PI調(diào)節(jié)器的選取、參數(shù)設(shè)置提供借鑒。

    文獻(xiàn)[21]針對逆變器并網(wǎng)裝置中電流所產(chǎn)生的高次諧波問題,提出了一種集無差拍控制和改進(jìn)型重復(fù)控制于一體的復(fù)合控制策略,能夠有效改善波形質(zhì)量且穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能良好。

    本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上,以三相電流源型PWM逆變器作為研究對象,針對改進(jìn)后的CSI拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三種工作模式進(jìn)行分析,提出一種基于儲能電感電流控制的調(diào)制策略以及儲能電感電流最優(yōu)給定值的確定方法,在dq軸系下設(shè)計負(fù)載電流的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。最后通過仿真與實驗對比驗證了論文提出的調(diào)制與控制策略的正確性。

    傳統(tǒng)CSI逆變器儲能電感電流不穩(wěn)定,如何解決?

    圖22 CSI樣機外觀圖

    結(jié)論

    仿真與實驗結(jié)果一致證明了本文提出的調(diào)制策略與控制方法的可行性,解決了傳統(tǒng)CSI逆變器儲能電感電流斷續(xù)或持續(xù)增加的問題,最終得到以下結(jié)論:

    1)在改進(jìn)型CSI拓?fù)渲幸肜m(xù)流開關(guān)模式,在調(diào)制過程中能夠根據(jù)直流儲能電感電流與指令值的大小關(guān)系,確定當(dāng)前開關(guān)周期對續(xù)流模式和充磁模式的選擇。實現(xiàn)了儲能電感電流的主動控制,解決了傳統(tǒng)三相CSI儲能電感電流斷續(xù)或持續(xù)增加的問題。

    2)推導(dǎo)出儲能電感電流最優(yōu)給定值的確定方法,能夠根據(jù)元器件參數(shù)與期望負(fù)載電流的幅值、頻率計算得到。仿真與實驗結(jié)果均證明了該設(shè)計值在滿足交流側(cè)電流需求的前提下能夠?qū)δ茈姼须娏骶S持在一個盡量小的范圍,有效提高電流利用率并降低損耗。

    3)本文在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下設(shè)計了電壓內(nèi)環(huán)-電流外環(huán)控制系統(tǒng),負(fù)載電流的控制效果良好,無穩(wěn)態(tài)誤差,動態(tài)響應(yīng)快,與儲能電感電流之間不存在耦合關(guān)系,能夠獨立控制。

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