第 38 卷 第 10 期
2018 年 10 月
电 力 自 动 化 设 备
Electric Power Automation Equipment
Vol.38 No.10
Oct. 2018
基于降阶模型的三相 Vienna 整流器交流级联稳定性分析
党超亮,同向前,宋卫章,黄晶晶
(西安理工大学 自动化与信息工程学院,陕西 西安 710048)
摘要:以三相 Vienna 整流器交流级联稳定性为研究对象,给出了 dq 坐标系下三相交流系统小信号简化稳定
性判据,构建了面向级联系统小信号稳定性分析的 Vienna 整流器阻抗方程;提出并采用一种虚拟阻抗方法,
有效改善了 Vienna 交流级联系统小信号稳定性;构建了完整的仿真与实验模型,给出了详细的理论分析与虚
拟阻抗设计方案,结果表明了所提阻抗与小信号稳定性分析的正确性。
关键词:三电平 Vienna 整流器;降阶模型;LC 滤波器;稳定性;阻抗调节
中图分类号:TM 461 文献标识码:A DOI:10.16081 / j.issn.1006
-
6047.2018.10.021
收稿日期:2017
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05
-
08;修回日期:2018
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06
-
20
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51677151,51507138);
陕西省重大科技创新专项资金资助项目(2015ZKC02
-
01);陕西
省重点研发计划———国际交流与合作项目(2017KW
-
035)
Project supported by the National Natural Science Foundation of
China(51677151,51507138) ,the Major Scientific and Techno⁃
logical Innovation Project of Shaanxi Province(2015ZKC02⁃01)
and the International Exchange and Cooperation Project of Key
R&D Program in Shaanxi Province(2017KW⁃035)
0 引言
随着通信技术与计算机行业的快速发展,安全
可靠的数据中心供电系统已逐渐成为世界范围内的
关注热点。 由于传统的交流不间断电源( UPS) 与
-
48 V 低压直流供电系统存在维护成本高、可靠性
差、效率较低等问题,难以提供安全可靠的电力供
应,数据中心高压直流输电(HVDC) 供电系统应运
而生
[1⁃2]
。 目前主流的数据中心 HVDC 供电系统主
要由三相交流电经 LC 滤 波 电路与模 块化设计 的
AC / DC 整流器升压,再经 DC / DC 变换器等变换装
置与负载相连。 其中就整流模块而言,由于三电平
Vienna 整流电路具有同电平数下开关器件少、开关
应力低、功率密度大、可靠性高等优良特性,在直流
供电系统前级功率因数校正( PFC) 整流模块中获得
广泛应用
[3⁃ 4]
。 然而,模块互联作为直流充电电源的
一种典型连接方式,存在的关键问题就是在三相整
流器独立稳定工作的情况下,当与非理想电网级联
时,因为电网 LC 网络的存在会导致级联系统由于前
后级阻抗间的相互作用引起级联系统的动态性能下
降,甚至会造成不稳定现象
[5]
。
Middlebrook 将源变换器阻抗与负载阻抗之比
等效为系统环路阻抗,并首次提出了单输入输出的
直流 直流变换器的奈奎斯特稳定性判据
[6]
。 由于
交流系统与直流系统特性的内在差异,文献[7] 提
出通过在三相交流级联系统中引入同步旋转变换,
将整流及逆变三相交流系统等效为直流系统,此时
直流级联稳定性分析方法即可适用于交流系统。 当
在全频域范围内时,源变换器输出阻抗始终大于负
载变换器输入阻抗则交流系统稳定;当存在交截区
域时,若存在频率使得源变换器输出阻抗与负载变
换器输入阻抗间的相位差大于 180°,则 系统不稳
定,反之在交截区域内,其相位差小于 180°,则系统
稳定
[8⁃9]
。 Vienna 整流器由于前级二极管的存在,网
侧电流只能单向流动,这一特性导致难以判定与电
网级联的稳定性问题,此外 Vienna 作为多输入多输
出系统,传统的广义奈奎斯特稳定性判据涉及矩阵
特征值的运算,较为复杂且不易于控制,然而工程上
希望实现单输入单输出系统。 国内外文献对于能量
单向流动的 Vienna 整流器的二端口降阶小信号模
型与级联稳定性问题鲜有论述。
本文在已有研究的基础上,给出了三相交流级
联小信号稳定性分析的简化等效判据,研究了能量
单向流动的 Vienna 整流器降阶小信号模型建模方
法与闭环阻抗方程;为了进一步提高级联系统稳定
裕度,给出了一种引入虚拟阻抗调节的阻抗匹配方
案;为了验证本文阻抗分析与稳定性等效判据的正
确性,将三相 Vienna 整流器与非理想电网间的稳定
性问题转化为 LC 滤波器输出阻抗与 Vienna 整流器
d 通道闭环输入阻抗间的联系,并给出了详细的理
论推导过程与设计方案。 仿真与实验结果表明了本
文所提阻抗与等效判据方法的正确性,为能量单向
流动的 Vienna 整流器与三相交流系统级联小信号
稳定性问题提供了重要参考。
1 dq 坐标系下 Vienna 整流器级联稳定性简
化判据与阻抗特性分析
本文采用的三相三电平 Vienna 整流器电路拓
扑如附录中图 A1 所示。 图中,u
sx
( x
=
a,b,c) 为三
相交流电网电压;L 为交流侧升压电感;R
L
为寄生
电阻;Q
x
为由 2 个反向串联构成的双向电流开关;
C
1
、C
2
构成直流侧输出电容,且 C
1
=
C
2
=
C;D
xp
、D
xn
为不控整流二极管;i
0p
、i
0n
为直流侧输出电流;u
0
为
直流侧输出电压
[4]
。