電力電子變壓器中IPOP三相四橋臂逆變級(jí)的環(huán)流控制方

引言

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，電力電子變壓器(Power Electronic Transformer, PET)作為傳統(tǒng)電力變壓器的重要替代方案，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。PET通過高頻電力電子變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)電壓變換和能量傳輸，具有體積小、重量輕、調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點(diǎn)。其中，IPOP(Input Parallel Output Parallel)三相四橋臂逆變級(jí)作為PET的關(guān)鍵組成部分，其環(huán)流控制直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和效率。本文將深入探討電力電子變壓器中IPOP三相四橋臂逆變級(jí)的環(huán)流控制方法。

一、三相四橋臂逆變器的基本原理

三相四橋臂逆變器是在傳統(tǒng)三相全橋逆變器的基礎(chǔ)上增加一個(gè)橋臂構(gòu)成的，這一額外的橋臂主要用于控制中性點(diǎn)電位，使逆變器具備帶不平衡負(fù)載的能力。三相四橋臂逆變器可以產(chǎn)生三個(gè)獨(dú)立的輸出電壓，并通過第四橋臂的調(diào)控實(shí)現(xiàn)中性點(diǎn)電位的靈活控制。這種結(jié)構(gòu)使得逆變器在帶不平衡負(fù)載時(shí)仍能保持良好的輸出電壓波形和電流平衡。

1.1 三相四橋臂逆變器的工作模式

三相四橋臂逆變器的工作模式包括四個(gè)橋臂的協(xié)調(diào)控制。在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，逆變器根據(jù)控制策略調(diào)整各橋臂開關(guān)管的通斷狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓和電流的控制。通常，前三橋臂采用正弦脈寬調(diào)制(SPWM)或空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)等技術(shù)，而第四橋臂則根據(jù)中性點(diǎn)電流或零序電壓的需求進(jìn)行獨(dú)立控制。

1.2 輸出電壓和電流的紋波分析

在逆變器工作過程中，輸出電壓和電流會(huì)存在一定的紋波。這些紋波主要來源于開關(guān)動(dòng)作引起的高頻諧波以及負(fù)載不平衡導(dǎo)致的低頻分量。通過合理設(shè)計(jì)濾波電路和控制策略，可以有效抑制這些紋波，提高輸出電壓和電流的質(zhì)量。

二、IPOP三相四橋臂逆變級(jí)的環(huán)流問題

在IPOP三相四橋臂逆變級(jí)中，由于采用輸入并聯(lián)輸出并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，逆變器之間可能存在環(huán)流問題。環(huán)流不僅會(huì)增加系統(tǒng)的損耗，還可能對(duì)逆變器的穩(wěn)定性和可靠性造成不利影響。因此，環(huán)流控制是IPOP三相四橋臂逆變級(jí)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題之一。

2.1 環(huán)流產(chǎn)生的原因

環(huán)流產(chǎn)生的原因主要有兩個(gè)方面：一是逆變器之間的參數(shù)差異(如開關(guān)管導(dǎo)通電阻、電感值等)導(dǎo)致電流分配不均;二是負(fù)載不平衡引起的中性點(diǎn)電位偏移，進(jìn)而引發(fā)環(huán)流。此外，控制策略的不當(dāng)也可能加劇環(huán)流問題。

2.2 環(huán)流對(duì)系統(tǒng)的影響

環(huán)流對(duì)系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是增加系統(tǒng)的無功損耗和熱量積累;二是可能導(dǎo)致逆變器過流保護(hù)觸發(fā)，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行;三是加劇輸出電壓和電流的不平衡度，降低電能質(zhì)量。

三、環(huán)流控制方法

針對(duì)IPOP三相四橋臂逆變級(jí)的環(huán)流問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種控制方法。這些方法大多基于雙閉環(huán)或多環(huán)控制策略，結(jié)合先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)和智能控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)流的有效抑制。

3.1 雙閉環(huán)控制策略

雙閉環(huán)控制策略是一種常用的環(huán)流控制方法。該方法在電壓外環(huán)的基礎(chǔ)上增加電流內(nèi)環(huán)，通過檢測逆變器之間的電流差異并實(shí)時(shí)調(diào)整控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)流的抑制。在IPOP三相四橋臂逆變級(jí)中，可以針對(duì)每相電流和中性點(diǎn)電流分別設(shè)計(jì)電流內(nèi)環(huán)，以實(shí)現(xiàn)更精確的控制。

3.2 準(zhǔn)PR控制器

準(zhǔn)比例諧振(PR)控制器是一種在特定頻率下具有高增益的控制器，適用于需要精確跟蹤正弦波信號(hào)的應(yīng)用場合。在IPOP三相四橋臂逆變級(jí)中，可以采用準(zhǔn)PR控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)基波電壓和零序電流的零穩(wěn)態(tài)誤差控制。這種控制器能夠兼顧輸出電壓外特性硬度和輸出電流環(huán)流抑制的目的，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。

3.3 特定諧波消除法

特定諧波消除法是一種通過優(yōu)化開關(guān)角度或占空比來消除特定次諧波的方法。在IPOP三相四橋臂逆變級(jí)中，可以針對(duì)環(huán)流中的主要諧波成分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減小環(huán)流幅值。這種方法需要結(jié)合系統(tǒng)的具體參數(shù)和負(fù)載特性進(jìn)行精確計(jì)算和調(diào)整。

3.4 智能控制算法

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能控制算法在電力電子系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。在IPOP三相四橋臂逆變級(jí)中，可以采用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能算法對(duì)環(huán)流進(jìn)行自適應(yīng)控制。這些算法能夠根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)流的快速響應(yīng)和有效抑制。

四、實(shí)例分析

以某型電力電子變壓器為例，其輸出級(jí)采用IPOP三相四橋臂逆變器并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)冗余。針對(duì)不平衡負(fù)載情況，研究人員對(duì)逆變器進(jìn)行了分序環(huán)流分析，并比較了不同控制策略下等效輸出阻抗對(duì)環(huán)流抑制的影響。最終提出了一種在單逆變器雙閉環(huán)控制基礎(chǔ)上加入針對(duì)負(fù)載功率均分的環(huán)流控制環(huán)的方案，并結(jié)合準(zhǔn)PR控制器實(shí)現(xiàn)了在基波較寬頻帶內(nèi)逆變器輸出電壓和第四橋臂零序電流的零穩(wěn)態(tài)誤差控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案能夠有效抑制環(huán)流，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。

五、結(jié)論與展望

電力電子變壓器中IPOP三相四橋臂逆變級(jí)的環(huán)流控制是一個(gè)復(fù)雜而關(guān)鍵的問題。通過采用雙閉環(huán)控制策略、準(zhǔn)PR控制器、特定諧波消除法以及智能控制算法等方法，可以有效抑制環(huán)流，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。未來，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用需求的不斷增長，IPOP三相四橋臂逆變級(jí)的環(huán)流控制方法將不斷完善和創(chuàng)新，為電力系統(tǒng)的智能化和高效化運(yùn)行提供更加有力的支持。