CN105137197B - 多功率模块并联的换流器中均流电抗器值的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多功率模块并联的换流器中均流电抗器值的确定方法,步骤包括:1)建立两个并联的功率模块之间连接均流电抗器并达到均流时的均流等效模型,由均流等效模型得到达到均流时均流电抗器值与两个功率模块之间输出电压差、环流大小的关系;2)分别获取换流器中与待确定均流电抗器连接的两个目标功率模块的输出电压、输出电流,计算得到输出电压差、环流大小后根据步骤1)得到的关系确定对应的均流电抗器值。本发明具有实现方法简单、能够直接确定换流器中使各功率模块之间达到均流时所需的均流电抗器值,且均流电抗器值准确度高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及城市轨道交通技术领域,尤其涉及一种多功率模块并联的换流器中均流电抗器值的确定方法。
背景技术
21世纪的城市轨道交通是以节能环保为目标的绿色交通系统,在整个城市轨道交通系统中,车辆能耗的占比一般都超过整个系统能耗的50%。随着城市轨道交通技术的迅猛发展,对城轨车辆制动时产生能量的吸收和利用的研究越来越多。通过多换流器模块并联,可以增加UPS的容量及提高UPS的可靠性,但换流器并联同时存在各个换流器模块输出电流不一致的问题,则需要通过均流控制策略使得并联系统的各个换流器模块的输出电流一致。
为了提高回收装置的容量,模块的串并联技术是必不可少的,而模块并联带来的模块间环流问题一直是困扰工程师的难题,目前,比较通用抑制环流的方法有通过均流控制算法来抑制,还有一种是通过增加电抗器来抑制。通过均流控制算法来控制环流,一方面效果不是很理想,另一方面可靠性不高。均流电抗器是由绕在同一铁芯上的两个匝数相同的线圈组成(将线圈非同名端相联接)的一种三端口器件,采用均流电抗器均流损耗小,并且电感还有限制电流上升率的作用,能起到动态均流的效果。通过使用一个均流电抗器接在两个并联的元件电路中,可以使得当两个线圈内电流相等时,铁芯内激磁安匝相互抵消,几乎无铁芯损耗;若电流不等时,由均流电抗器产生一个电势,且所产生的电势能够使电流小的元件支路电流增大、电流大的元件支路电流减小,从而自动达到均流的效果。因而在并联元件较多的情况下,通常会采用适当数量的均流电抗器来实现动态均流,通过在其相邻支路中串联极性相反匝数相等的线圈,当发生电流不均时产生感应电势,使支路间保持均流。
在由多个功率模块并联构成的换流器中加均流电抗器,可以抑制并联模块之间由于器件导通关断特性不一致,以及两重控制脉冲之间的轻微延时而导致的环流。如图1所示为两个变流器并联构成的换流器中连接均流电抗器的结构,每相功率模块之间连接均流电抗器L的一相,L’均流电抗器中绕组的漏抗。当两个分支电流不同时,因铁芯的磁耦合作用,使绕在铁芯上的线圈产生感应电势,感应电势的产生势图使两分支电流相等,从而形成动态平衡。因逆变单元载波信号相位角不同,各并联功率模块瞬时输出电压不同,为了限制由于各换流器功率器件瞬时开关状态不同而导致的高频电流分量,必须设置均流电抗器。
均流电抗器会影响输出电流响应速度、系统冗余量以及系统体积等,因此均流电抗器参数选择对并联型换流器或串并联型换流器设计至关重要。目前在并联模块之间接入均流电抗器时,通常是采用普通电抗器,存在电抗器损耗大、体积大、成本高等问题,且均流电抗器都是基于经验取值,目前还没有一套规范、科学的方法以确定取值,而均流电抗器取值将直接影响到均流效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于:针对现有技术存在的技术问题,本发明提供一种具有实现方法简单、能够直接确定换流器中使各功率模块之间达到均流时所需的均流电抗器值,且均流电抗器值准确度高的多功率模块并联的换流器中均流电抗器值的确定方法。
