0 引言

    由SCR開關管組成的大功率整流電源存在諧波成份復雜、電磁干擾嚴重、體積大、可靠性差、不易控制的問題。隨著電力電子技術和功率器件的快速發展，現在通常采用IGBT開關管小功率整流電源并聯提高功率等級。多模塊并聯整流器不僅增加了功率容量，還提高供電系統的冗余性和可靠性。但由于并聯的各個整流模塊無論是參數還是工藝都達不到完全一致，因此并聯整流電源將產生環流。環流將使交流電流發生畸變，在一定程度上增加電路損耗，從而降低系統的效率。同時環流將導致功率開關器件承受的電流應力不均衡，影響開關管的使用壽命。在實際應用電路中還會導致開關器件發熱，縮短使用壽命，對電路的影響非常大。本文采用同步旋轉坐標系下雙閉環控制三相電壓型PWM整流器并聯，提高整流功率。

    文獻[1]中針對平均電流均流法輸出外特性軟的特點，在電路控制結構上加入負載電流前饋的方法，提高輸出外特性。文獻[2]在分布式并網及微網系統中，提出了一種基于下垂控制法的均流策略，下垂控制方法具有抗干擾能力強、擴容和維護方便、運行可靠等突出優點而被廣泛關注，但傳統的外特性下垂控制法在精確的輸出電壓和均衡的負載分配不可兼得，運行一定時間后，電流又分配不均，因此文獻[3]引入虛擬阻抗，虛擬阻抗使輸出阻抗僅由濾波電感值決定，減少了逆變器輸出電阻的影響。同樣這些均流策略都可應用于整流器環流的抑制。文獻[4]對雙模塊并聯電路進行了建模，分析了環流產生的原因。文獻[5]通過對大功率整流器并聯拓撲機構的分析，詳細討論了外特性下垂法和傳統主從控制法的優劣，提出了一種基于狀態通信的主從控制法，從而在保證輸出精度的同時提高了系統冗余性，但存在狀態通信線，電路相對復雜。文獻[6]在電流連續和斷續情況下對整流并聯電路進行了分析。而文獻[7]分析了最大電流法及其控制策略，提出了一種電壓環和限流互補的自動選擇工作的最大電流控制法。文獻[8]、[9]采用同步旋轉坐標系建立電壓型PWM整流器的數學模型，分析并聯電路中零序電流及環流產生的機理和均流技術的研究，為了更好地抑制環流的產生，需要采用零序環流控制法^[8]和共模差模獨立控制器的方法。

    針對外特性下垂法、主從控制法和最大電流法等均流策略的不足，本文采用了一種簡化的控制方法，把各并聯整流器模塊的外環電壓調節器獨立出來，形成一個共用的電壓調節器，把雙閉環控制電路簡化成一個單閉環電流控制，解決了并聯整流器能量流向的一致性問題，從而避免環流的產生。

1 三相可控整流并聯系統環流分析

1.1 系統數學模型及小信號模型分析

    兩個三相PWM整流器的交流側和直流側直接并聯后的系統拓撲圖如圖1所示。圖中三相電網電壓分別為e_a，e_b，e_c，交流側電感分別為L₁，L₂，整流橋直流側電壓為u_dc，并聯后系統直流側濾波電容為2C，負載等效電阻為R/2。

    在單個的三相PWM整流器中，不存在零序電流通路，因此零序電流始終為零。在三相PWM整流器并聯系統中，當一個模塊上管全部同時開通而另一模塊下管全部同時關斷或者一個模塊上管全部同時關斷而另一個模塊下管全部同時開通時，零序電流通路經過直流母線^[4]，形成零序環流，影響整個系統的運行效率。

    零序電流占空比定義為d_z，引入平均算子<x(t)>_Ts，經坐標變化得到旋轉坐標系下的平均模型為： 

    由式(1)~式(4)可得三相PWM并聯整流器平均模型的的等效電路圖如圖2所示。

    其中n為1或2，代入式(1)~式(4)，經小信號擾動和線性化整理得到三相PWM整流器并聯的小信號模型的狀態空間方程如式（6）所示。

    三相整流器并聯的小信號的等效圖如圖3所示。

    從小信號模型可以看出，整個三相整流器并聯系統解耦后，零序分量仍獨立于d軸和q軸，大小由每個模塊的零序開關占空比的差異決定。

1.2 環流抑制的分析

    在抑制方法上有采用隔離變壓器的方法，阻斷環流的流動通路，但變壓器成本較高；有采用耦合電感的方法，耦合出來的電流與產生的環流抵消，但對低頻的環流抑制效果不大。目前，在并聯的整流系統中，均流技術也在不斷地改進和研究當中。

