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有源电感作为直流环节的分析与设计

用于轻型可调速驱动系统的电抗器

Dibyendu Rana，Bahaa Hafez，Pawan Garg，Somasundaram Essakiappan，Prasad Enjeti

电力电子与电能质量实验室电气与计算机工程系德克萨斯A＆M大学

美国大学城，http：//enjeti.tamu.edu

摘要 - 尺寸和重量考虑在某些特殊行业中非常重要，如采用可调速驱动器（ASD）的海上石油钻井和海洋/海底系统。典型的ASD拓扑由三相二极管整流器前端组成。指定直流链路电感器和/或交流线路电抗器以将公用线路电流谐波降低到可接受的水平也是很常见的。但是，所需的直流链路电感/交流线路电抗器有助于增加额外的重量和体积。在本文中，探索了一种有源电感器方法来模拟大尺寸直流链路电感器。提出并分析了1 MW ASD有源电感的分析和设计。命令所需的电感值，并且电流控制调节有源电感器电流以匹配电感器行为。结果表明，所提出的有源电感器拓扑在重量/体积上与较小的电感器类似，同时模拟较高的每单位电感。所提出的有源电感器在改装和特殊应用中满足ASD所需的紧凑和轻量级规格。此外，有源电感器是可调谐的，以在故障期间实现高性能操作。给出了缩小原型的实验结果。详细描述了尺寸，重量和损耗分析，并且还解释了用于减少损耗的软切换方法。

1引言

在过去的几十年中，用于移动设备和消费电子产品的电源转换器变得非常轻巧和紧凑。由于空间有限，高功率密度驱动器在现代工业设备中变得更加理想。通过在模块内集成半导体器件，门控和散热器以及使用中频变压器，自20世纪80年代以来，ASD拓扑结构的体积减少了70-80％[1]。在某些专业行业，如海上钻井，海底动力系统和海上运输，设计限制是严格的，因为减少重量和体积可以节省大量资金[2]。领先的制造商拥有专门的驱动器产品组合，概述其较小的占地面积和轻量化设计，以满足石油钻探[3]。

典型ASD的前端由二极管桥式整流器（6脉冲或12脉冲）组成，产生低频电网电流谐波。通常它们采用LC滤波器来滤除电流谐波并提高整体电能质量。 直流反应器，0.1-0.2p.u.提高电网电流质量极大。然而，对于高额定功率，它往往体积庞大，增加了重量/体积和成本。另一方面，较小的电感可达0.01 p.u.使网络当前质量不令人满意。通过采用更好的材料和更新的几何形状可以增加这种电感器的功率密度，但是它们增加了成本。除了重量和体积考虑因素之外，无源电感器的阻抗值无法动态调整，并且易受温度和饱和度变化的影响。

如图1所示的有源电感器已经被提出用于通过改变电感[4,5]作为功率流控制的若干应用。然而，对于在故障条件期间的这种应用，有源电感器两端的电压将是整个线电压，并且有源电感器的DC链路电压和开关额定值必须保持高，使得系统非常昂贵。此外，拓扑结构需要高开关频率，这会增加散热器的尺寸并使解决方案变得不切实际。然而，随着近来作为SiC和GaN的半导体材料的进步，可以降低开关损耗并且可以为高功率应用设计紧凑的系统。在本文中，提出了一种用于ASD（图1）的直流链路电抗器的有源电感器。 所需的电感值L_ref可在0.1 p.u时选择，并且是外部的命令。一种简单的控制策略可调节电流以模拟指令的电感值。与具有类似拓扑的串联有源滤波器相比，整体控制更加简单。 有源电感两端的较低电压限制了其H桥开关和电容的额定电压。 所提出的有源电感器系统的主要优点如下：

bull;所提出的有源电感器结构紧凑，占地面积小，重量轻，为系统设计人员提供了更大的灵活性，并为其他需求提供了更多空间，特别是在采用高电流低频磁性且重量和空间限制严格的应用中。

bull;电感值是动态可调的，可根据每个安装的不同效用阻抗进行调整。

bull;所提出的有源电感器能够承载大值的直流电流而不会饱和，在没有磁滞的情况下在很宽的范围内呈现线性。

bull;通过使用新的半导体技术作为SiC和GaN器件以及采用先进的ZVS开关方案，可以将有源电感器的Q因子设计得更高[6]。

bull;所提出的有源电感器可以在改造应用中直接即插即用替代无源元件，从而节省大量机柜空间并提高性能。

图1：建议使用有源电感作为直流母线的轻量级ASD反应堆

2建议的双端有源电感器

组态

图2中的有源电感器拓扑结构的设计可大致分为两个主要子系统：（A）H桥转换器和（B）控制所需电感器值的控制策略。

A. H桥转换器

为此应用选择的功率转换器必须满足几个要求。它必须以高开关频率工作，而不会显着增加损耗。它需要将电容器充电到所需的值。同时，它必须转换系统的能量以模拟归纳行为。已选择功率转换器作为H桥拓扑，以获得三电平输出并在其端子上产生正电压和负电压。所提出的有源电感器块包括一个小电感器，L_f，一个高频直流链路电容器，C_DC和H桥转换器。 H桥转换器可以由SiC或GaN器件组成，能够以高频率（asymp;50kHz）切换，损耗低于Si IGBT。 可以选择直流链路电容作为金属化聚丙烯薄膜电容器，以减少高温下的电容漂移并提高可靠性。 直流链路电容器提供模拟电容所需的能量电感如（1）所示。 可以构建滤波电感器具有低损耗特性的纳米晶体核频率很高[7]。 它决定了高频纹波

