发电厂课程设计.docx

4.3 多重化并联升压变流器直流升压变流器是用于同步发电机风力发电系统中常用的变流器拓扑之一。如前面章节的图4.1-1（c）所示，在功率变换系统中，直流升压变流器位于二极管整流器和逆变器之间。升压变流器有两个主要作用：一个是跟踪风能的最大功率，另外就是将直流电压提升至逆变器所需的特定值。第二个作用有助于在所有风速下实现最大的风能转换。在几个千瓦到几百千瓦的中小功率风力发电系统中，经常用到单通道的升压变流器。在兆瓦级的大功率风力发电系统中，电流和电压等级很容易超过一个开关器件的处理能力。多个开关器件并联或串联是一种解决方案。不过，器件并联或串联分别有均流或均压要求，这样需要进行额外的电流或电压测量。除了开关器件串并联之外，变流器的并联或串联是另一种有效的解决方案。在低电压（例如690V）兆瓦级风力发电系统中，多通道的多重化并联升压变流器常用来解决系统中的大电流问题。多重化并联升压变流器，可通过将每个并联变流器的门极信号分别进行移相处理而实现。相比于单个变流器，多重化并联变流器的一个主要好处就是可以提高等效开关频率。对于双通道变流器，其等效开关频率为器件开关频率的两倍；而三通道变流器的则是三倍。多重化并联变流器等效开关频率的提升可带来一系列好处，例如输入电流和输出电压的纹波较小、快速的动态相应能力以及更大的功率处理能力。与小功率开关电源常用MOSFET器件不同，风力发电系统中的多重化并联升压变流器一般采用IGBT作为开关器件。为降低开关损耗，IGBT一般以几百到几千赫兹的开关频率工作，而MOSFET常以更高的开关频率工作。本节对单通道和多通道多重化并联升压变流器进行介绍，对这些变流器的工作原理进行讨论，并分析其输入电流和输出电压的纹波。4.3.1 单通道升压变流器升压变流器是一种输出直流电压高于其输入直流电压的功率变换器。单通道升压变流器的典型电路如图4.3-1所示。该电路包括一个开关器件S1、二极管D1、直流电抗器L1以及滤波电容C。在后续分析中有如下假设：i) 变流器的所有器件均为理想器件，即没有功率和电压损耗；ii) 输出滤波电容C非常大，可认为变流器的输出电压平滑无纹波。图4.3-1 单通道升压变流器电路简图当开关S1导通时，二极管D1反向关断，从而使输出与输入隔离开来，输入电源给电抗器L1提供能量。当S1关断时，二极管D1正向导通，从而使L1中储存的能量通过二极管释放给负载。此时，输出电压vo为输入电压vi与电抗器电压vL1之和，使得变流器的输出电压vo高于其输入电压vi。根据直流电抗器电流iL1的连续性，变换器的工作模式可分为如下两种：连续电流模式（Continuous Current Mode，CCM）和断续电流模式（Discontinuous Current Mode，DCM）。当升压变流器工作于连续电流模式时，电感电流iL1永远不会降到零。图4.3-2给出了升压变流器工作于此模式下的典型电流和电压波形。图4.3-2 单通道升压变流器工作于连续电流模式下的典型波形在变流器稳态运行时，电感电压vL1在时间周期Ts内的积分一定为零，这表明电感L1上的电压在时间Ts内的平均值为零。用图形来表示，就是图4.3-2中的区域A1与A2的面积一定相等，即 （4.3-1）因此，有 （4.3-2）其中，D为变流器的占空比，定义为；Ts为开关周期；ton和toff分别为开关S的导通和关断时间。上式表明，变流器的输出电压总是比其输入电压高。结合式 Vi Ii = Vo Io ，可以推导得到变流器输入电流Ii与输出电流Io之间的关系，为（4.3-3）为计算电感的纹波电流，由于该电流随时间线性变化，因此可用差分方程代替微分方程。在图4.3-2中的toff时间段内，电感的纹波电流可由下式表示为（4.3-4）当占空比D为0.5时，单通道升压变流器的电流纹波达到最大值，即（4.3-5）当变流器工作于轻载条件下时，负载电流与电感L1的电流都很小。此时，在ton时间内存储于电感中的能量不足以在toff时间内维持其电流输出，这样就使电感电流iL1在toff时间段结束之前就降到零，因此变为断续电流。这样就使得变流器工作于断续电流模式。连续电流模式与断续电流模式切换时的电感临界电流为5（4.3-6）当D = 0.5时，电感临界电流值达到最大值，如下式所示（4.3-7）临界输出电流可由下式计算得到（4.3-8）其最大值出现于D = 1/3处，即5（4.3-9）为计算单通道升压变流器的输出电压纹波，可以观察图4.3-2中二极管D1的电流iD1的波形。假设D1的纹波电流分量均被很大的输出电容C所吸收，在时间段ton内，二极管关断，电容C向负载放电；在时间段toff内，二极管D1导通，电容被充电。图中的阴影面积分别代表充放电电荷，即ton时的Q1和toff时的Q2，二者应相等。因此可计算得到输出电压纹波的峰峰值为 （4.3-10）由此可得（4.3-11）对于给定的负载电阻R和滤波电容C，纹波电压Vo随占空比D的增加而增加。图4.3-3给出了变流器工作于断续电流模式下的典型波形。