CN105743376B - 针对三电平逆变器中点电位波动的直流电容容量确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对三电平逆变器中点电位波动的直流电容容量确定方法，首先确定PWM调制算法的三相调制波和三电平逆变器的三相输出相电流，然后计算得到一个PWM三相调制波周期内直流电容中点电荷变化量的峰峰值，根据实际直流侧电容中点电位波动允许的最大峰峰值计算得到直流侧电容的最小容量。本发明从PWM调制算法本身出发，分析其对电容中点电位波动的影响程度，根据实际直流侧电容中点电位波动允许的最大峰峰值快速计算得到直流侧电容的最小容量，使得三电平逆变器的输出电平能够满足实际应用的需要，进而获得稳定的三相输出电压电流波形。
Description
技术领域
本发明属于多电平逆变器技术领域，更为具体地讲，涉及一种针对三电平逆变器中点电位波动的直流电容容量确定方法。
背景技术
图1是钳位型三电平三相电压型变流器主电路图。中点电位波动是指钳位型三电平逆变器直流侧两个直流电容中点(图1中o点)的电位波动，当直流电容容量越小，则中点电位波动的幅值越大，其会直接影响到逆变器是否可以稳定输出所需要的波形。目前，电容中点电位波动的相关文献主要是从中点电位不平衡控制的角度出发提出不同的调制算法，而其电容容量的确定一般都是通过仿真试凑的方法来获得，其缺点是效率低且难以在满足实际应用需求的条件下使电容的容量最小，进而降低电容的成本和减小电容的体积。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种针对三电平逆变器中点电位波动的直流电容容量确定方法，在使中点电位波动大小在满足实际应用要求的同时令直流电容具有最小的容量。
为实现上述发明目的，本发明针对三电平逆变器中点电位波动的直流电容容量确定方法包括以下步骤：
S1：根据三电平逆变器的调制比M、直流侧母线电压Udc和功率因数角计算得到PWM三相调制波uma、umb、umc；
S2：根据三电平逆变器的三相输出相电流的峰值Im，计算三相输出相电流ia、ib和ic，计算公式为：
其中，Tm表示PWM三相调制波的周期；
S3：计算出PWM调制波周期Tm各个时刻t的电容中点电荷累积量Qo(t)：
其中，TS表示开关周期；
求得电容中点电荷累积量的峰峰值Qo-pk＝max(Qo(t))-min(Qo(t))；
S4：计算得到直流侧电容最小容量C：
其中，k为实际应用中电容容量的裕度，Uo-pk表示直流侧电容中点电位波动允许的最大峰峰值。
本发明针对三电平逆变器中点电位波动的直流电容容量确定方法，首先确定PWM调制算法的三相调制波和三电平逆变器的三相输出相电流，然后计算得到一个PWM三相调制波周期内直流电容中点电荷变化量的峰峰值，根据实际直流侧电容中点电位波动允许的最大峰峰值计算得到直流侧电容的最小容量。
本发明从PWM调制算法本身出发分析其对电容中点电位波动的影响程度，进而提供一种能够快速准确地获得直流电容容量的计算方法，能够根据实际直流侧电容中点电位波动允许的最大峰峰值快速计算得到直流侧电容的最小容量，使得三电平逆变器的输出电平能够满足实际应用的需要，进而获得稳定的三相输出电压电流波形。
附图说明
图1是钳位型三电平三相电压型变流器主电路图；
图2是本发明针对三电平逆变器中点电位波动的直流电容容量确定方法的流程图；
图3是三相调制波、三相输出相电流与电容中点电流的关系图；
图4是SVPWM三相调制波电容中点电荷累积量在调制波周期内变化曲线；
图5是电容中点电荷累积量的峰峰值随调制比和功率因素角的变化趋势图；
图6是本实施例中A相输出相电流和电容中点电位的波形图。
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2是本发明针对三电平逆变器中点电位波动的直流电容容量确定方法的流程图。如图2所示，本发明针对三电平逆变器中点电位波动的直流电容容量确定方法包括以下步骤：
