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三相逆变器并联系统中零序环流的研究.pdf

三相逆变器并联系统中零序环流的研究

wswgod
2012-12-05 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《三相逆变器并联系统中零序环流的研究pdf》,可适用于人文社科领域

第卷第期创拓年月中国电机工程学报从,〔场《叉拓伪文章编号一巧刃伪一中图分类号文献标识码学科分类号三相逆变器并联系统中零序环流的研究张宇,段善旭,康勇,陈坚华中科技大学电气与电子工程学院,湖北省武汉市一·玩,一,,,,,一化劝一,一刀甘一,,一一吐止一,山一一专七一廿一廿一,一一一因一刀七,】一司析发现,三相逆变器并联系统中,三磁柱电感及三磁柱变压器的采用使得零序环流的大小和通路发生了很大的变化。仿真与实验验证了上述结论。一功乙一口一一摘要现有的文献己经论证了在三相逆变器并联系统中,存在着零序环流的通路。然而,这些结论基本上都是在无输出变压器及忽略了三磁柱电感磁路祸合的前提下得出的。事实上,在三相逆变器中,出于体积和成本的考虑,滤波电感和输出变压器通常都采用三磁柱铁芯来绕制,由此带来的三相间磁路祸合使得三相逆变器的零序相量特性与三个单相逆变器构成的三相逆变器是完全不同的,这对三相逆变器并联系统中的零序环流也产生了很大的影响。该文基于三磁柱变压器及三磁柱电感的动态方程建立了带三磁柱电感及三磁柱变压器的三相逆变器瞬时零序分量模型。基于该模型的分基金项目国家自然科学基金重点项目。妙关键词电力电子三相逆变器磁路藕合并联零序环流三磁柱电感三磁柱变压器引言在三相逆变器中,为减轻体积和成本,其三相滤波电感和三相输出变压器通常都采用三磁柱的铁芯结构。基于稳态的对称相量分析可知一,由于三相磁路的对称性,使得零序磁通只能通过钢制外壳及空气构成回路,因而零序励磁阻抗是较小的。而在逆变器中,变压器通常没有专门的外壳,零序磁通大部分通过空气构成回路,零序励磁阻抗将会更小,这使得三相逆变器的零序相量的特性与正序、负序相量存在着很大的差异一。采用了三磁柱电感及变压器,三相逆变器的三相间将通过磁路产生藕合,因此三相逆变器的动态模型及瞬态分析都比较复杂附。目前,三相逆变器的动态建模通常都回避了三相间的磁路祸合,而将三磁柱变压器看作个单相变压器,将三磁柱电感看作三个单相电感的近似处理,在三相逆变桥的输出完全对称时所得出的结论是可以接受的卜。现有的文献〔一己经论证了在三相逆变器并联系统中,存在着零序环流的流通路径,当三相逆变器共直流母线时,零序环流将通过直流母线形成环路。然而,这些结论都是在忽略了三相间磁路祸合的前提下得出的。事实上,由于三磁柱变压器及三磁柱电感带来了相间磁路祸合,使得三相逆变器并联系统中,零序环流变得更为复杂。第期张宇等三相逆变器并联系统中零序环流的研究文称之为零序相量,它是瞬时零序分量的稳态形式。三磁柱变压器的瞬时零序分量模型假定电压、电流、磁链的正方向符合右手螺旋法则,且不考虑变压器磁路的饱和,三相绕组电压电流的参考方向如图所示。设汽,残,外为原边三相绕组相交链的磁链,讯,汽,只为副边三相绕组相交链的磁链,斌,为原边三相绕组的电流,,,为副边三相绕组的电流,则在静止坐标系中,三相绕组的磁链如式所示。一⋯⋯、、呱叽呱呱呱呱乌纵叽气暇暇呱嵘叭以乌对于图所示的三相六桥臂组合式逆变器结构,由于承担的电流较低,且可采用单极倍频方式降低开关频率,已被广泛应用于大功率场合。但在这种逆变器中,三相逆变桥所产生的零序电压可以畅通无阻地加到三相输出变压器的原边,对三相逆变器的运行产生了很大的影响。