CN105553315B - 一种级联型变流器载波频率优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种级联型变流器载波频率优化方法。包括如下步骤：检测H桥级联型变流器级联链的输出电流，提取出电流谐波分量；针对每一个提取出的电流谐波分量得出单元直流电压最大波动幅值随载波频率偏移量的变化曲线；线性叠加各个电流谐波分量得到的曲线，得出综合单元直流电压最大波动幅值随载波频率偏移量的变化曲线；在直流电压最大波动取最小值时，取对应的载波频率偏移量Δfc为最优载波频率偏移量；将最优载波频率偏移量和设计载波频率相加，得到优化后实际载波频率fc+Δfc。本发明减弱了变流器级联链单元输出电压开关谐波和级联链输出电流的有功耦合，解决了变流器输出高次谐波电流时可能引起的源性能量不均问题。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子设备技术领域，尤其涉及一种级联型变流器载波频率优化方法。
背景技术
H桥级联型变流器是中高压大功率电力电子装置的主要拓扑之一，典型应用有：中高压静止无功发生器(Static Var Generator,SVG)，有源电力滤波器(Active powerfilter,APF)以及变频器(Variable-frequency Drive,VFD)等。载波移相调制是H桥级联型变流器使用最广泛的调制方式。由于H桥级联型变流器各个单元的直流侧电气独立，直流电压(直压)不均衡问题是H桥级联型变流器的应用和研究过程中普遍存在也亟待解决的问题。
针对直压不均衡问题，目前主要的解决方法是独立调整各单元调制波，实现对直压不平衡的补偿。这种均压控制方法将任何原因的直压不平衡问题都统一对待，并用基波有功功率来补偿，会导致各单元调制波的差异，使得输出谐波特性变差。而且当基波电流输出减小时，上述均压方法的均压能力减弱甚至消失，从而引起直流侧电压发散，导致设备保护动作。
在载波移相调制下，级联链中的各个H桥单元输出的开关谐波相角不同，使得总输出等效开关频率提高，但单个单元输出电压中仍含有很大的低频开关谐波分量。当电网中存在开关谐波频率附近的背景谐波或者级联链需要输出开关谐波频段的谐波时，级联链中就会有对应频率的电流。此时，各个单元上将产生开关谐波频段的电压电流耦合，形成不等的有功功率吞吐。这将导致单元直流侧能量的持续积累或者流失，各单元直流侧电压成发散趋势，影响输出效果和设备安全，此现象称为源性谐波能量不均问题。对于上述源性谐波能量不均问题，国内外均缺乏相应的研究，没有针对性的解决方法。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题，提供了一种级联型变流器载波频率优化方法。在不调节调制波的情况下，让级联链中各单元开关谐波频谱与系统背景谐波频率或级联链发出的谐波电流频率错开，从源头解决级联型变流器中的源性谐波能量不均问题。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种级联型变流器载波频率优化方法，其特征在于，所述级联型变流器由多个单元级联得到，每一个单元由基本的H桥逆变电路组成。H桥逆变电路由四个全控型电力电子开关器件组成，并定义每一个单元直流侧电压为Udc，调制比为M，变流器的设计载波频率为fc，优化后实际载波频率为载波偏移频率为Δfc，单元直流电压波动最大幅值为ΔUdcmax，ΔUdcmax＝Udcmax-Udcmin，Udcmax是单元直流电容电压的最大值，Udcmin是单元直流电容电压的最小值，ih为级联链需要输出电流ih＝Ihcos(ωht+θh)。
具体方法是：
步骤1，选取设计载波频率为fc，载波频率的偏移量为Δfc，检测级联链的输出电流，提取其中在频段(2fc-200Hz,2fc+200Hz)的电流谐波分量Ih1,Ih2,Ih3…；
步骤2，针对步骤1中提取的各个谐波电流分量Ih1,Ih2,Ih3…，分别按照下式计算各个谐波分量下的曲线。曲线中Δfc的范围限制在(-50Hz,50Hz)之间。