为解决上述技术问题,本发明提出的技术方案为:
一种多功率模块并联的换流器中均流电抗器值的确定方法,步骤包括:
1)建立两个并联的功率模块之间连接均流电抗器并达到均流时的均流等效模型,由所述均流等效模型得到达到均流时均流电抗器值与两个所述功率模块之间输出电压差、环流大小的关系;
2)分别获取换流器中与待确定均流电抗器连接的两个目标功率模块的输出电压、输出电流,计算出输出电压差、环流大小后根据所述步骤1)得到的关系确定对应的均流电抗器值。
作为本发明的进一步改进,所述步骤1)的具体步骤为:
1.1)由两个并联的功率模块、负载以及连接在两个所述功率模块之间的均流电抗器构成两条电流回路;忽略均流电抗器中绕组的漏抗,并计算达到均流时所述两条电流回路的电压计算等效方程,建立得到两个并联的功率模块之间连接均流电抗器并达到均流时的均流等效模型;
1.2)根据所述均流等效模型建立均流电抗器值与两个功率模块之间输出电压差、两个功率模块的输出电流的第一关系,以及建立两个功率模块之间输出电压差、环流以及相位角的第二关系;
1.3)由所述第一关系、第二关系得到均流电抗器值与两个所述功率模块之间输出电压差、环流大小的关系。
作为本发明的进一步改进,所述步骤1.1)中对应两个功率模块的两条电流回路的电压计算等效方程为:
u1+e′2-e1-u0=0
u2+e′1-e2-u0=0
其中,u1为第一个功率模块的输出电压,u2为第二个功率模块的输出电压,e1为均流电抗器中与第一个功率模块连接的第一绕组的感应电动势,e1’为第一绕组在第二绕组上的反向电动势,e2为均流电抗器中与第二个功率模块连接的第二绕组的感应电动势,e2’为第二绕组在第一绕组上的反向电动势,u0为负载上的电压值。
作为本发明的进一步改进,所述步骤1.2)中第一关系建立的具体步骤为:
1.211)将所述两条电流回路的电压计算等效方程进行差值运算,得到如下式所示的两个功率模块之间输出电压差、与均流电抗器的两个绕组电压差之间的差值关系式;
u2-u1=2(e2-e1)
1.212)根据电磁感应关系得到均流电抗器中两个绕组的绕组感应电压关系式,所述绕组感应电压关系式为:
1.213)根据所述步骤1.211)得到的差值关系式、所述步骤1.212)得到的绕组电压关系式计算得到均流电抗器值与两个功率模块之间输出电压差、两个功率模块的输出电流的第一关系,所述第一关系的表达式为:
其中,L为均流电抗器值,i1为第一个功率模块的输出电流,i2为第二个功率模块的输出电流。
作为本发明的进一步改进,所述步骤1.2)中第二关系建立的具体步骤为:
1.221)建立两个功率模块的输出电压方程,所述输出电压方程为:
1.222)根据所述输出电压方程,计算得到两个功率模块之间输出电压差、环流大小以及相位角的第二关系,所述第二关系的表达式为:
其中,u1为第一个功率模块的输出电压,u2为第二个功率模块的输出电压,U1、U2分别为对应u1、u2的幅值,为两个功率模块输出电压的相位角,ω为两个功率模块输出电压的角速度,X为中间换算角度值。
作为本发明的进一步改进,所述步骤1)中均流电抗器值与两个所述功率模块的输出电压、输出电流之间的关系表达式为:
其中,u1为第一个功率模块的输出电压,u2为第二个功率模块的输出电压,U1、U2分别为对应u1、u2的幅值,I1为第一个功率模块的输出电流i1的有效值,I2为第二个功率模块的输出电流i2的有效值,I2-I1为环流大小,ω为两个功率模块输出电压的角速度,为两个功率模块输出电压的相位角。
作为本发明的进一步改进,所述步骤2)的具体步骤为:
2.1)分别获取换流器中与待确定均流电抗器连接的两个目标功率模块的输出电压、输出电压的相位角以及均流系数;
