基于自适应准谐振控制的变频器并联VF开环均流控制策略

高巧玲,秦灿华

(1.湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 412001;2.株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引 言

随着变频器应用领域快速发展，各种大功率变频应用需求越来越多。变频器机组并联技术作为保障变频器可靠性并快速扩展容量的方案得到广泛应用。特别是在并网设备应用中并联的优势更为明显。但机组并联面临的最大问题是环流问题，由于机组硬件特性的差异，控制系统时序的差异等原因，导致并联机组存在环流问题，环流问题严重影响系统的性能与稳定性。大量的文献也对并网变流器并联技术均流控制进行了研究[1-3]。但针对变频器机组并联用于输出频率时变的电机控制领域相关文献较少。

VF开环控制是一种变频器通用类控制算法，其最大的优点是算法的简易性与负载强适合性，但其在变频器机组并联应用中容易出现不均流的问题。在保留VF开环控制对负载强适应性的基础上，实现级联型变频器机组并联均流控制对变频器机组并联及通用化具有重要意义。

谐振控制是一种基于内模原理的控制算法，由于其开环增益在谐振频率处接近无穷大，可有效抑制谐振频率处的不平衡扰动分量[4-5]。文献[5]根据扰动频率特性，在并网电流闭环控制基础上构建基于谐振控制器的零序环流闭环控制来抑制并网设备中两台逆变器的零序环流。文献[6]采用自适应比例谐振控制器实现电网频率漂移时的零稳态误差控制。文献[7-9]根据准谐振控制器对特定频率谐波的无穷大增益的特点，提出了一种永磁同步电动机共模电压抑制方法和一种永磁同步电机弱磁区电流谐波抑制方法。文献[10]引入比例谐振调节器抑制双馈电机转子电流无速度传感器控制中的角频率和转差频率的交流脉动。

本文分析了变频器机组并联环流产生机理，介绍了传统VF开环控制策略和准谐振控制器控制模型。针对输出频率时变的特点，设计了一种基于频率自适应准谐振控制器的VF开环均流控制模型 ，在变频器机组并联与均流控制中取得了良好的效果。

1 机组并联电路拓扑与环流产生机理

级联型变频器机组并联电路拓扑如图1所示。变频器INV1、INV2主电路输入端并联接入电网，输出端经均流电抗器并联接电机绕组，其它主电路及控制电路相对独立。

图1 级联型变流器机组并联拓扑

变频器INV1的A相电压模型：

(1)

根据PWM调制，其中INV1输出电压Ua1=k1UdcA1。

则式(1)可转化为

(2)

同样变频器INV2的A相电压模型为

(3)

式中,UdcA1、UdcA2；ia1、ia2；Ra1、Ra2；L1、L2分别为INV1与INV2对应A相的直流电压值、输出电流值、线路等效电阻值、均流电抗值；Ea为电机A相输入端电压。

联立式(2)和式(3)有，

(4)

由式 (4)可知，在INV1和INV2控制完全同步(k1=k2)的情况下，要实现ia1=ia1的均流，必须并联变频器主电路参数完全一致：UdcA1=UdcA2、Ra1=Ra2、L1=L2。

2 传统开环控制模型

机组并联模式下传统开环控制框图如下,通过INV1的控制器给定电压幅值和频率，并生成电压实际值同步传给INV2。

图2 传统开环控制框图

由于实际上两套控制系统的控制器无法完全同步，变频器主电路电阻、电感、电容等参数也无法完全一致，导致机组并联情况下无法通过简单的传统开环控制实现输出均流控制。

从式(4)可知当UdcA1≠UdcA2、RA1≠Ra2、L1≠L2的情况下，要实现ia1=ia2，更好的方式是k1≠k2，即是通过合理的控制策略使两个机组的输出电压各时刻不完全一致，以适应两个机组硬件的不一致性，从而达到并联机组均流的目的。

3 基于准谐振控制器的VF均流控制策略

3.1 准谐振控制器

准谐振控制器的传递函数为[4-5]

(5)

式中,k为积分系数,ωc为截止频率,ω0为谐振频率。

从传递函数上看，准谐振控制器与带通滤波器一致，在谐振频率ω0处增益无穷大，因此只对谐振频率处的信号起作用，而对其他频率的信号有很强的衰减作用，使与谐振频率具有相同频率的正弦信号实现零稳态误差控制[4-7]。利用这一特点可以设计一个准谐振电流控器，以INV1电流为给定量，使INV2电流零稳态误跟随INV1的电流，实现并联机组的均流控制。其中通过选择合适的ωc可以减少准谐振控制器对信号频率变化的敏感度，提高控制性能。