其中，Ih为级联链需要输出电流的幅值，C为直流侧电容量，Jk是k阶第一类Bessel函数；Δfc是载波偏移频率，fs是调制波频率，fh是级联链需要输出电流频率，k取值满足|fh-(2fc+kfs)|≤50Hz，k＝±1,±3,±5…。当同时有多个取值k满足条件时，取绝对值最小的一个。
步骤3，将步骤2中每一个级联链输出电流提取谐波量的公式相叠加，得出综合ΔUdcmax-Δfc优化曲线。
步骤4，取综合ΔUdcmax-Δfc优化曲线中最小ΔUdcmax对应的Δfc值作为最优频率偏移量，并在所有单元的设计载波频率fc基础上加入偏移量Δfc，从而得到优化后实际载波频率将所有单元的载波频率更新为综合ΔUdcmax-Δfc优化曲线中非最优偏移频率同样具有减弱单元输出电压开关谐波和级联链输出电流有功耦合的效果。
步骤5，每隔一段时间间隔回到步骤1进行重新检测。考虑系统背景谐波及变流器补偿指令在步骤1所检测频段频谱缓慢连续变化，时间间隔可为数秒甚至数分钟。不回到步骤1重新检测，选取一个固定的偏移载波频率同样具有减弱单元输出电压开关谐波和级联链输出电流有功耦合的效果。
步骤1中，级联链输出电流谐波理想提取范围为全频段，但在工程上无法实现。考虑单个单元输出电压开关谐波的分布规律，将提取频段选取为(2fc-200Hz,2fc+200Hz)。增大或缩小提取范围会影响步骤3中综合ΔUdcmax-Δfc曲线精度，但仍然可以优化载波频率，实现单元输出电压开关谐波和级联链输出电流的有功耦合。
附图说明
图1为本发明涉及的级联型变流器的电路拓扑图。
图2(a)为载波频率优化前单元输出电压第一个开关谐波簇频谱图。
图2(b)为偏移量Δfc＝10Hz时单元输出电压第一个开关谐波簇频谱图。
图2(c)为偏移量Δfc＝-20Hz时单元输出电压第一个开关谐波簇频谱图。
图3为单元直流电压最大波动幅值随载波频率偏移量变化曲线。
图4载波频率优化实现原理图。
图5为采用载波频率优化之前的直流侧电压和电流图。
图6为采用载波频率优化之后的直流侧电压和电流图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
一，如图1所示，级联型变流器采用如图所示结构。级联链由多个单元级联得到，每一个单元由基本的H桥逆变电路组成。H桥逆变电路由虚线框内的1、2、3、4四个全控型电力电子开关器件组成。1、2称为左桥臂，3、4称右桥臂。同一桥臂中上下两个开关器件的PWM触发信号完全互补，左右桥臂的载波互差180度相角。其中Udci(i＝1,2…n)为第i个单元的直流侧电压，电感L是为每一个单元的联络电抗，每一个单元首尾相连，UNO为级联以后的总输出，i为级联以后变流器的总输出电流。载波互差(180゜/N)角度可以理解为，所有的单元共用同一个调制波，相邻的两个单元中后一个单元的左桥臂载波相位始终超前(滞后)前一个单元的左桥臂载波(180゜/N)相位。本发明中同时调高(调低)载波的原有频率，并不妨碍载波移相的实施。此时，单元输出电压第一个开关频率谐波簇的边频电压分布情况如图2(a)所示，其中开关频率为1200Hz，边频谐波相差100Hz，图2(b)和图2(c)分别为Δfc＝10Hz和Δfc＝-20Hz时，单元输出电压第一个开关频率谐波簇的边频电压分布情况，可见偏移载波频率的方法可以有效的解除谐波电流和开关谐波电压的有功功率耦合。
二，以级联五个单元的变流器为例，每一个单元直流侧电压为Udc＝1000V，调制比为M＝0.75，电容C＝4500μF，设计载波频率为fc＝600Hz，调制波频率fs＝50Hz，在单极倍频调制方式下的单元输出PWM的开关频率为1200Hz，级联链输出电流检测频段为(1000Hz,1400Hz)Ih为级联链需要输出电流峰值Ih＝10A，频率为fh＝1150Hz。
三，提取级联链输出电流在(1000Hz,1400Hz)频段中的谐波成分，得出每一个谐波成分下的曲线。以提取的1150Hz成分分量为例，k取值满足|1150-(2×600+k×50)|≤50Hz，k值取绝对值最小的一个则k＝-1。图3为1150Hz谐波频率下的曲线。可以得出级联链输出电流中提取出的每一个谐波电流Ih1,Ih2,Ih3…所对应的曲线。