如果以这种逆变器构成并联系统,三磁柱滤波电感和三磁柱输出变压器的磁路祸合将对零序环流的通路及大小产生很大的影响。本文基于三磁柱电感和三磁柱变压器在静止坐标系中的瞬时磁链及电压方程,得出了它们的瞬时零序分量表达式,进而建立了图所示的三相逆变器的瞬时零序分量数学模型。基于该模型对三相逆变器并联系统的零序环流进行研究后发现,三磁柱电感及三磁柱变压器的相间磁路藕合,使得零序环流的通路及大小产生了很大的变化。叭叭钱代汽叭““。洛」仁仁。。。冷」卜」冷」‘‘口口戊戊戊戊戊戊戊戊戊戊戊戊戊戊戊戊戊戊戊戊戊戊戊戊戊戊戊戊戊戊、“十」‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘口口口口”““““““屠屠屠屠屠」十匕匕口口口口口口昨昨昨一沙沙沙沙沙沙沙“‘‘、一日日权气图三相六桥臂组合式逆变器·瞬时零序分量瞬时零序分量的表达式为一,。。,。式中,凡,为三相瞬时变量,为三相瞬时变量对应的瞬时零序分量。式中的瞬时零序分量是由三相瞬时变量求得,因此不一定为正弦波。在三相系统中,三相相量可通过对称分量变换得到稳态的零序分量一,本如果变压器的三相磁路完全对称,兄为每相磁路的磁导,则与主磁通相对应的原边每相自感为几二从··从幻兄衅与主磁通对应的副边每相自感以及原副边之间的互感为几。戈··戈·幻兄叫城二以从叼二侧从如果将变压器副边参数折算到原边,可得副边每相的参数为、、户﹄、产石,矛︺了矛、妞、了、瓦。二几几二叹,二乓,·凡’’从从于是可得磁链方程如下写气呱呱始呱汽叽姚试试试乌人,一入一入,乌一入。一入。一入用几入,一入。一入。几一几。一乌。一几乌。入,一几。一几几入。一几。一合石。人二叹,一告入,一合八。一几,一入二一入石一入。一入入,叹,尸一一﹁为书写方便,下面的方程中,折算后得到的副边变量及参数不再加写符号“‘”,所有副边变量及参数都默认为已折算到变压器的原边。设,,为变压器原边三相绕组的电压,,,为副边三相绕组的电压,设刀山为微分算子,则三磁柱变压器个绕组的电中国电机工程学报第卷压方程为「汽‘,‘纵丸‘火‘叫一丸补纵火姚」,气,,乓石气」砂争竺】犯妙由式、可得出三磁柱变压器磁链及电压的瞬时零序分量,如式和所示。式中几为电感每相损耗的等效电阻为每相的漏感纵为三相间的互感。令衅为三相瞬时磁链对应的瞬时零序分量,理为三相瞬时电流对应的瞬时零序分量,则由式可得出三相磁链的瞬时零序分量方程为试吞·理其中,纵。同时可得三磁柱电感三个绕组的电压方程为「‘「「汽。卜·气卜汽」姚」令“里为三相电压瞬时值对应的瞬时零序分量,参照三磁柱变压器可求得三磁柱电感的电压瞬时零序分量为“仓理试理十乌·侧必根据式可画出三磁柱电感的瞬时零序分量等效电路,如图所示。由图可知,三磁柱电感对瞬时零序分量的电感只表现为漏抗,而漏抗是很小的,近似为零,因此三磁柱电感对零序分量近似为短路状态。、,子、产,上且‘了、、了、纂掀就写二二黯二次跳式中“尸为原边三相电压瞬时值对应的瞬时零序分量“翌为副边三相电压瞬时值对应的瞬时零序分量下标,’”代表原边变量下标‘,’,代表副边变量,电流、磁链的表示方法与此相同。根据方程可画出三磁柱变压器的瞬时零序分量的等效电路,如图所示。由图可知,三磁柱变压器使得瞬时零序电压分量被原边短路掉而无法传送到副边。石几一一一“,,卜卜,‘‘““““目目口十十““图三相变压器的电压电流七】妞·图三相电感瞬时零序分量等效电路叫血址口诫一训三相逆变器的瞬时零序分量模型产占乏份票叱粤气】牙图三相变压器瞬时零序分等效电路口伙一训】三磁柱电感的瞬时零序分量模型综合三磁柱电感、三磁柱变压器的瞬时零序分量数学模型,对图的三相组合式逆变器,可得出瞬时零序分量的等效电路,如图所示。