2.2)计算两个目标功率模块之间输出电压差,并根据所述均流系数按照下式计算两个目标功率模块的输出电流,得到两个目标功率模块之间环流大小;
其中,I1为第一个功率模块的输出电流i1的有效值,I2为第二个功率模块的输出电流i2的有效值,a为均流系数;
2.3)将获取的输出电压的相位角以及计算得到的输出电压差、环流大小,根据步骤1)得到的均流电抗器值与两个所述功率模块之间输出电压差、环流大小的关系,计算得到所需均流电抗器值。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
1)本发明通过建立均流等效模型,获取均流时均流电抗器值与两个并联功率模块的输出电压差、环流大小之间的关系,从而在获取到待确定均流电抗器对应的两个目标功率模块的输出电压、输出电流后,即可根据得到的关系直接确定得到所需的均流电抗器值,实现方法简单,且由于是基于均流等效模型,所得到的均流电抗器值准确度高;
2)本发明通过将并联的功率模块与负载形成两个电流回路,从而得出两个功率模块之间输出电压差、输出电流与均流电抗器值的关系;再通过两个功率模块的输出电压与相位角的关系式,最终得到均流电抗器值L与两功率模块之间输出电压压差、相位角以及模块间环流之间的关系,以提供均流电抗器值有效的计算依据,使所确定的均流电抗器值能够满足模块并联时抑制模块间环流的需要,从而得到合理、可靠的主回路参数;
3)本发明多功率模块并联的换流器中均流电抗器的确定方法,提供了一套完整、科学的均流电抗器值的确定方法,通过该确定方法,基于工程已知的参数即可确定得到所需的均流电抗器值,为设计前期时器件的选型提供可靠的保障,同时能够降低系统体积、成本,有效提高了整体系统性能参数以及性价比;
4)本发明基于达到均流时均流电抗器值与两个功率模块之间输出电压差、环流大小的关系,进一步结合均流系数来确定所需的均流电抗器值,能够确定得到满足均流系数所需的均流电抗器值,从而满足所需的抑制环流需求。
附图说明
图1是两个变流器并联构成的换流器的结构原理示意图。
图2是本实施例多功率模块并联的换流器中均流电抗器值的确定方法实现流程示意图。
图3是本实施例采用的两个变流器并联构成的换流器的简化等效电路结构示意图。
图4是本实施例换流器中一相的电抗器计算等效电路的结构原理示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述,但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图2所示,本实施例多功率模块并联的换流器中均流电抗器值的确定方法,步骤包括:
1)建立两个并联的功率模块之间连接均流电抗器并达到均流时的均流等效模型,由均流等效模型得到达到均流时均流电抗器值与两个功率模块之间输出电压差、环流大小的关系;
2)分别获取换流器中与待确定均流电抗器连接的两个目标功率模块的输出电压、输出电流,计算出输出电压、环流大小后根据步骤1)得到的关系确定对应的均流电抗器值。
在多模块并联的主电路架构下,若两重的一相中上管IGBT元件在同一原始脉冲的作用下,由于控制系统的延时,器件参数的分散性,两重器件开通和关断时间不一致,那么在一重单管开通而另一重单管未开通的短暂时间内,均流电抗器能有效抑制导通单管的电流上升率,直到另一单管导通而实现两重之间的均流,且均流电抗器仅仅只是抑制环流的作用,不会对控制系统及主电路的性能造成其它影响。
本实施例通过建立均流等效模型,获取均流时均流电抗器值与两个并联功率模块的输出电压差、环流大小之间的关系,从而在获取到待确定均流电抗器对应的两个目标功率模块的输出电压、输出电流后,即可根据得到的关系直接确定得到所需的均流电抗器值,实现方法简单,且由于是基于均流等效模型,所得到的均流电抗器值准确度高。