四，将每一个谐波电流Ih1,Ih2,Ih3…所对应的曲线线性叠加，得到综合ΔUdcmax-Δfc优化曲线。实现流程图如图4所示，取综合ΔUdcmax-Δfc优化曲线中最小ΔUdcmax对应的载波偏移量Δfc＝30Hz值作为最优频率偏移量，优化后实际载波频率
五，将实施例在PSCAD仿真平台中搭建仿真模型，采用载波频率优化前后的直流侧电压波形分别如图5和图6所示。如图5所示，采用设计载波频率fc＝600Hz,加入23次(1150Hz)补偿电流，直流侧电压由于谐波能量不均衡问题导致发散。而在图6中，采用优化后实际载波频率可以看出载波频率优化方案对于直流侧电压的均衡作用明显，单元直压波动小，不再发散。图5和图6中，Udc1、Udc2、Udc3、Udc4、Udc5分别为五个单元的直流侧电压，I为级联链输出电流。
本发明通过调整单元载波频率的取值，减弱了变流器单元输出电压开关谐波和级联链输出电流的有功耦合，解决了变流器输出高次谐波电流时可能引起的源性能量不均问题。同时此方法方便实现，不会影响到载波移相的正常施行。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (4)
1.一种级联型变流器载波频率优化方法，其特征在于，所述级联型变流器由多个单元级联得到；通过选取最优载波频率偏移量，得到优化后实际载波频率，避免了变流器输出电压谐波和电网背景谐波或者变流器输出电流的有功耦合，从而达到均衡直流侧电压的效果；
具体步骤是：
步骤1，选取设计载波频率为fc，载波频率的偏移量为Δfc，检测级联链的输出电流，提取其中在频段(2fc-200Hz,2fc+200Hz)的电流谐波分量Ih1,Ih2,Ih3…；
步骤2，针对步骤1中的电流谐波分量Ih1,Ih2,Ih3…，得到每一个谐波分量下单元直流电压最大波动幅值随载波频率偏移量的变化曲线(曲线)；曲线中Δfc的范围限制在(-50Hz,50Hz)之间；单元直流电压波动最大幅值为ΔUdcmax，ΔUdcmax＝Udcmax-Udcmin，Udcmax是单元直流电容电压的最大值，Udcmin是单元直流电容电压的最小值，ih为级联链需要输出电流ih＝Ihcos(ωht+θh)；
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其中，Ih为级联链需要输出电流的幅值，C为直流侧电容量，Jk是k阶第一类Bessel函数；Δfc是载波偏移频率，fs是调制波频率，fh是级联链需要输出电流频率，k取值满足|fh-(2fc+kfs)|≤50Hz，k＝±1,±3,±5…，当同时有多个取值k满足条件时，取绝对值最小的一个；
步骤3，将步骤2中得到的每一个谐波分量下的曲线，进行线性叠加得到综合ΔUdcmax-Δfc曲线；
步骤4，取综合ΔUdcmax-Δfc优化曲线中最小ΔUdcmax对应的Δfc值作为最优频率偏移量，并在所有单元的设计载波频率fc基础上加入偏移量Δfc，从而得到优化后实际载波频率将所有单元的载波频率更新为
步骤5，每隔一段时间间隔回到步骤1进行重新检测；考虑系统背景谐波及变流器补偿指令在步骤1所检测频段频谱缓慢连续变化，时间间隔为数秒甚至数分钟。
2.根据权利要求1所述的一种级联型变流器载波频率优化方法，其特征在于，所述变流器的应用包括：中高压静止无功发生器，有源电力滤波器(APF)以及变频器(VFD)，以及其它采用载波移相调制的H桥级联型拓扑应用。
3.根据权利要求1所述的一种级联型变流器载波频率优化方法，其特征在于，步骤1中所述的级联链输出电流谐波提取范围不限于(2fc-200Hz,2fc+200Hz)，能够增大或缩小范围。
4.根据权利要求1所述的一种级联型变流器载波频率优化方法，其特征在于，通过优化载波频率实现单元输出电压开关谐波和级联链输出电流有功解耦，载波频率的偏移量Δfc不限于权利要求1中的最优选取方法获得的偏移量，还包括通过步骤1,2,3获得的非最优偏移量；而且包括，不通过动态算法更新载波频率偏移量，仅选取一个固定的载波偏移量。
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