图4.3-3 单通道升压变流器工作于断续电流模式下的典型波形 在ton期间，断续电流模式下的变流器运行工况与连续电流模式下的相同。电流iL1随时间增大，能量储存于L1内。在toff期间，电感电流iL1在K1Ts时间段结束时降为零，此时，在ton期间L1中储存的能量已全部释放。由于电感两端的平均电压在开关周期Ts内为零，因此图4.3-3中的区域A1与A2的面积一定相等，即 （4.3-12）可以得到（4.3-13）其中，K1可由下式计算得到5 （4.3-14）4.3.2 双通道多重化并联升压变流器双通道多重化并联升压变流器的拓扑结构如图4.3-4所示6。电路中有两个并联的变流器通道。第一个通道包括电感L1、开关器件S1和二极管D1，而第二个通道则包括L2、S2和D2。两个变流器通道实际上是并联联接的，不过工作于移相多重化模式下。它们在输出侧共用滤波电容C。假设这两个通道的参数完全一致。图4.3-4 双通道多重化并联升压变流器的拓扑结构变换器的门极信号和电感电流波形如图4.3-5所示。基于交错设计方案，S1和S2的门极信号vg1与vg2波形相同，只是角度移位了360/N = 180，这里N是变流器并联通道的数目，在这里为2。每个单独的变流器通道的工作方式和波形与单通道变流器的相同，此处不再重复。需要注意的是，总输入电流ii为两个电感电流iL1与iL2之和，它有下面一些特性： 输入电流的平均直流分量（Ii）是每个电感电流平均直流分量的两倍，即Ii = IL1 + IL2。由于并联变流器的输入和输出电压均相等，因此每个通道的运行功率是总负载功率的一半； 由于采用了多重化并联技术，使得输入电流纹波的峰峰值Ii比每个单独通道的值都要小。这一点有助于降低输入滤波器的体积（图中没有标出）； 输入纹波电流的频率是每个单独通道的两倍。也就是说，多重化并联变流器的等效开关频率是每个通道的两倍。在相同的输出电压纹波条件下，输出电容C的容量可以降低。图4.3-5 双通道多重化并联变流器输入电流纹波的分析波形（D 0.5时，纹波电流又开始增加。因此可以从下面两种情况来分析得出输入电流的纹波。情况1: 0 D 0.5 图4.3-5中的波形可用来分析双通道变流器的输入电流纹波Ii。在时间段ton内比较容易分析，因为在此期间，总输入电流ii是单调增加的。变流器输入电流的纹波计算为（4.3-15）其中，K1 = diL1/dt，K2 = diL2/dt，二者分别是电感电流iL1与iL2在充放电过程中的斜率。由此可得 （4.3-16）其中，L是每个变流器通道的电感值，即L = L1 = L2。在上式中，将Ii对Vi取微分，可以得到输入电流纹波的最大值。 由此可得（4.3-17）将式（4.3-17）代入（4.3-16）中，可以得到最大电流纹波值为（4.3-18）将上式与式（4.3-5）相比可以发现，在0.5时，双通道升压变流器的最大电流纹波是单通道变流器的一半。情况2: 0.5 D 0.5）基于式（4.3-3）、式（4.3-16）和式（4.3-19），图4.3-7给出了单通道（N = 1）和双通道（N = 2）等变流器的输入电流纹波Ii相对于占空比D的波形6。图中，以式（4.3-4）给出的单通道变流器的最大电流纹波IL1,max为基值，对Ii进行标幺化处理。从图中可以看出，双通道变流器的输入电流纹波要比单通道变流器的低很多。尤其是，双通道变流器的输入电流纹波在D = 0.5时为零，而此时单通道变流器的则达到最大值。图4.3-8给出了N通道升压变流器的纹波电流比相对于占空比D的波形，其中，纹波电流比为变流器输入电流纹波Ii与其通道内的电流纹波IL之间的比值。图4.3-7 N通道多重化并联升压变流器的输入纹波电流标幺值与占空比D图4.3-8 N通道升压变流器的纹波电流比（输入电流纹波Ii和通道内电流纹波IL之比）与占空比D输出电压纹波如前所述，多重化并联变流器的一个优点就是可以降低输出纹波。在一个双通道变流器中，两个并联通道共用相同的输出电容C，这给分析带来一些困难。计算机仿真技术可用来协助确定输出电压纹波。假设变换器工作于连续电流模式，图4.3-9给出了输出电压相对纹波与占空比之间的关系6。图中也给出了单通道变流器的相对输出电压波形，这是根据式（4.3-6）计算得到的。相比于单通道变流器，双通道变流器的输出电压纹波要小很多。图4.3-9 N通道升压变流器的输出电压相对纹波与占空比D4.3.3 多通道多重化并联升压变流器图4.3-10（a）给出了一个三通道升压变流器的拓扑结构，每个通道之间的相位差为360/N = 120，此处N为3。该电路实际上由三个单通道变流器并联组成，工作于多重化并联方式。每个变流器的门极信号是相同的，只是有Ts/3的时间延迟。电感电流iL1、iL2、iL3以及总输入电流iL的波形如图4.3-10（b）所示。从图中可以看出，变流器输入电流ii的频率是单个变流器频率的三倍。图4.3-10 三通道多重化并联升压变流器的拓扑与波形与双通道变流器的分析过程类似，三通道变流器的输入电流纹波可由