本实施例中,步骤1)的具体步骤为:
1.1)由两个并联的功率模块、负载以及连接在两个功率模块之间的均流电抗器构成两条电流回路;忽略均流电抗器中绕组的漏抗,并计算达到均流时两条电流回路的电压计算等效方程,建立得到两个并联的功率模块之间连接均流电抗器并达到均流时的均流等效模型;
1.2)根据均流等效模型建立均流电抗器值与两个功率模块之间输出电压差、两个功率模块的输出电流的第一关系,以及建立两个功率模块之间输出电压差、环流大小以及相位角的第二关系;
1.3)由第一关系、第二关系得到均流电抗器值与两个功率模块之间输出电压差、环流大小以及相位角之间的关系。
以下以两个变流器并联构成的换流器均流电抗器值确定为例对步骤1)进行详细说明。
本实施例忽略均流电抗器中绕组的漏抗L’,得到如图3所示的简化等效模型,每相桥臂包括两个并联的功率模块,两个功率模块之间连接均流电抗器的一相。对于换流器中每一相,由两个并联的功率模块(模块1、模块2)、负载ZL以及连接在两个功率模块之间的均流电抗器L构成如图4所示的电抗器值计算等效电路,其中u1为模块1的输出电压(对应相出口侧的输出电压),u2为模块2的输出电压(对应相出口侧的输出电压),e1为均流电抗器中与模块1连接的第一绕组的感应电动势,e1’为第一绕组在第二绕组上的反向电动势,e2为均流电抗器中与模块2连接的第二绕组的感应电动势,e2’为第二绕组在第一绕组上的反向电动势,u0为负载ZL上的电压值,L为均流电抗器值,i1为模块1的输出电流,i2为模块2的输出电流,i2-i1为模块2与模块1之间产生的环流。
分别将u1、e1、u0作为一个电流回路建立一个电压计算等效方程,以及将u2、e2、u0作为一个电流回路建立一个电压计算等效方程,两个电压计算等效方程分别为:
u1+e′2-e1-u0=0 (1)
u2+e′1-e2-u0=0 (2)
由上述电抗器值计算等效电路以及电压计算等效方程建立得到均流等效模型,则由均流等效模型可获取以均流为目标时,均流电抗器值与两个功率模块输出电压、输出电流之间的关系。
本实施例建立均流电抗器值与两个功率模块之间输出电压差、两个功率模块的输出电流的第一关系的具体步骤为:
步骤1.211:将式(1)、(2)所示的两条电流回路的电压计算等效方程进行差值运算,得到如式(3)所示的两个功率模块之间输出电压差、与均流电抗器的两个绕组电压差之间的关系式;
u2-u1=2(e2-e1) (3)
步骤1.212:根据电磁感应定律得到均流电抗器的电磁感应关系式,得到如式(4)所示的均流电抗器中两个绕组的绕组感应电压关系式;
步骤1.213:根据式(3)所示的差值关系式(4)、式(5)所示的绕组电压关系式计算得到第一关系,第一关系的表达式为:
由式(6)即得到均流电抗器值与两个功率模块之间输出电压差、两个功率模块的输出电流的关系。
本实施例中,两个功率模块之间输出电压差、环流大小以及相位角的第二关系建立的具体步骤为:
步骤1.221:根据拓扑结构建立如式(7)、(8)所示的输出方程;
其中,U1、U2分别为对应u1、u2的幅值。
步骤1.222:根据输出电压方程计算得到第二关系,第二关系的表达式为:
其中,为两个功率模块输出电压的相位角,ω为两个功率模块输出电压的角速度,X为中间换算角度值。
由式(9)即可得到两个功率模块之间输出电压差、环流大小以及相位角的关系。
通过式(6)、(9)可得:
其中,I1为第一个功率模块的输出电流i1的有效值,I2为第二个功率模块的输出电流i2的有效值,I2-I1为环流大小。
本实施例通过将并联的功率模块与负载形成两个电流回路,从而得出两个功率模块之间输出电压差、输出电流与均流电抗器值的关系;再通过两个功率模块的输出电压与相位角的关系式,最终得到均流电抗器值L与两功率模块之间输出电压压差、相位角以及模块间环流之间的关系,以提供均流电抗器值有效的计算依据,使所确定的均流电抗器值能够满足模块并联时抑制模块间环流的需要,从而得到合理、可靠的主回路参数。
