采用多繞組高頻變壓器的新型多電平變換器拓?fù)浼翱刂撇呗?/h2>
發(fā)布時(shí)間:2019-07-12 11:34:12來(lái)源:
高壓大容量多電平變換器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電氣收稿曰期2012-07-04改稿曰期2013-08-31節(jié)能和高性能電力傳動(dòng)等場(chǎng)合。目前常用的多電平變換器拓?fù)渲饕卸O管鉗位式和級(jí)聯(lián)H橋式兩類(lèi)。二極管鉗位式變換器可以直接輸出中高壓交流電,并且可以采用背靠背的形式實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行,廣泛應(yīng)用于乳鋼等場(chǎng)合。但是該電路拓?fù)渲秀Q位二極管的數(shù)量與電平數(shù)呈二次方關(guān)系,在更高電平時(shí)需要較多的鉗位二極管,并且在五電平以上的電路拓?fù)鋾r(shí),其直流母線(xiàn)電容的電壓存在不可控區(qū)域,所以一般以三電平的應(yīng)用比較為廣泛。由于電平數(shù)量的限制,使其工作電壓受到限制,輸入側(cè)往往要采用變壓器降壓。例如在CRH2型和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組中,首先采用牽引變壓器把輸電線(xiàn)路的25kV交流電變?yōu)?500V,然后采用三電平變流器來(lái)驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)。
級(jí)聯(lián)H橋拓?fù)淅碚撋峡梢詫?shí)現(xiàn)任意多個(gè)單元的級(jí)聯(lián),因此可以應(yīng)用于更高的電壓等級(jí),該拓?fù)洳淮嬖趹腋‰娙蓦妷浩胶獾膯?wèn)題,采用移相PWM控制策略也比較簡(jiǎn)單。級(jí)聯(lián)單元結(jié)構(gòu)模塊化,便于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用和維修。但是級(jí)聯(lián)H橋拓?fù)湓陔娋W(wǎng)輸入側(cè)采用工頻移相變壓器,這種變壓器體積和重量比較大,成本較高,其二次三相繞組數(shù)量為3(為級(jí)聯(lián)單元數(shù)),二次繞組數(shù)量過(guò)多導(dǎo)致變壓器在工程實(shí)現(xiàn)上存在困難,從而也就限制了H橋級(jí)聯(lián)的級(jí)數(shù)。
由于傳統(tǒng)的多電平變換器拓?fù)浯嬖诟鞣N限制,所以近年來(lái)新型的多電平變換器拓?fù)湟渤蔀檠芯康臒狳c(diǎn)。圍繞如何省去工頻變壓器,模塊化多電平變并得到廣泛的關(guān)注。該電路拓?fù)洳捎媚K化級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu),不需要輸入變壓器,級(jí)聯(lián)數(shù)可以任意增加。但是該拓?fù)渲写嬖诖罅康膽腋‰娙荩⑶逸敵鲱l率越低時(shí),懸浮電容的電壓波動(dòng)越大,因此目前該拓?fù)湟话銘?yīng)用在直流輸電等領(lǐng)域,在電機(jī)控制方面的應(yīng)用較少。
另外一類(lèi)新型的多電平電路采用高頻變壓器來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工頻變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣隔離和電壓幅值的變化,也經(jīng)常被稱(chēng)作電力電子變壓器。目前這一類(lèi)拓?fù)渲饕捎脝屋斎雴屋敵龅碾p繞組高頻隔離變壓器,首先采用電力電子變換器把高壓交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€(gè)中低壓高頻交流電,然后經(jīng)過(guò)變壓器隔離后再接負(fù)載變換器。這樣如果各個(gè)變壓器的二次側(cè)負(fù)載不平衡,輸入側(cè)的電力電子變換器就需要進(jìn)行額外的平衡控制。中也使用了一種單輸入多輸出的多繞組變壓器,采用高壓交交變換器把工頻高壓交流電變?yōu)楦邏焊哳l交流,然后經(jīng)過(guò)高頻變壓器進(jìn)行降壓和隔離,因此二次繞組可以接多個(gè)變換器并驅(qū)動(dòng)多個(gè)不同的負(fù)載,多個(gè)二次繞組共用一個(gè)磁心,負(fù)載側(cè)功率的不均衡不會(huì)對(duì)一次側(cè)造成影響。