    外特性下垂法屬于分散控制法，利用輸出電壓隨輸出電流的變化而變化來實現均流，是并聯電路模塊間內部電流的自行調節^[7]；主從控制法是一個模塊作為主電源模塊，其他模塊作為從模塊跟隨主電源模塊工作^[8]，由于模塊間需要通信線進行系統控制，所以連線復雜。最大電流控制加入一個電流比較器來比較模塊電流大小，從而選擇大電流的模塊作為整流電路的主模塊，由于可以彌補主從控制方法的不足，并且電路結構簡單，均流效果好，較多場合采用這種均流控制策略。但當系統中從模塊的調節能力達到極限后，各模塊輸出電流的交替變化也會引起低頻振蕩，影響系統的穩定^[9]。基于統一電壓調節器控制法就是把各模塊的外環控制的電壓調節器獨立出來，形成一個公用的電壓調節器。其控制方法的控制示意圖如圖4所示。

    圖4中的統一電壓調節器輸出唯一的外環控制電壓，經調節后生成內環電流給定信號，來確保整流器相同的控制下輸出相等的電壓，以抑制雙模塊三相電壓型 PWM 整流器并聯運行系統中環流的產生。該控制策略唯一的電壓外環控制使并聯整流器各模塊的控制策略簡化為單閉環電流控制，電路結構簡單，便于調試和控制。

2 并聯系統的仿真分析

    表1為并聯系統中單模塊的仿真參數。

    三相電壓型PWM整流器雙模塊并聯電路在沒有采用統一電壓調節器時，圖5為直流電壓給定值有差異時的相關波形。從圖中可以看出，1模塊處于整流狀態，2模塊處于逆變狀態。

    此時1模塊電路運行的過程中交流側電流波形接近穩定，而2模塊電路運行過程中交流側電流穩定的調節時間很長，但與1模塊電流的大小差距不大。在這個過程產生環流，隨著仿真越來越大；因此需要采用基于統一電壓器的均流方法，抑制環流，仿真的相關波形圖如圖6所示。

    由圖6可知，采用統一電壓調節器后，兩個模塊交流側電壓電流波形一致。直流輸出電流均等，模塊間環流得到了有效的抑制，大小為1.2×10^-4 A。在0.1 s之前，基于統一電壓調節器整流器并聯系統的直流負載為10 Ω的電阻，在0.1 s之后通過斷路器給電路負載并聯一個大小相同的10 Ω電阻，此時，整個并聯電路的直流負載為5 Ω，功率變為0.1 s之前的兩倍。并聯電路負載突變的直流輸出電壓波形如圖7所示。

    根據直流側電壓波形分析，0.1 s之前基于統一電壓調節器的并聯電路能夠實現直流電壓穩定在700 V的控制目標，在0.1 s時突然增加一倍負載，從圖7中可以看出，直流電壓在0.1 s后開始下降，經過不到0.03 s的時間電壓就快速恢復到700 V，負載突變后直流電壓的變化量為2.8％，控制在5％以內，說明基于同一電壓調節器均流法的PWM并聯電路具有較好的穩定性和較快的動態響應。

3 結論

    本文研究了三相電壓型PWM整流器的并聯系統，建立了該并聯系統的小信號模型，分析了并聯電路中環流產生的原因和抑制方法，提出了一種整流器并聯模塊間使用統一電壓調節器的控制方法。通過與傳統控制策略的仿真比較，采用本文統一電壓調節器的控制策略，可以減小并聯模塊輸出電壓紋波，同時各模塊的負載電流均為單模塊負載電流的一半，環流得到了有效的抑制。該控制方法也是適用于多模塊可控整流并聯，在大功率整流場合具有一定工程應用。

參考文獻

[1] 方天治，阮新波，肖嵐，等.一種改進的分布式逆變器并聯控制策略[J].中國電機工程學報，2008(33)：30-36.

[2] 房玲.基于下垂控制的三相逆變器并聯技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2014.

[3] 張慶海，彭楚武，陳燕東，等.一種微電網多逆變器并聯運行控制策略[J].中國電機工程學報，2012，32（25）：126-132.

[4] PAN C T，LIAO Y H.Modeling and coordinate control of circulating currents in parallel three-phase boost rectifiers[J].IEEE Transactions on Industrial.Electronics，2007，54(2)：825-838.

[5] 謝萌.大功率PWM整流器并聯控制策略研究[D].北京：北京交通大學，2008.

[6] MAZUMDER S K.Continuous and discrete variable-structure controls for parallel three-phase boost rectifier[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2005，52(2)：340-354.

[7] 周偉成，周永忠，張海軍，等.最大電流均流技術及應用[J].電力電子技術，2008，42(1)：45-47.

[8] 黃偉煌，胡書舉，高俊娥，等.Boost型PWM整流器并聯環流機理分析及抑制策略[J].電力系統自動化，2014，38(19)：96-101.

[9] 劉紅昌.電壓型PWM整流器并聯方法的研究[D].北京：華北電力大學.2012.

作者信息:

甘  雪1，曹太強1，2，林玉婷2

（1.西華大學 電氣與電子信息學院，四川 成都610039；

2.流體及動力機械教育部重點實驗室（西華大學），四川 成都610039）