本实施例中,步骤2)的具体步骤为:
2.1)分别获取换流器中与待确定均流电抗器连接的两个目标功率模块的输出电压、输出电压的相位角以及均流系数;
2.2)计算两个目标功率模块之间输出电压差,并根据均流系数按照下式计算两个目标功率模块的输出电流,得到两个目标功率模块之间环流大小;
其中,a为均流系数,不均流系数相应的为:
2.3)将获取的输出电压的相位角以及计算得到的输出电压差、环流大小,根据步骤1)得到的均流电抗器值与两个功率模块之间输出电压差、环流大小的关系,即式(10),计算得到所需均流电抗器值。
由于模块间的不均流特性,本实施例基于达到均流时均流电抗器值与两个功率模块之间输出电压差、环流大小的关系,结合均流系数来确定所需的均流电抗器值,能够确定得到满足均流系数所需的均流电抗器值,从而满足所需的抑制环流需求。在工程实际中预先通常无法获取两个功率模块的电流差值,需通过均流系数来实现两个模块电流差值的评价,均流系数作为控制模块之间均流的目标值,也是换流器性能的一项重要考核指标,因此将均流系数引入均流电抗器的取值式中,更能体现均流系数与电抗器值的关系,符合工程应用。
本实施例采用上述方法,提供一套完整、科学的多功率模块并联的换流器中均流电抗器值的确定方法,基于工程已知的参数,采用上述确定方法即可得到所需的均流电抗器值,为设计前期时器件的选型提供可靠的保障,同时能够降低系统体积、成本,有效提高了整体系统性能参数以及性价比。
为验证本发明的有效性,取输入电压为850V,模块2的脉冲比模块1的脉冲延时200ns,开关频率1050Hz,单个模块的输出功率为625KW,理想输出电压值为475V;根据IGBT导通压降差异性,两者导通压降之间最大相差0.5V,不妨令模块2的输出电压比模块1的输出电压高0.5V,则U1为475.5V,U2为474.5V;理想额定电流值为760A,由于模块间的不均流特性,在均流系数为96%时,可得出I1为790.4A,I2为729.6A。
由上述确定方法确定均流电抗器值为:
在模块2与模块1中接入均流电抗器进行试验,且值取上述确定得到均流电抗器值;检测接入均流电抗器后模块间环流,由试验结果得到,本发明方法确定得到的均流电抗器值能够完全符合抑制环流要求,验证了本发明上述确定方法的合理性。
上述只是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然而并非用以限定本发明。因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰,均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (7)
1.一种多功率模块并联的换流器中均流电抗器值的确定方法,其特征在于,步骤包括:
1)建立两个并联的功率模块之间连接均流电抗器并达到均流时的均流等效模型,由所述均流等效模型得到达到均流时均流电抗器值与两个所述功率模块之间输出电压差、环流大小的关系;
2)分别获取换流器中与待确定均流电抗器连接的两个目标功率模块的输出电压、输出电流,计算出输出电压差、环流大小后根据所述步骤1)得到的关系确定对应的均流电抗器值。
2.根据权利要求1所述的多功率模块并联的换流器中均流电抗器值的确定方法,其特征在于,所述步骤1)的具体步骤为:
1.1)由两个并联的功率模块、负载以及连接在两个所述功率模块之间的均流电抗器构成两条电流回路;忽略均流电抗器中绕组的漏抗,并计算达到均流时所述两条电流回路的电压计算等效方程,建立得到两个并联的功率模块之间连接均流电抗器并达到均流时的均流等效模型;