S201：计算PWM三相调制波参数：
根据三电平逆变器的调制比M、直流侧母线电压Udc和功率因数角计算得到PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)三相调制波uma、umb、umc；
PWM三相调制波是目前三电平逆变器中常用的开发管驱动信号。对于不同的PWM三相调制波，其uma、umb、umc的计算有所不同。本实施例中采用SVPWM(space vector PWM，空间矢量PWM)三相调制波，其三相调制波uma、umb、umc的计算方法为：
1)计算三电平逆变器三相电压的ua、ub和uc：
其中，ω为SVPWM三相调制波的角速度，Tm为SVPWM三相调制波的周期；
2)计算三电平逆变器SVPWM三相调制波的三次谐波分量uz1和uz2：
uz1＝-0.5×max(ua,ub,uc)-0.5×min(ua,ub,uc)
其中，mod为求余运算符，表示注入uz1后的三相电压，x＝a,b,c。
3)计算SVPWM三相调制波uma、umb和umc：
umx＝ux+uz1+uz2
S202：计算三相输出相电流：
根据三电平逆变器的三相输出相电流的峰值Im，计算三相输出相电流ia、ib和ic，计算公式为：
其中，Tm表示PWM三相调制波的周期。
S203：计算电容中点电荷变化量：
从三电平三角载波调制的原理可知，其PWM三相调制波与三角载波比较产生不同的开关状态，而不同的开关状态对中点电位有不同的影响。定义ut+为正三角载波，其幅值最大值为Udc/2，最小值为0；ut-为负三角载波，其幅值最大值为0，最小值为-Udc/2；iO为电容中点电流。
图3是三相调制波、三相输出相电流与电容中点电流的关系图。如图3所示，在umx＞0情况下，当umx≥ut+时，电容中点电流iO等于0；当umx＜ut+时，电容中点电流iO等于相电流ix，其作用时间为Ts-Tx，其中Ts表示开关周期(即三角载波周期)，Tx等于(2×umx×Ts)/Udc。在umx＜0情况下，当umx≥ut-时，电容中点电流iO等于0；当umx＞ut-时，电容中点电流iO等于相电流ix，作用时间为Tx，其中Tx等于(1+2×umx×Ts)/Udc。
根据上述分析，可得在PWM三相调制波共同作用下一个开关周期Ts内直流电容中点电荷的变化量ΔQo的计算公式为：
其中，||uma||、||umb||、||umc||分别表示uma、umb、umc的绝对值。
假设0时刻电容中点电荷的累积量为0，那么根据可进一步得到任意时间t时刻电容中点电荷的累积量Qo(t)如下式所示：
根据上式可得Qo(t)在不同调制比和功率因素角下一个PWM调制波周期Tm内的变化曲线。图4是SVPWM三相调制波电容中点电荷累积量在调制波周期内变化曲线。其中，设置三相输出相电流的峰值Im为1A。如图4所示，电容中点电荷累积量Qo(t)在不同调制比和功率因素角下都是以Tm/3为周期的周期函数，并且在调制比和功率因素角为恒定值时具有恒定的最大值和最小值。那么先计算出PWM调制波周期Tm各个时刻的电容中点电荷累积量Qo(t)，即令t∈[0,Tm]，进一步定义Qo-pk为电容中点电荷累积量的峰峰值，其表达式为。
Qo-pk＝max(Qo(t))-min(Qo(t))
其中，max和min分别为求最大值运算符和最小值运算符。
图5是电容中点电荷累积量的峰峰值随调制比和功率因素角的变化趋势图。其中Udc为100V和Im为1A。如图5所示，当M一定时，Qo-pk的值是关于轴对称的；当M较大时，越接近90°则Qo-pk越大，并在M＝1和处取得最大值；当M较小时，越接近45°或-45°则Qo-pk越小。
在实际应用中，一般是设置时间t的步长，在t∈[0,Tm]内得到若干个电容中点电荷累积量Qo(t)，然后求取最大值和最小值。
