逆变器并联运行零序环流抑制方法的研究 - 副本

逆变器直接并联运行零序环流抑

制方法的研究

摘要:逆变器并联技术是潮流能发电系统提高可靠性和扩展容量的有效手段之一，逆变器直接并联运行可减

小系统体积、降低成本，但并联运行时会产生零序环流。本文建立了潮流能发电系统中直接并联运行的逆

变器在同步旋转坐标系下的状态模型，在此基础上分析了零序环流产生的机理并提出了一种抑制零序环流

的方法。该方法通过调节各并联逆变器SVPWM调制算法中零序电压矢量在每个PWM周期中的作用时间（即调

节零序电压平均值）来控制输出零序电流为零，从而达到消除零序环流的目的。通过建立零序电流闭环控

制模型分析并得到了闭环控制稳定运行的约束条件。实验结果证明该方法能有效抑制零序环流。

关键词：逆变器并联；状态模型；零序环流；潮流能

1、引言

潮流能是一种清洁无污染、蕴藏量丰富的可再生能源，随着传统矿石能源（煤、石油、天然气等不可再生能源）日益枯竭，世界各国对潮流能的开发利用愈加重视[1,2]。由于潮流发电装置往往远离海岸，所以对发电装置的可靠性和安装便利程度要求比较高。逆变器作为潮流能发电系统的重要组成部分，其可靠性直接影响着整个发电系统的可靠性。逆变器采用并联技术可提高其运行可靠性、易于扩展系统容量、缩短开发周期、便于安装和布局[3-8]。为了提高系统可靠性和扩展容量，在潮流能发电系统中采用多个逆变器并联运行的拓扑结构。由于逆变器输入输出并联，可能存在零序电流（即零序环流）通路，如果不采取有效措施抑制零序环流，将影响系统稳定性、降低系统性能[3-8]。传统抑制零序环流的方法主要有两种[5]，一种是交流输出采用工频隔离变压器[9,10]；另一种是直流输入采用隔离直流电源[11-13]或隔离直流变换器[14]。但是这两种方法均会增加系统成本、降低系统效率、占用额外空间。为此，本文逆变器采用共用直流母线且无输出隔离变压器的直接并联结构，拓扑结构如图1所示。

1

2

u

图1 两台逆变器直接并联运行的拓扑图

直接并联拓扑结构存在零序环流通路，需要采取有效措施抑制零序环流。文献[4,7]采用了滞环的方法调节两个零矢量作用时间来抑制零序环流的大小，但该方法滞环宽度不易确定，且在载波频率较低时零序环流波动过大。文献[6]通过控制从逆变器输出零序电压平均值与主逆变器输出零序电压平均值相同来抑制零序环流的大小。该方法是开环控制，因此当输出阻抗较小且零序电压控制存在误差时零序环流将会增加。文献[5]中只有从逆变器采取了闭环控制，该方法不适用于两台以上逆变器并联运行的情况，并且当主逆变器出现故障时系统无法正常运行。本文建立了同步旋转坐标系下两台并联运行逆变器的平均状态模型，并利用模型分析了零序环流产生机理和流通通路。在此基础上提出一种分布式零序环流闭环控制方法，该方法通过对零序电流进行闭环控制来抑制环流大小，并且适用于无主从结构的并联运行逆变器。实验结果证明该方法能够有效的抑制零序环流。

2、dqo 坐标系下并联逆变器模型

图1为潮流能发电系统中两台逆变器直接并联运行的拓扑图。其中，in

u (,,;1,2)i a b c n ==和o u 均以直流母线负极N 为参考点。由基尔霍夫定律可得逆变器在三相静止坐标系下的模型为

in

n

in in n i o di L u i R e u dt

=--- (,,;1,2)i a b c n == （1） 其中：

in i -----为一个PWM 周期逆变器输出电流平均值； in u -----为一个PWM 周期逆变器输出电压平均值； i e -----为电网相电压；

o u -----为电网电压中性点电压；

3

n R -----为滤波电感内阻； n L -----为滤波电感。

为了便于控制逆变器输出有功和无功功率且能够独立控制零序分量，采用恒功率变换，将三相静止坐标系下的逆变器模型变换到同步旋转坐标系（即dqo 坐标系）下，可得

00000

1110dn n n d n qn n n

qn n n on on dn d qn q n n n

on o o i R L i d i R L i dt R L i i u e u e L L L u e u ωω⎡⎤⎡⎤-⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=--⎢⎥⎢⎥⎢

⎥⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦

⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥+--⎥⎢⎥⎢⎥⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎦ (1,2)n = （2）

如图2所示，零序环流不经过电网或负载而在两个逆变器之间流动（如从逆变器1的上桥臂流到逆变器2的下桥臂或从逆变器2的上桥臂流到逆变器1的下桥臂），则由基尔霍夫定理可知：

120o o i i += （3）

直

流母线

图2逆变器并联运行时零序环流流通路径

由式（2）、（3）可得:

111111*********

1111

121200

0010010100

010d d q q o o d d q q o o i R L i d i R L i dt R R L L i i L u e L u e L L L u u ω

ω⎡⎤

⎡⎤-⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢

⎥=--+⎢⎥

⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-++⎢

⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥+⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎣⎦

（）（）（） （4） 2222222

212122222222

12210000())1001010001()0d d q q o o d d q q o o i R L i d i R L i dt R R L L i i L u e L u e L L L u u ωω⎡⎤⎡⎤

-⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=--+⎢⎥⎢⎥⎢

⎥⎢⎥⎢⎥-++⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦

⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥+⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎣⎦

（5）