本文提出了一種新型的采用多繞組高頻變壓器的多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),輸入端可以直接與中高壓電網(wǎng)相連,省去了輸入側(cè)的工頻變壓器。采用高頻變壓器隔離后,變換器的輸出側(cè)可以接多個(gè)不同的負(fù)載,每個(gè)負(fù)載的電壓等級(jí)和需要的電平數(shù)都可以根據(jù)需要靈活配置。通過(guò)多繞組高頻變壓器可以實(shí)現(xiàn)功率和電壓的平衡,電路拓?fù)涞姆€(wěn)定性較好。
電路拓?fù)洳捎媚K化結(jié)構(gòu),在簡(jiǎn)化控制策略的同時(shí)可以提高故障冗余度,提高故障修復(fù)能力。
2電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本文提出的新型的采用多繞組高頻變壓器的多電平變換器,其單相輸入的電路拓?fù)淙缢?。整個(gè)電路由級(jí)聯(lián)H橋整流器、H橋高頻逆變器、H橋高頻整流器、多繞組高頻變壓器和負(fù)載逆變器組成。
采用多繞組高頻變壓器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)H橋整流器經(jīng)過(guò)一個(gè)濾波電感后直接與電網(wǎng)相連,在適當(dāng)?shù)目刂葡庐a(chǎn)生多個(gè)直流母線(xiàn)。各個(gè)直流母線(xiàn)分別與一個(gè)高頻H橋逆變器相連,把直流電逆變成高頻交流電,作為高頻變壓器一次繞組的輸入。高頻變壓器的二次繞組分別接多個(gè)H橋高頻整流器,把高頻交流電整流為直流電壓。為了表述方便,這里把與變壓器一次側(cè)相連的稱(chēng)為H橋高頻逆變器,與變壓器二次側(cè)相連的稱(chēng)為H橋高頻整流器。實(shí)際上所示的電路拓?fù)淇梢运南笙捱\(yùn)行,所以這里的H橋高頻整流器和逆變器的說(shuō)法也是相對(duì)的。
因?yàn)榻?jīng)過(guò)了多繞組變壓器的隔離,二次側(cè)整流產(chǎn)生的各個(gè)直流母線(xiàn)就是相互隔離的,因此負(fù)載逆變器可以是多個(gè)低壓的三相逆變器來(lái)驅(qū)動(dòng)多個(gè)電機(jī)或者多相電機(jī),也可以是H橋級(jí)聯(lián)形式的中高壓逆變器來(lái)驅(qū)動(dòng)中高壓負(fù)載。各個(gè)負(fù)載的功率等級(jí)和電壓等級(jí)都可以靈活配置,整個(gè)電路拓?fù)涞目刂撇呗院头€(wěn)定性分析將在后面進(jìn)行介紹。
在所示的結(jié)構(gòu)中,多繞組變壓器的一次繞組的數(shù)量由電網(wǎng)電壓和級(jí)聯(lián)H橋整流器中所采用的開(kāi)關(guān)器件的耐壓值來(lái)決定,而二次繞組的數(shù)量則由負(fù)載決定。例如在目前國(guó)內(nèi)高速鐵路牽引中,級(jí)聯(lián)H橋整流器可以直接與高壓牽引供電網(wǎng)相連,各級(jí)單元的直流母線(xiàn)可以控制為1500V.二次繞組的數(shù)量由牽引電機(jī)的個(gè)數(shù)來(lái)決定。當(dāng)然,根據(jù)各子單元直流母線(xiàn)電壓的高低,H橋高頻整流器和高頻逆變器還可以采用三電平H橋結(jié)構(gòu)。
3級(jí)聯(lián)H橋整流器控制策略首先來(lái)分析級(jí)聯(lián)H橋型整流器的控制策略,為了分析方便,仍然以所示的單相輸入的電路拓?fù)錇槔?,?duì)其控制策略和穩(wěn)定性進(jìn)行分析。
假設(shè)級(jí)聯(lián)H橋整流器中,第n級(jí)單元的直流母線(xiàn)電壓為Vm,開(kāi)關(guān)函數(shù)為n,則該級(jí)單元在交流側(cè)的輸出電壓為假設(shè)該級(jí)單元直流母線(xiàn)上的負(fù)載電流為i1Ln,則直流母線(xiàn)電壓的狀態(tài)方程輸入電流。
