CN106160421B - 电流源型变流器直流电感的新型设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电流源型变流器直流电感的新型设计方法，其包括以下步骤：步骤一：计算系统各项参数，包括变流器交流电压幅值Vtm，变流器交流A相电压初相位γ，调制比m，参考电流角位移初始值θ0；步骤二：根据伏秒平衡原理，计算伏秒常数的最大值；步骤三：考虑不同调制方式对于纹波的影响，找出可能的最大伏秒常数，取其中的最大值为C；步骤四：计算直流电感。本发明综合考虑了各种因素的影响，设计结果非常精确；与传统设计方法相比，在相同的直流电流纹波设计要求下，能够大幅度减小直流电感的设计值，从而大幅减小直流电感的成本和体积。

Description

电流源型变流器直流电感的新型设计方法
技术领域
本发明涉及一种变流器参数设计，具体地，涉及一种电流源型变流器直流电感的新型设计方法。
背景技术
电流源型变流器是一种采用逆阻型开关器件、以直流电感作为直流储能元件的PWM变流器，它具有天然的短路保护能力和较高的可靠性，在风力发电、电机驱动等领域具有广泛的应用。随着新型逆阻型开关器件RB-IGBT的研发和使用，电流源型变流器的开关频率可以大幅提高，从而改善了它的动态性能，减小了它的体积和成本，其应用前景也将更加广阔。在此情况下，研究电流源型变流器直流电感的设计方法十分必要。
电流源型变流器的直流电感主要有两个功能：一是保持直流电流恒定，二是实现直流侧和交流侧的能量转换。直流电感的最小值应当使直流电流的最大纹波满足设计要求，然而太大的直流电感会导致高昂的成本以及糟糕的动态响应速度。传统的电流源型变流器直流电感的设计方法是比较粗略的，虽然也是从最大纹波着手进行设计的，但是它们没有细致地分析单个采样周期内直流电流纹波的变化情况，也没有考虑系统参数和调制方式对直流纹波的影响，导致其最后的设计结果偏大，这对于整个系统的成本、体积和动态性能都是不利的。因此，需要根据直流电流纹波进行细致的分析，综合考虑各种影响因素，采用一种精确的设计方法对电流源型变流器的直流电感进行设计。
由于电流源型优良的短路保护能力、较好的可靠性等特性，以及新型逆阻型开关器件的研发和应用，电流源型变流器在风力发电、电机驱动等领域将会得到越来越广泛的发展。电流源型变流器可以看成整流器和逆变器的组合，二者结构相似。电流源型逆变器的电路模型如图1所示。变流器交流电压可以表示为式(1)：
公式(1)中，Vtm是变流器电压的幅值，ω是电网角频率，γ是变流器A相电压初相位。
目前电流源型变流器的调制方法主要有载波调制、特定谐波消除、空间矢量调制等，其中空间矢量调制可实时控制，动态性能好，是目前最常用的调制技术之一。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电流源型变流器直流电感的新型设计方法，本发明针对电流源型变流器的直流电感设计，采用分析单个采样周期内的直流纹波的方法，并考虑了系统参数和调制方式对直流纹波的影响，在此基础上提出了一种电流源型变流器直流电感的精确设计方法，并给出了系统化的设计流程，这种设计方法：与传统设计方法相比，在相同的直流电流纹波设计要求下，能够大幅度减小直流电感的设计值，从而减小直流电感的成本和体积；综合考虑了各种因素的影响，设计结果非常精确。
根据本发明的一个方面，提供一种电流源型变流器直流电感的新型设计方法，其包括以下步骤：
步骤一：计算系统各项参数，包括变流器交流电压幅值Vtm，变流器交流A相电压初相位γ，调制比m，参考电流角位移初始值θ0；
步骤二：根据伏秒平衡原理，根据以下公式计算伏秒常数的最大值；
公式中，Ldc为直流电感，△I1、△I2、△I3分别是对应三个矢量作用时间的三种直流纹波电流，m是调制比，Ts是载波周期，Vtm是变流器电压的幅值，θ是参考电流的角位移，γ是变流器A相电压初相位，θ0是参考电流角位移初始值；