准谐振电流控器模型如图3所示。

图3 准谐振电流控器模型

3.2 其于频率自适应的准谐振控制器设计

与并网型变流器的网侧控制其输出频率固定不同，机组并联控制电机负载其输出频率是时变的，因此输出电流谐振点也是时变的，为谐振控制器的设计带来了困难。本文采用基于频率自适应策略来设计准谐振控制器参数，使其适应并联机组输出全频率范围的均流控制。

为获得更好的控制性能，对频率自适应准谐振控制器参数进行合理设计，图4～图6 给出不同参数下的准谐振控制器性能指标对比。

图4中给出了积分系数k为300、600、1000情况下的波特图；图5中给出了截止频率为5 Hz、10 Hz、15 Hz情况下的波特图，从中可以看到控制器增益与积分系数成正比。控制器的带宽随着截止频率的增加而变宽，但同时控制器增益也有一定降低。同时，相同的控制器参数针对不同的谐振频率控制效果也一定差异。积分系数、截止频率与对应的谐振频率存在最优的配置。图6给出了频率自适应准谐振控制器在10 Hz、30 Hz、50 Hz频率点处的波特图，从图中可以看到经过合理参数配置可以达到控制器对于不同谐振频率点的控制效果基本一致。

图4 不同k参数的波特图

图5 不同截止频率的波特图

图6 不同谐振频率的波特图

3.3 其于频率自适应准谐振控制器的VF开环均流控制策略

结合频率自适应准谐振控制器基本原因，构建了一种新型基于频率自适应准谐振控制器的机组并联VF开环均流控制策略，控制框图如图7所示。控制器通过频率自适应策略动态识别主机INV1的电流频率与幅值大小，主机INV1与从机INV2的电流误差通过准谐振控制器实时补偿INV2的电压给定，实现INV2的电流零稳态误差跟随INV1电流大小。

图7 新VF开环均流控制框图

4 实验验证

为验证方法的实用性与有效性，在大功率级联型高压变频器机组并联电源试验台上进行验证。其中变频器主控制芯片TMS320F2812、额定电压10 kV，额定容量2.5 MVA；负载为异步电机,额定电压10 kV,额定功率2.5 MW,额定频率50 Hz。

图8给出了传统VF开环控制策略下并联机组的电流均流情况，从波形上看均流特性较差，从电流FFT分析能明显看到各个频率的两个机组的电流均有较大差异。

图8 传统VF开环均流控制

图9中给出了新型开环控制策略下，并联机组的均流波形，从图9(a)中可以看到两个机组a相电流ia1、ia2基本重合，从机INV2电流均能准确跟随主机INV1的电流，正弦度高，均流特性很好。从图9(b)中也可以看到谐振频率50 Hz处ia1、ia2是完全重合的，其它频率点处的重合度也比较高，说明准谐振控制器参数合理，很好的实现了并联机组的均流控制。

图9 新型VF开环均流控制波形

图10中给出了新型开环控制策略在叠频控制模式下的均流波形。从波形中可以看到电流波形中除了主频50Hz外还同时存在一个40Hz为频率幅电流，从电流FFT分析中可以看到在无论在主频50Hz还是在幅频40Hz处，从机INV2电流均能跟随主机INV1的电流，均流特性很好。说明基于频率自适应准谐振控制器通过合理的参数设计不仅可以用于并联机组标准正弦量的均流控制，还可以用于非标准正弦量的均流控制。

图10 新型VF开环均流控制叠频波形

5 结 语

为了保留通用性很强的VF开环控制算法在机组并联均流控制上的应用，本文结合准谐振控制器的原理、特点，以及电机控制输出频率时变的特点，提出了一种基于频率自适应的准谐振控制器应于机组并联VF开环均流控制。通过理论分析及仿真研究合理设计控制器参数，并在实际机组上进行了实验验证与应用。

实验结果证明新的控制策略能能很好的实现机组并联情况下的VF开环均流控制。在实现并联机组均流控制的同时保留了VF开环控制算法的优势。同时实验也证明了新控制策略不仅用于标准正弦量的均流控制，还适应于非标准正弦量的控制。在变频器朝大功率及特大功率发展过程中，对通过机组并联实现机组扩容的方案具有较强的实际指导意义。