1.2)根据所述均流等效模型建立均流电抗器值与两个功率模块之间输出电压差、两个功率模块的输出电流的第一关系,以及建立两个功率模块之间输出电压差、环流大小以及相位角的第二关系;
1.3)由所述第一关系、第二关系得到均流电抗器值与两个所述功率模块之间输出电压差、环流大小的关系。
3.根据权利要求2所述的多功率模块并联的换流器中均流电抗器值的确定方法,其特征在于,所述步骤1.1)中两条电流回路的电压计算等效方程为:
u1+e2′-e1-u0=0
u2+e1′-e2-u0=0
其中,u1为第一个功率模块的输出电压,u2为第二个功率模块的输出电压,e1为均流电抗器中与第一个功率模块连接的第一绕组的感应电动势,e1’为第一绕组在第二绕组上的反向电动势,e2为均流电抗器中与第二个功率模块连接的第二绕组的感应电动势,e2’为第二绕组在第一绕组上的反向电动势,u0为负载上的电压值。
4.根据权利要求3所述的多功率模块并联的换流器中均流电抗器值的确定方法,其特征在于,所述步骤1.2)中第一关系建立的具体步骤为:
1.211)将所述两条电流回路的电压计算等效方程进行差值运算,得到如下式所示的两个功率模块之间输出电压差、与均流电抗器的两个绕组电压差之间的差值关系式;
u2-u1=2(e2-e1)
1.212)根据电磁感应关系得到均流电抗器中两个绕组的绕组感应电压关系式,所述绕组感应电压关系式为:
1.213)根据所述步骤1.211)得到的差值关系式、所述步骤1.212)得到的绕组电压关系式,计算得到均流电抗器值与两个功率模块之间输出电压差、两个功率模块的输出电流的第一关系,所述第一关系的表达式为:
其中,L为均流电抗器值,i1为第一个功率模块的输出电流,i2为第二个功率模块的输出电流。
5.根据权利要求4所述的多功率模块并联的换流器中均流电抗器值的确定方法,其特征在于,所述步骤1.2)中第二关系建立的具体步骤为:
1.221)建立两个功率模块的输出电压方程,所述输出电压方程为:
1.222)根据所述输出电压方程,计算得到两个功率模块之间输出电压差、环流大小以及相位角的第二关系,所述第二关系的表达式为:
其中,u1为第一个功率模块的输出电压,u2为第二个功率模块的输出电压,U1、U2分别为对应u1、u2的幅值,为两个功率模块输出电压的相位角,ω为两个功率模块输出电压的角速度,X为中间换算角度值。
6.根据权利要求1~5中任意一项所述的多功率模块并联的换流器中均流电抗器值的确定方法,其特征在于,所述步骤1)中均流电抗器值与两个所述功率模块的输出电压、输出电流之间的关系表达式为:
其中,u1为第一个功率模块的输出电压,u2为第二个功率模块的输出电压,U1、U2分别为对应u1、u2的幅值,I1为第一个功率模块的输出电流i1的有效值,I2为第二个功率模块的输出电流i2的有效值,I2-I1为环流大小,ω为两个功率模块输出电压的角速度,为两个功率模块输出电压的相位角。
7.根据权利要求6所述的多功率模块并联的换流器中均流电抗器值的确定方法,其特征在于,所述步骤2)的具体步骤为:
2.1)分别获取换流器中与待确定均流电抗器连接的两个目标功率模块的输出电压、输出电压的相位角以及均流系数;
2.2)计算两个目标功率模块之间输出电压差,并根据所述均流系数按照下式计算两个目标功率模块的输出电流,得到两个目标功率模块之间环流大小;
其中,I1为第一个功率模块的输出电流i1的有效值,I2为第二个功率模块的输出电流i2的有效值,a为均流系数;
2.3)将获取的输出电压的相位角以及计算得到的输出电压差、环流大小,根据步骤1)得到的均流电抗器值与两个所述功率模块之间输出电压差、环流大小的关系,计算得到所需均流电抗器值。
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