该模型中,逆变桥输出的电压零序分量被变压器原边短路掉而无法传递到负载上,而负载侧因不三磁柱电感只有个绕组,设汽,玛,外为三相绕组相交链的磁链,斌,为三相绕组的瞬时电流。在刀坐标系中,三相电感的磁链方程如式所示。,,乌。,,几心,一气‘七书二】图三相逆变器瞬时零序分量等效电路辞功川一第期张宇等三相逆变器并联系统中零序环流的研究平衡负载或非线性负载所产生的零序电流则被变压器旁路而无法作用到逆变桥。三相逆变器并联系统中的瞬时零序环流台单相逆变器的并联等效电路如图所示。图中,,为电感和线缆的损耗等效电阻,为并机电抗,可由输出变压器的漏抗实现。环流定义为一零序分量等效电路,如图所示图中忽略了三相电感及三相变压器的损耗等效电阻,及几。由该等效电路可以清楚地看出,逆变桥输出的零序分量由于被变压器短路而无法形成零序环流。在图中,如果不忽略三磁柱电感及三磁柱变压器的损耗等效电阻,由于滤波电容的阻抗较,一一肠,一且大,与,乌,相并联时可以忽略,同时令、可列出微分方程‘·罗,几,入·。进而可求得原边的零序励磁电流如果忽略并机电感的等效电阻乓和乓二乙田犬,则由图可得才石入,·,。一··乌如果三相逆变器采用个单相电感及个单相变压器,则三相逆变器可等效为个单相逆变器进行分析,每相的等效电路与图相同,零序分量的等效电路也和图相同。此时,并联的逆变器之间将存在零序环流的通路,当三相逆变器共直流母线时,零序环流将通过直流母线形成环路险。如果忽略及。,且台三相逆变器中,,,,则零序环流可表示为因此,由于、,乌,乌,的值很小,当三相逆变桥输出电压出现零序分量嵘时,会在主电路中产生很大的零序励磁电流招〔‘,而死区引起的三次谐波表现为零序分量会使变压器的励磁电流波形产生了畸变。在三相三线制的高频链逆变器中,工频输出变压器通常被去掉,而同时保留三磁柱滤波电感,此时,可得并联等效电路,如图所示。由图可得零序环流公式一一··乓另,一赢蜡··,一吸··几·乓式中玲,碍分别为台逆变器三相月吸开关函数的零序分量二为直流母线电压。零序环流的存在对逆变器的并联运行是不利的,必须予以抑制险。可以看到,由于三相电感的漏抗‘非常小,一旦两台三相逆变器出现零序分量的差异,会引起很大的零序环流,因此,在高频链逆变器并联系统中,当采用三磁柱滤波电感时,应当尽量避免三相逆变桥输出电压中零序分量的出现。一一﹁乙丫广石、价杯气一二互一白些遏逆变器玩鲡一碧变矍旦逆变器逆变器」图三相组合式逆变器并联零序分量等效电路一代一改初一︸工队丫上图单相逆变器井联等效电路三磁柱电感及变压器对零序环流的影响,岭逆变器洽‘乳。回编在实际的三相逆变器中,出于体积与成本的考虑,通常都采用三磁柱铁心来绕制三相电感及三相变压器,并机电感可利用变压器的漏感来实现。因此,结合图及图可画出三相逆变器并联系统的逆变器图三相高频链逆变器并联零序分量等效电路·职叭一树中国电机工程学报第卷当采用三磁柱电感作并机电感时,可画出零序分量的等效电路,如图所示。图中,石,为并机电感的漏抗。由图可得零序环流公式为魂二一分乓,由于很小,三磁柱并机电感对零序环流并无抑制作用。因此,当采用三磁柱电感作为并机电感时,应避免逆变器输出中零序分量的出现。、‘,魂、叮丫”、一了一‘丫丫,、十一,灵不州丝叁鲤三图,三相并机电感零序分贵等效电路,功·代习一比咖三相逆变桥输出中零序分量的产生测,实测波形如图所示。由于三磁柱电感及三磁柱变压器对逆变桥输出的零序分量接近于短路状态,即使逆变器为空载状态,励磁电流也达到了,而死区引起的零序分量使变压器的励磁电流波形产生了一定的畸变。