通过（2）在当前包络上并促进电力传输。

L_refI_load² =C_dcV_dc² (1)

V_dc =L_filter (2)

B.控制策略

图2：提出的具有外部电压控制和内部控制的控制策略电流控制

控制所提出的有源电感的框图如图2所示。有源电感拓扑类似于串联有源滤波器拓扑。串联有源滤波器具有复杂的控制结构，用于确定存在的谐波并产生参考电压以抵消它们[8]。 所提出的有源电感器具有简单的控制策略以模拟电感器并且高频谐波被自动衰减。 控制器结构包括使用滞后控制的内部电流回路和采用PI控制器的外部DC总线电压控制回路。

理想的有源电感器将使电压和电流异相，并且不会耗散任何实际功率。直流链路电容器不需要任何电压控制，因为系统所需的平均实际功率为零。然而，系统组件有其损失，这将消耗一些实际功率。维持恒定DC链路电压V_dc所需的实际功率通过PI控制器获得，作为一系列虚拟电阻R_vir。表示所有系统损耗的等效电阻可以估计为R_vir。这个PI输出，乘以当时电感电流，I_ind给出了虚拟电阻电压降，V _{r_ vir}。从感测中减去电感电压V_{ind _ sense}，以获得电感上的压降。 因此，PI控制器调节DC链接电压在参考值，V_{dc_ ref}。内环通过使用（3）中的关系计算电感电流I_{ind _ ref}的指令值。 产生的电流错误，误差I_{ind _ref}被馈送到滞后控制器以产生H桥选通信号以模拟电感。

I_{ind_ref}= V_{ind_sence—}V_{R_vir})dt (3)

可以进行拓扑的小信号分析，以在开环和闭环中找到系统的相关传递函数。可以使用如图3所示的简化小信号模型。

图3：用于控制回路分析的简化小信号模型

可以采用状态空间平均方法来生成传递函数。 图4显示了电感电流，输出I和参考电感值L_ref的传递函数的控制框图。

图4：输出电流到参考电感值的传递函数的控制框图

求解控制块产生（4），其用于确定控制回路稳定性。

=

m=；n=；B= (4)

其中R是负载电阻，C_dc是DC链路电容，L是滤波器电感，K是滞后增益。

3 设计实例和模拟

图1显示了1 MW驱动器的ASD拓扑结构，其中有源电感器替换了表1中规定的直流链路电感器。

表1：具有有源电感的ASD拓扑的规范

三相逆变器使用6KHz的PWM开关将V_dc转换为三相电压，并提供功率因数0.75的感应电动机负载。 对于三相二极管整流器系统，线电流的THD较低，以便连续导通。 然而，对于连续传导，需要大的DC链路电感器。 连续传导的最小电感值由（5）给出。

L_min= （5）

对于该系统，发现L_min为250uH（0.01p.u.）。该系统的线电流THD计算为70％。对于较低的THD，电感值应高5-10倍或0.05-0.1 p.u。用0.1 p.u.电感，THD约为30％，L_ref值为2.5 mH。这种电感器体积庞大，所提出的有源电感器用较轻的系统取代了这种庞大的电感器。这显着改善了栅极电流质量，如图5（a）所示，并且有源电感器电流I_{ind_act}与0.01 p.u相比具有更低的纹波。图5（b）显示了有源系统中的效用电流，，与被动系统中的市电电流I_{souce_pas}相比，其具有更好的THD. 滞后控制器严格调节电感电流，将高频电流纹波限制在plusmn;15％。滤波电感L _f用于实现这种纹波并将开关频率限制为40 kHz通过（2） 使用PI控制器将有源电感器直流母线电压V_{dc_ bus}控制在500V，纹波为plusmn;20％。H桥直流母线电容器的设计使用（1）为1.5mF。

图5：（a）有源电感电流与通过电感电流相比，（b）有源和无源系统的A相电流，（c）有源电感器DC总线电压

4由于动态电感而改善的容错性

A.电网故障

当发生诸如相中欠电压的电网故障时，线电流THD恶化。 然而，可以动态地改变有源电感器的电感以改善电网故障响应。 在图6中，在0.5秒处模拟电网故障。

图6：改进的动态响应（a）C相0.5s的电网故障（b）A相电网电流（c）有源电感器DC链路电压调节为600V（d）参考电感值从2.5mH（0.1pu）增加

然而，在电网故障之后，感应电感L_ref为0.2p.u.被模仿。有源电感器直流链路电压V_dcBus增加到600V，以提供（1）所需的能量。 公用电流THD从32％增加到34％。与无源电感器的电感值相比，系统性能更好。

B.公用电容器切换瞬态

实用中的电容器组切换瞬态导致ASD的DC链路电压过电压，这导致过电压跳闸[9]。公用线路电感与开关电容器形成LC谐振电路，并且谐振电流必须由DC链路电容器消除。所提出的有源电感器可以通过吸收高频电流并降低过电压来防止这种跳闸。当检测到瞬变时，电感值增加;这会将能量转储到有源电感器直流总线电容器中，从而减少ASD直流链路必须吸收的电流量。为了限制有源电感器直流总线电容器中的过电压，可以使用泄放电阻器。例如，如图7所示，在0.5 s的电容器开关瞬态下模拟相同的ASD。电感值L

资料编号：[3637]