根據(jù)調(diào)節(jié)器。電流環(huán)的輸出為整個(gè)整流器的輸出電壓值。整流器各級(jí)單元采用移相PWM控制,在整流器的控制中暫時(shí)不考慮各級(jí)直流母線(xiàn)電壓的平衡問(wèn)題。
真驗(yàn)證。采用4級(jí)級(jí)聯(lián)的H橋整流器,交流輸入電壓幅值為1000V,每級(jí)直流母線(xiàn)電壓給定值為300V,則4級(jí)直流母線(xiàn)電壓之和的控制結(jié)果如所示。可見(jiàn)直流母線(xiàn)電壓之和能夠很好地控制在給定值附近。由于是單相整流器,直流母線(xiàn)電壓上存在著二倍頻的波動(dòng)。
為級(jí)聯(lián)H橋整流器的開(kāi)關(guān)函數(shù),根據(jù)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的不同,的取值可以為-1,0或者+1.為第個(gè)H橋高頻逆變器的開(kāi)關(guān)函數(shù),其取值為-1或者+1,如所示。是H橋高頻逆變器輸出到高頻變壓器一次繞組的電流。
在控制中,使與變壓器一次繞組相連的所有H橋高頻逆變器的開(kāi)關(guān)函數(shù)和開(kāi)關(guān)狀態(tài)都保持一致,即開(kāi)關(guān)函數(shù)為4高頻變換器控制及直流母線(xiàn)電壓平衡上述的級(jí)聯(lián)H橋整流器的控制策略實(shí)現(xiàn)了對(duì)所有直流母線(xiàn)電壓之和的控制。本節(jié)將在此基礎(chǔ)上對(duì)直流母線(xiàn)電壓的均衡進(jìn)行介紹。受到開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)頻率的限制,高頻逆變器和高頻整流器都采用方波控制,占空比為50%.高頻變換器輸出的電壓波形如所示。
由于級(jí)聯(lián)H橋整流器中所有級(jí)聯(lián)H橋單元側(cè)的調(diào)制比一樣,其輸入側(cè)的電流都為,并且可以忽略PWM移相造成的偏差。以第1級(jí)(n=1)和第2級(jí)(n=2)單元的母線(xiàn)電壓為例進(jìn)行分析,根據(jù)式(8)和式(9),兩級(jí)直流母線(xiàn)之間的差值滿(mǎn)足高頻變換器的輸出電壓波形為了分析各級(jí)單元的直流母線(xiàn)電壓的平衡性,以高頻變壓器輸入側(cè)的一級(jí)單元電路為例進(jìn)行分析。如所示,左側(cè)為級(jí)聯(lián)H橋整流器的一個(gè)單元,右側(cè)為高頻逆變器單元,并且與高頻多繞組變壓器的一個(gè)一次繞組相連。
另外一方面,高頻逆變器在變壓器一次繞組側(cè)的輸出電壓為因此可以得到兩級(jí)單元的電壓差值為假設(shè)高頻多繞組變壓器的各個(gè)一次繞組特性一致,每個(gè)繞組的電阻和電感為尺2和,則可以列出狀態(tài)方程在該級(jí)單元中,直流母線(xiàn)電壓的狀:由式(13)可以看出,直流母線(xiàn)的值決定了u2n的大小,而u2n和繞組中反電動(dòng)勢(shì)62n的相對(duì)大小決定了電流和電壓的相位差,也就是決定了能量的流動(dòng)方向。忽略繞組的漏感,則各繞組交鏈同一個(gè)磁場(chǎng),因此可以認(rèn)為各個(gè)繞組中的反電動(dòng)勢(shì)相同,因此可以得到態(tài)方程為綜合式(12)和式(14)可以得到可以看出,在這種控制策略下,fv12的值逐漸衰減到零,衰減時(shí)間常數(shù)為L(zhǎng)i/Ri,也就是說(shuō)各級(jí)直流母線(xiàn)的電壓值是平衡的。前面的推導(dǎo)過(guò)程都是在變壓器的一次繞組完全對(duì)稱(chēng)的前提下得出的,如果繞組之間存在一定的差異,例如反電動(dòng)勢(shì)存在一定的差別,則式(14)變?yōu)榇藭r(shí),比較終的電壓差V12并不衰減到零,而是穩(wěn)定在一個(gè)固定值,也即是說(shuō)各級(jí)直流母線(xiàn)電壓之間存在一定的靜差。