三相调制波不对称时,三相逆变桥的输出也会含有一定的负序相量,但它比正序相量小很多,由于负序励磁阻抗和正序励磁阻抗相同,使得负序励磁电流比小很多,因此实验中高达的励磁电流主要是由零序相量产生的。基于三相逆变器的瞬时零序分量模型对三相变压器的励磁电流进行了相应的仿真,如图所示。仿真结果显示,当采用三磁柱电感及三磁柱输出变压器时,零序分量使变压器的励磁电流大大增加,而死区效应使其产生了畸变,这和实验结果是完全一致的。在图所示的三相逆变器中,三相逆变桥的零序分量主要由两种因素产生电压零序分量由死区等因素造成〕。死区使得三相逆变桥输出的波中含有大量的低次谐波,其中的次谐波构成了瞬时零序分量。对于三相三线制的逆变器而言,零序分量构成不了回路,但对图所示的逆变器,零序分量会造成输出变压器励磁电流的畸变。三相逆变器构成并联系统时,当逆变器为实现三相均流而对三相电压的幅值和相位进行独立调节时,会使三相逆变桥输出的波产生很高的基波零序分量,当采用三磁柱滤波电感及三磁柱输出变压器时三磁柱滤波电感对其基本没有抑制作用。零序分量基本上处于短路状态,由于三相变压器的励磁电流剧增,很容易引起过载保护。仿真与实验在图所示的三相逆变器上进行了相关实验。三相逆变器的主电路参数为乙,叮,死区设置为林。正常情况下,当死区较小,且三相逆变桥的调制波完全对称时,励磁电流只有左右,励磁电流近似为正弦波。将、相调制波的相位差由改为后,对相励磁电流进行了观玲之闪了了叭刀叭叭格图实验零序分量产生的励磁电流畸变·山功·恤恤州皿片从一一四一丫万一脚一丫丫‘介介一图仿真零序分量产生的励磁电流畸变加幼川阳一结论本文从瞬态的角度,基于三磁柱变压器及三磁柱电感的瞬时磁链及电压方程,建立了带三磁柱滤波电感及三磁柱输出变压器的三相逆变器的瞬时零序分量模型。基于该模型对三相逆变器并联系统中的零序环流进行研究后发现,采用三磁柱电感和变压器的三相逆变器对于三相逆变桥输出的零序分量近似于短路状态,将这种三相逆变器构成并联系统第期张宇等三相逆变器并联系统中零序环流的研究时,三磁柱输出变压器将使零序环流无法流通,同时使变压器的励磁电流大大增加。不采用输出变压器时,三磁柱滤波电感及三磁柱并机电抗对零序环流的抑制作用很小。仿真和实验验证了这一结论。因此,在三相逆变器并联系统的设计中,必须充分考虑三磁柱电感及三磁柱变压器对零序环流的影响,否则将会带来非常不利的后果。参考文献』一〔·,,一何仰赞,温增银电力系统分析武汉华中科技大学出版社,·辜承林电机学〔武汉华中科技大学出版社,陈坚交流电机数学模型及调速系统北京国防工业出版社,·詹长江,康勇,刘平,等电压型高频整流器统一数学模型及系统仿真电工技术学报,,一,,,一,,一,,一一·,,,一,,一一’〔·,,,一咚彭力,白丹,康勇,等三相逆变器不平衡抑制研究中国电机工程学报,,一,,,·一,,一·一,匕,,张宇,段善旭,康勇,等基于瞬时对称分量的三相逆变器特性分析中国电机工程学报,,一一,,,一,,一川邢岩,严仰光电流型调节逆变器的冗余并联控制方法电机工程学报,,一,,,一姜桂宾,裴云庆,杨旭,等逆变电源的无互联信号线并联控制技术中国电机工程学报,,一,,·,,一张宇,康勇,陈坚三相输出变压器对逆变器并联的影响电力电子技术,,一,,一』,,一万山明,吴芳,黄声华三相四桥臂电压源高频链逆变器中国电机工程学报,,一,,一卜·,,一一,,一收稿日期《】一。作者简介张宇于一,男,江苏无锡人,博士,从事电力电子与电力传动的研究,即一比。编辑王彦骏

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