步骤三：考虑不同调制方式对于纹波的影响，找出可能的最大伏秒常数，取其中的最大值为C；
步骤四：根据以下公式计算直流电感：
优选地，所述电流源型变流器直流电感的新型设计方法采用空间矢量调制。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：与传统设计方法相比，在相同的直流电流纹波设计要求下，能够大幅度减小直流电感的设计值，从而减小直流电感的成本和体积；综合考虑了各种因素的影响，设计结果非常精确。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为电流源型逆变器的电路模型图。
图2a为本发明的空间矢量调制原理图。
图2b为本发明的空间矢量调制原理分图。
图3为本发明三段式0-1-2空间矢量调制直流纹波波形图。
图4为本发明不同调制方式与最大纹波的关系图。
图5为本发明电流源型交流器直流电感新型设计方法的流程图。
图6(a)、图6(b)、图6(c)为本发明直流电流纹波在三段式调制方式下的直流纹波仿真波形图，其中图6(a)表示0-1-2，图6(b)表示1-0-2，图6(c)表示2-0-1，图6(d)、图6(e)、图6(f)为本发明在五段式调制方式下的直流纹波仿真波形，图6(d)表示0-1-2-1-0，图6(e)表示0-2-1-2-0，图6(f)表示1-0-2-0-1。
图7为本发明三种直流电流纹波与角位移的关系图。
图8为本发明不同调制方式下最大纹波理论值与仿真结果的对比图。
图9为本发明设计方法与传统方法的对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明采用的调制方式即为空间矢量调制，其原理如下：可以将电流源型变流器的9种开关状态对应到9种电流矢量。任一Iref矢量可以通过两个相邻的非零矢量和一个零矢量线性组合而成。而这个Iref矢量，可以通过2s/3s变换，变换成对应的变流器三相基波电流。因此可以通过控制电流矢量的作用时间，可以控制相应的变流器基波电流，其原理如图2所示，矢量作用时间可以表示为式(2)：
公式(2)中，T1，T2，T0分别是空间矢量的作用时间，m是调制比，Ts是载波周期，θ是参考电流的角位移。又，Itm是变流器交流电流基波分量的幅值，Idc是直流电流。θ＝ωt+θ0，θ0是参考电流角位移的初始值。因此变流器交流电压可以表示为与θ有关的形式，如式(3)：
直流电流纹波是由于稳态时直流电感周期性充放电引起的，根据公式直流纹波电流的值与直流电感两端电压和充放电时间成正比，与直流电感成反比。直流电感两端电压为直流电动势减去变流器直流侧电压，变流器直流侧电压在三个矢量作用时间内分别对应三个值，如式(4)：
而直流电动势为变流器直流电压的平均值，如式(5)：
以三段式0-1-2调制方式为例，对应三个矢量作用时间的三种直流纹波电流可以表示为式(6)：
三段式0-1-2调制方式下的直流纹波波形如图3所示。
此外，调制方式对于直流电流的纹波也有影响。调制方式对于纹波的影响主要体现在两方面：一、扇区切换时可能会出现纹波叠加为原先的两倍。如三段式调制1-0-2，在扇区切换时会变成1-0-2-2-0-3，此时2矢量作用时间是原先的两倍，导致最大脉动变成原先的两倍；二、五段式(或更多段)的调制方式下，必然会出现至少有一段△I被割裂的情况，这个时候该时间段的纹波为原先的一半。如五段式调制1-0-2-0-1，其脉动顺序为ΔI2被割裂为原先的一半，因此最大脉动仅可能在ΔI1或ΔI0取得。不同调制方式对于直流电流纹波的影响见图4所示。
本发明电流源型变流器直流电感的新型设计方法包括以下步骤：
步骤一：计算系统各项参数，包括变流器交流电压幅值Vtm，变流器交流A相电压初相位γ，调制比m，参考电流角位移初始值θ0；
步骤二：根据伏秒平衡原理，根据以下公式(7)、(8)计算伏秒常数的最大值；