S204：计算直流侧电容容量：
在步骤S203得到电容中点电荷累积量的峰峰值Qo-pk的情况下，即可根据以下公式计算得到直流侧电容最小容量C：
其中，C表示正直流母线电容C1的容量和负直流母线电容C2的最小容量，也就是说，两个直流母线电容的容量不能低于该最小容量，当然一般为了节约，其实际电容容量选择最接近最小容量的值。k为实际应用中电容容量的裕度，其取值范围一般为1.1≤k≤1.3。Uo-pk表示直流侧电容中点电位uo波动允许的最大峰峰值，该参数是根据实际需要进行设置的。
为了说明本发明的技术效果，采用一个具体实施例对本发明进行实验验证。设置调制比M＝0.8，直流侧母线电压Udc＝100V，功率因数角三相输出相电流的峰值Im＝3.9A。采用本发明根据以上参数可以计算得到三相调制波周期内直流电容中点电荷变化量的峰峰值Qo-pk等于8.19×10-3A·s。设置直流侧电容中点电位波动允许的最大峰峰值Uo-pk为120mV，且电容容量裕度k取值为1.2，那么计算得到直流侧电容最小容量C为4.08mF。
采用上述直流侧电容容量的计算结果C，对逆变器电容中点电位的最大峰峰Uo-pk是否满足所设置的120mV范围以内进行实验验证。其中，实验中选取5个450V/820uF的EPCOS铝电解电容器并联构成正直流母线电容C1，同样选取5个450V/820uF的EPCOS铝电解电容器并联构成负直流母线电容C2。图6是本实施例中A相输出相电流和电容中点电位的波形图。如图6所示，电容中点电位的峰峰值为118mV，满足给定的要求。可见，本发明针对三电平逆变器中点电位波动的直流电容容量确定方法对直流电容最小容量的确定是有效的，可以通过本发明所计算出的直流电容容量来保证电容中点电位峰峰值在预设范围以内，从而能够通过直流电容的设置来控制电容中点电位波动，对于三电平逆变器的设计和选型具有重要的指导意义。
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 (3)
1.一种针对三电平逆变器中点电位波动的直流电容容量确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据三电平逆变器的调制比M、直流侧母线电压Udc和功率因数角计算得到PWM三相调制波uma、umb、umc；
S2：根据三电平逆变器的三相输出相电流的峰值Im，计算三相输出相电流ia、ib和ic，计算公式为：
其中，Tm表示PWM三相调制波的周期；
S3：计算出PWM调制波周期Tm各个时刻t的电容中点电荷累积量Qo(t)：
其中，TS表示开关周期；
求得电容中点电荷累积量的峰峰值Qo-pk＝max(Qo(t))-min(Qo(t))；
S4：计算得到直流侧电容最小容量C：
其中，k为实际应用中电容容量的裕度，Uo-pk表示直流侧电容中点电位波动允许的最大峰峰值。
2.根据权利要求1所述的直流电容容量确定方法，其特征在于，所述PWM三相调制波采用SVPWM三相调制波，其uma、umb、umc的计算方法为：
计算三电平逆变器三相电压的ua、ub和uc：
其中，ω为SVPWM三相调制波的角速度，Tm为SVPWM三相调制波的周期；
计算三电平逆变器SVPWM三相调制波的三次谐波分量uz1和uz2：
uz1＝-0.5×max(ua,ub,uc)-0.5×min(ua,ub,uc)
其中，mod为求余运算符，表示注入uz1后的三相电压，x＝a,b,c；
计算SVPWM三相调制波uma、umb和umc：
umx＝ux+uz1+uz2。
3.根据权利要求1所述的直流电容容量确定方法，其特征在于，所述步骤S4 中裕度k的取值范围为1.1≤k≤1.3。
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