CN105577011B - 一种三电平逆变器的直流电容容量获取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三电平逆变器的直流电容容量获取方法，首先根据三电平逆变器的设计要求得到三电平逆变器直流侧和交流侧电压范围；再通过计算得到调制比的范围；然后根据功率因数角的范围，计算出一个基波周期内直流侧电容的电流纹波因数的最大值；之后结合交流相电流的有效值计算得出目标电容最大电流纹波，求其与额定电流纹波的比值得到需要并联的电容数量。

Description

一种三电平逆变器的直流电容容量获取方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，更为具体地讲，涉及一种三电平逆变器的直流电容容量获取方法。
背景技术
三相电压型PWM变流器因具有功率因数高，动态响应好，且能量能双向流动等优点，被广泛应用于并网发电、电机驱动和蓄电池充放电控制等领域。按照开关管的组合方式，主要可分为两类：T型三电平三相电压型变流器及1型三电平三相电压型变流器，它们的主电路分别如图1、图2所示。同传统的两电平变流器相比较，三电平变流器在大功率的应用场景中优势十分明显：(1)开关器件上承受的电压只有直流侧电压的一半，使得三电平变流器的额定功率比两电平的要高出一倍；(2)输出侧的电压谐波含量更低，使得三电平变流器的滤波器的体积、造价、重量等相对两电平来说，要小得多。所以，近年来三电平变流器得到了的广泛关注，应用前景相当广。
研究学者们对三电平变流器进行了广泛的研究，包括控制环路设计，中性点平衡，PWM调制算法的设计，三电平变流器的滤波器参数优化设计等等。其中对于三电平变流器的主电路参数的设计的研究，主要是针对变流器的交流侧的滤波器参数，同时对变流器直流侧的电容参数的设计有一些基本的方法，但是并没有形成一套较为完备的算法。直流侧电容能缓冲交流侧与直流负载直接的能量交换，稳定直流侧电压；还能抑制直流侧谐波电压。所以三电平变流器的直流侧电容的参数设计也是很重要的。
变流器直流侧电容的寿命通常是影响功率模件寿命的主要因素，其选择的关键参数是其纹波耐受能力。三电平变流器在不同工况下直流电流纹波的大小是选择电容类型、材质和串并联个数的重要依据，因此，三电平变流器的直流侧电容的电流纹波和容量的定量计算显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种三电平逆变器的直流电容容量获取方法，可以快速确出三电平变流器中直流电容的类型、材质和容量。
为实现上述发明目的，本发明三电平逆变器的直流电容容量获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、确定三电平逆变器的调制比M的范围；
(1.1)、根据实际情况确定三电平逆变器的直流侧和交流侧的电压范围；
(1.2)、根据直流侧和交流侧的电压范围计算出调制比M的范围；
其中，Um为交流侧电相电压的幅值，Udc为直流侧母线电压；
(2)、确定直流电容纹波因数K的最大值；
(2.1)、根据实际情况确定功率因素角
(2.2)、结合步骤(1.2)中的调制比M的范围，根据以下公式计算直流电容纹波因数K的最大值
其中，Ip-ave表示直流侧电流平均值，Ip-rms表示直流侧电流有效值，Irms表示交流侧相电流有效值，A、B为常系数；
(3)、确定直流电流纹波ic-rms
(3.1)、根据实际情况确定交流相电流irms的有效值；
(3.2)、结合步骤(2.2)中的直流电容纹波因数K的最大值，根据以下公式计算出直流电流纹波ic-rms；
ic-rms＝Kirms
(4)、根据电容的参数手册，确定直流电容在指定开关频率处的最大电流纹波icr；
(5)、根据步骤(3.2)中的直流电流纹波ic-rms以及步骤(4)中的直流电容最大电流纹波icr，确定出正母线上并联电容数目N，其公式如下：
若N不是整数，则向正无穷取整，再根据正母线和负母线电容的对称性，从而得到直流电容的数目；
(6)、结合步骤(5)中直流电容数目，根据并联电容容量计算方法，可以获取到直流电容的容量。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种三电平逆变器的直流电容容量获取方法，首先根据三电平逆变器的设计要求得到三电平逆变器直流侧和交流侧电压范围；再通过计算得到调制比的范围；然后根据功率因数角的范围，计算出一个基波周期内直流侧电容的电流纹波因数的最大值；之后结合交流相电流的有效值计算得出目标电容最大电流纹波，求其与额定电流纹波的比值得到需要并联的电容数量。
同时，本发明一种三电平逆变器的直流电容容量获取方法还具有以下有益效果：
(1)、首次给出了关于三电平逆变器直流电容容量的定量计算公式；
(2)、使用三电平逆变器直流电容容量的定量计算公式可以方便快捷的进行逆变器的设计和建模。
