三相Buck型交错并联整流器均流控制 整流器, 二极管, 开关

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摘要：对由两个三相Buck型整流器组成的交错并联系统进行研究，通过错时采样空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制，保证了低开关频率时交流侧谐波含量少，同时提出扇区信号判断的均流方法来有效解决并联单元间的环流问题。通过实验验证了所提系统控制方案的灵活性和有效性。
1 引言
目前常用的电流型整流器(CSR)采用IGBT串联二极管作为开关器件，但IGBT价格昂贵，且损耗大，令其在大功率应用中受到限制。文献利用SCR-CSR的直接多桥并联来提高整流器性能，然而，当各模块连接在同一个直流母线上并共用电源或负载时，会导致整流模块间交叉耦合干扰，产生环流。因此，必须平衡每个整流模块和抑制环流来避免其中某个整流模块由于电流过大而产生过载。为抑制环流，文献提出一些方法，但均存在不足。
交错并联整流器的开关调制策略包括载波相移PWM、错时采样SVPWM和阶梯波PWM等。其中错时采样SVPWM谐波优化效果好、直流电压电流利用率高、数字化控制灵活，应用于交错并联变流器的开关调制策略前景广阔。
这里主要研究由两个三相Buck型整流器组成的交错并联系统，采用错时采样SVPWM控制策略来保证输出稳定和低电压电流谐波，利用扇区信号判断策略来实现各模块扇区平衡，解决并联单元间的环流问题，并通过实验验证了所提系统控制方案的灵活性和实用性。
2 Buck型交错并联SVPWM整流器
2.1 交错并联拓扑结构
图1为三相Buck型交错并联整流器结构。各并联模块交流侧共用一个电源和LC滤波器，直流侧向同一个负载提供能量。每个并联模块包括三相SCR桥臂和由IGBT、滤波电容、平波电感及续流二极管组成的降压斩波环节。
对该交错并联整流器而言，各并联单元结构相同，只是各开关器件驱动脉冲存在差异，因此电路容量易于扩展，系统故障时维护方便。且采用该拓扑能实现低开关频率下高输入电流性能，在大功率领域下有效节约成本，具有高输出功率、极小的交流电流电压脉动分量及良好的滤波效果。
2.2 错时采样SVPWM控制策略
错时采样SVPWM控制策略是在单个CSR模块产生0，±1三电平的基础上，不改变采样频率和幅度调制比，仅错开每个模块的采样时间，即对各单元同一桥臂的开关矢量进行不同角度相移，最后对相移后的波形进行叠加得到多电平。对N个模块交错并联组成的整流器而言，各单元同一桥臂开关矢量相位相差180°/(kN)，k为调制比，对应整流器相电流输出电平数为2N+1。图1中两模块交错并联整流器能输出0，±1，±1/2五电平波形。
图2为错时采样原理图。将相位差为90°且幅值、频率完全相同的两个锯齿波uc1，uc2作为载波，分别与作为调制波的三相正弦信号ura，urb和urc比较：①将uc1(相位初值为零)分别与ura，urb和urc比较，若ura，urb和urc大于uc1则产生控制信号分别驱动开关管V1，V3和V5;若小于uc1，则开关管V4，V6和V2分别导通;②将uc2(相位初值为90°)分别与ura，urb和urc比较，若ura，urb和urc大于uc2，则产生控制信号分别驱动开关管V1’，V3’和V5’，若小于uc2，则开关管V4’，V6’和V2’分别导通。最后对得到的信号进行叠加，得到相电流多电平波形。
3 交错并联整流器均流控制
3.1 环流分析
由诺顿定理可知，CSR模块可等效为1个理想电流源并联1个阻抗的形式，则交错并联模块等效电路如图3所示。
各模块负载电流由负载电压Udc与电流IL间的外特性曲线决定，而外特性又由等效电流源和等效导纳决定。当is1≠is2或G1≠G2时，各模块负载电流不相等，则模块单元间会有环流流通。
图4为交错并联系统模块间环流示意图。
当i1≠i2时，为环流i0提供了通路。假设iav为平均电流，则有：
i1=iav+i0， i2=iav-i0 (1)
由式(1)可推出i0=(i1-i2)/2，可见，只要采取一定的方法，令i1的平均值等于i2的平均输出值，即平衡各模块输出电流，即可抑制模块间的环流。
3.2 基于扇区信号判断的均流调制策略
由上述分析可知，为在交流侧得到谐波含量较少的正弦波形，交错并联错时采样SVPWM整流器需满足各变流单元直流电流平均值相等的要求。然而，由图5所示电流矢量分配图可见，各模块电流与参考轴间的相位存在差异，当桥臂器件开关频率很低时，这个差值将造成各模块输出电流差异很大，电流分配不均匀会在模块间形成大的环流，系统性能降低，可靠性变差，甚至损坏整个并联设备。
为保证交错并联整流系统可靠、安全且稳定运行，必须采取一定的均流措施。一般通过改变各单元调制波信号相位及幅值或逐一校正每个模块输出电流来实现均流，然而前者谐波含量高，后者控制复杂，在工程应用中都不是最佳选择。
这里提出一种扇区信号判断均流控制策略。扇区信号判断的基本思想为：由N单元交错并联组成的系统，切换相邻扇区各模块的作用顺序，每隔N/6个开关周期，各模块作用情况一致，最终实现各模块输出直流电流的平均值相等。图6为N=2时扇区信号判断均流法。