采用上述的高頻逆變器控制策略后,變壓器一次側(cè)各單元的母線(xiàn)電壓仿真結(jié)果如所示??梢钥闯?,雖然各個(gè)直流母線(xiàn)電壓的初始值不一致,在起動(dòng)之后都能迅速收斂到給定值,并且各直流母線(xiàn)的電壓可以實(shí)現(xiàn)均衡。
5故障冗余及故障運(yùn)行分析在所示的變換器拓?fù)渲?,所有的變換器單元都是H橋,并且變壓器的電壓比可以設(shè)計(jì)為1:1,此時(shí)級(jí)聯(lián)H橋整流器、H橋高頻逆變器和H橋高頻整流器中都可以采用同樣的電路結(jié)構(gòu),所選用的電力電子器件的電壓等級(jí)也一致,因此具有很強(qiáng)的通用性,從而也提高了整個(gè)電路的可修復(fù)性和可靠性。
在變壓器的二次側(cè),如果每個(gè)繞組通過(guò)變換器來(lái)分別驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載,則如果該變換器出現(xiàn)故障,則只需要切除該負(fù)載和變換器即可,并不會(huì)影響其他單元的運(yùn)行。如果二次的多個(gè)繞組共同驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載,如H橋級(jí)聯(lián)模式,則在某個(gè)變換器故障下,只需旁路該變換器,負(fù)載降額運(yùn)行,不會(huì)影響其他單元的正常運(yùn)行。
在變壓器的一次側(cè),由于交流輸入端的電壓幅值是確定的,所以在一般情況下,如果級(jí)聯(lián)H橋整流器的某個(gè)單元發(fā)生故障,則剩余的單元不能輸出足夠的電壓值,會(huì)造成電路無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行。因此,為了提高系統(tǒng)的可靠性,一般在一次側(cè)多增加一個(gè)或者幾個(gè)冗余繞組,并增加相應(yīng)的級(jí)聯(lián)H橋單元和高頻逆變單元。在某個(gè)H橋單元或者高頻逆變單元發(fā)生故障時(shí),同樣只需要切除該級(jí)單元,剩余的電路可以繼續(xù)運(yùn)行,而不會(huì)對(duì)二次側(cè)造成影響。
從上面的分析來(lái)看,本文提出的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的故障運(yùn)行能力和故障冗余,可以保證整個(gè)系統(tǒng)在故障下能夠快速恢復(fù)運(yùn)行,具有很好的可靠性。
6.級(jí)聯(lián)H橋整流器的輸入電壓和電流的波形如所示,可以看出,級(jí)聯(lián)H橋整流器的輸入電流和電壓可以控制為同相位,提高了輸入側(cè)的功率因數(shù),并且電流波形具有很好的正弦度。
高頻H橋輸出的電壓波形如所示。其中Mi和2為一次側(cè)H橋變換器的波形,M3和M4為二次側(cè)的H橋變換器的輸出波形。
壓比較終仍然存在一定的靜差,這是由于變壓器的兩個(gè)繞組參數(shù)并不完全一致造成的,可以通過(guò)變壓器的設(shè)計(jì)和加工工藝來(lái)保證誤差在一定范圍內(nèi)圖中兩級(jí)直流母線(xiàn)電0直流母線(xiàn)電壓平衡過(guò)程7結(jié)論本文提出的采用多繞組中頻變壓器的新型多電平拓?fù)鋺?yīng)用靈活,可以接不同種類(lèi)和不同電壓等級(jí)的負(fù)載。采用的中頻變壓器相對(duì)于傳統(tǒng)的工頻變壓器減小了體積和重量,降低了系統(tǒng)的成本。本文所采用的級(jí)聯(lián)H橋整流器控制策略可以很好地控制交流輸入側(cè)的功率因數(shù),并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)全部母線(xiàn)電壓之和的控制。本文通過(guò)理論分析了高頻逆變器的控制策略和各單元的直流母線(xiàn)電壓的均衡性。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該拓?fù)淇刂撇呗院?jiǎn)單明確,系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性,高頻變壓器可以實(shí)現(xiàn)各單元之間功率的平均分配,從而實(shí)現(xiàn)電壓的均衡,該電路拓?fù)渚哂泻芎玫膽?yīng)用前景。