附图说明
图1是T型三电平三相电压型变流器主电路图；
图2是1型三电平三相电压型变流器主电路图；
图3是本发明三电平逆变器的直流电容容量获取方法流程图；
图4是K在调制比M和功率因素角联合变化时的趋势图；
图5是K在调制比M和功率因素角独立变化时的趋势图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图3是本发明三电平逆变器的直流电容容量获取方法流程图。
在本实施例中，如图3所示，本发明一种三电平逆变器的直流电容容量获取方法，主要包括以下五个步骤：
T1、确定三电平逆变器的调制比M的范围；
T2、确定直流电容纹波因数K的最大值；
T3、确定直流电流纹波ic-rms；
T4、根据目标电容的参数手册，确定出直流电容在指定开关频率处的最大纹波电流；
T5、确定并联电容的数目及容量；
下面分别对上述五个步骤作详细说明：
T1、确定三电平逆变器的调制比M的范围
T1.1)、确定三电平逆变器的直流侧和交流侧的电压范围；
本实施例中使用的三电平逆变器的直流侧和交流侧的电压范围分别Udc∈[600V,800V]，Ux(x＝a,b,c):220V±10％。
T1.2)、根据直流侧和交流侧的电压范围计算出调制比M的范围；
其中，Um为交流侧电相电压的幅值，Udc为直流侧母线电压；通过公式计算出调制比M的范围是[0.6,0.98]。
T2、确定直流电容纹波因数K的最大值
T2.1)、在本实施例中，取功率因素角的余弦值
T2.2)、结合T1.2)中的调制比M的范围，计算直流电容纹波因数K的最大值
其中，Ip-ave表示直流侧电流平均值，Ip-rms表示直流侧电流有效值，Irms表示交流侧相电流有效值，A、B为常系数，可以通过下表查得：
根据上式可以绘制出直流电容纹波因数K在不同的调制比M和功率因素角的情况下的变化趋势，如图4、图5所示。
在本实施例中，结合T1.2)中的调制比M的范围[0.6,0.98]，可以计算直流电容纹波因数K的最大值为0.644。
T3、确定直流电流纹波ic-rms
T3.1)、在本实施例中，取交流相电流irms的有效值为20A；
T3.2)、结合步骤T2.2)中的直流电容纹波因数K的最大值，计算出直流电流纹波ic-rms＝Kirms＝12.88A。
T4、选取450V/470uF的EPCOS铝电解电容器为目标电容。从参数表中可知，在温度85℃频率为120Hz时，该电容的额定纹波电流为1.99A；在开关频率为10kHz时，其额定纹波电流系数为1.5。因此可以计算出在该开关频率下的最大纹波电流icr＝1.99×1.5＝2.985A。
T5、根据T3、T4中的计算结果可计算出正母线并联电容的数目N＝ic-rms/icr＝12.88/2.985＝4.31。由于N＝4.31不是整数，则向正无穷取整，因此，可以得到正母线电容需要由五个电容组成，由于正母线电容和负母线电容是对称分布的，因此，一共需要10个直流电容。
T6、根据并联电容容量计算方法，可以计算出步骤T5中得到的直流电容的容量。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种三电平逆变器的直流电容容量获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、确定三电平逆变器的调制比M的范围；
(1.1)、根据实际情况确定三电平逆变器的直流侧和交流侧的电压范围；
(1.2)、根据直流侧和交流侧的电压范围计算出调制比M的范围；
其中，Um为交流侧电相电压的幅值，Udc为直流侧母线电压；
(2)、确定直流电容纹波因数的最大值K；
(2.1)、根据实际情况确定功率因素角
(2.2)、结合步骤(1.2)中的调制比M的范围，根据以下公式计算直流电容纹波因数的最大值K
其中，Ip-ave表示直流侧电流平均值，Ip-rms表示直流侧电流有效值，Irms表示交流侧相电流有效值，A0～A3、B0～B2 均为常系数；
(3)、确定直流电流纹波ic-rms
(3.1)、根据实际情况确定交流相电流irms的有效值；
(3.2)、结合步骤(2.2)中的直流电容纹波因数的最大值K，根据以下公式计算出直流电流纹波ic-rms；
ic-rms＝Kirms
(4)、根据电容的参数手册，确定直流电容在指定开关频率处的最大电流纹波icr；
(5)、根据步骤(3.2)中的直流电流纹波ic-rms以及步骤(4)中的直流电容最大电流纹波icr，确定出正母线上并联电容数目N，其公式如下：
若N不是整数，则向正无穷取整，再根据正母线和负母线电容的对称性，从而得到直流电容的数目；
(6)、结合步骤(5)中直流电容数目，根据并联电容容量计算方法，可以获取到直流电容的容量。
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