公式(7)、(8)中，Ldc为直流电感，△I1、△I2、△I3分别是对应三个矢量作用时间的三种直流纹波电流，m是调制比，Ts是载波周期，Vtm是变流器电压的幅值，θ是参考电流的角位移，γ是变流器A相电压初相位，θ0是参考电流角位移初始值；
步骤三：考虑不同调制方式对于纹波的影响，找出可能的最大伏秒常数，取其中的最大值为C；
步骤四：根据以下公式(9)计算直流电感。
如图1所示，采用额定功率400kW的电流源型变流器为例，接口电网电压为690V/50Hz，网侧单位功率因数运行。LC滤波器参数为：滤波电感1.6mH，滤波电容1.0mF。调制比0.37，开关器件采用RB-IGBT，载波频率3kHz。直流等效电动势150V，直流电流设定值850A，直流电感0.77mH。调制方式不限。仿真平台为Matlab/Simulink。
由所给系统参数计算出的三种电流纹波最大值如图7所示。由图7可知，ΔI1的最大纹波为60.38A，ΔI2和ΔI0的最大纹波为43.61A。根据图4可知，不同的调制方式对最大纹波会产生影响。图6即为不同类型的三段式、五段式在该系统条件下的直流纹波仿真波形，可以看出，仿真波形与之前的理论预测基本一致。图8则是不同调制方式下最大纹波理论结果与仿真结果的比较，由该图可知，新型设计方法的计算结果相当精确。图9是新型设计方法与传统设计方法的比较，可以看出，在同等纹波设计要求的情况下，新型方法能够大大减小直流电感的设计值，从而有效降低直流电感的成本和体积。文献【1】是张兴和张崇巍撰写的、机械工业出版社的、2012年的“PWM整流器及其控制〔M〕”书籍，文献【2】是国外的F.W.Fuchs and A.Kloenne,"DC link and dynamic performance features of PWM IGBTcurrent source converter induction machine drives with respect to industrialrequirements,"Power Electronics and Motion Control Conference,2004.IPEMC2004.The 4th International,Xi'an,2004,pp.1393-1398Vol.3。
综上所述，本发明与传统设计方法相比，在相同的直流电流纹波设计要求下，能够大幅度减小直流电感的设计值，从而减小直流电感的成本和体积；综合考虑了各种因素的影响，设计结果非常精确。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (2)

1.一种电流源型变流器直流电感的设计方法，其特征在于，所述电流源型变流器直流电感的设计方法包括以下步骤：
步骤一：计算系统各项参数，包括变流器交流电压幅值Vtm，变流器交流A相电压初相位γ，调制比m，参考电流角位移初始值θ0；参考电流是指两相静止坐标系下电流矢量的控制目标值，该电流是一个幅值恒定、旋转速度等于交流电流角频率的矢量，是三相交流电流的控制目标值通过Park变换转换到两相静止旋转坐标系下的结果；
步骤二：根据伏秒平衡原理，根据以下公式计算三种伏秒常数；
公式中，Ldc为直流电感，△I1、△I2、△I3分别是对应三个矢量的作用时间的三种直流纹波电流，Ts是载波周期，θ是参考电流的角位移；
C1、C2、C0分别对应三种伏秒常数；所述三个矢量是指用于合成参考电流的两个相邻的非零矢量和一个零矢量；
f1(θ)、f2(θ)、f0(θ)是关于参考电流矢量角位移θ的函数表达式；
步骤三：考虑不同调制方式对纹波的影响，找出最大伏秒常数，取最大值定义为C；
步骤四：根据以下公式计算直流电感：
2.根据权利要求1所述的电流源型变流器直流电感的设计方法，其特征在于，所述电流源型变流器直流电感的设计方法采用空间矢量调制。
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