CN106571736B - 电流源型变流器最小直流纹波调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流源型变流器最小直流纹波调制方法，其包括以下步骤：计算系统各项参数，包括变流器交流电压幅值V_tm，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等。本发明通过选取最合适的调制方式，使直流纹波达到最小，从而优化了变流器的性能，有利于延长系统寿命；与传统的纹波抑制方法相比，新方法既不需要增大直流电感，也不会增大开关损耗，只需要改善变流器的调制算法，具有很大的优越性；不受变流器交流侧功率因数角的限制，也不存在切换时间点的方法问题，适用范围更广，实现起来也更加简单。

Description

电流源型变流器最小直流纹波调制方法

技术领域

本发明涉及一种调制方法，具体地，涉及一种电流源型变流器最小直流纹波调制方法。

背景技术

电流源型变流器具有许多优良的特性，这些特性包括天然的短路保护能力、灵活可调的功率因数、较高的可靠性等，因此被广泛应用在电机驱动、新能源并网等领域。随着RB-IGBT等新型逆阻型器件的兴起，电流源型变流器的开关频率可以大幅提高，从而其直流电感、交流电感、交流电容都可以大幅减小，这意味着更快的动态响应、更少的成本和更小的体积。在此背景下，电流源型变流器的应用前景将会更加广阔。

电流源型变流器的直流纹波电流是由于直流电感周期性充放电引起的，而太大的直流纹波对变流器的性能影响很大：首先，这会导致直流元件的发热和应力增大，影响直流电感和开关器件的寿命；第二，这会使直流波形和交流波形中的谐波含量增大，影响输出波形；第三，太大的直流纹波也会减小交流滤波器、尤其是滤波电容的寿命。在此背景下，研究电流源型变流器最小直流纹波调制技术，对于变流器的优化运行，具有重要意义。

直流纹波由直流电感周期性充放电形成，因此直流纹波不可能被完全消除，只能尽可能的抑制。传统的抑制直流纹波的方法有两种：其一是增大直流电感值，而这会导致系统动态性能的降低以及成本、体积的增加；其二是增大开关频率，而这会导致系统开关损耗的上升。这两种传统的方法都具有很大的局限性。

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最小直流纹波调制方法，其通过选取最合适的调制方式，来获得最优的直流纹波特性。新方法不需要增大直流电感，也不会增大开关损耗，仅需改善变流器的调制算法，与传统方法相比具有很大的优越性。

根据本发明的一个方面，提供一种电流源型变流器最小直流纹波调制方法，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V_tm，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：定义纹波|△I|与载波周期T_s的比值为纹波商D，计算纹波商的最大值max|g(θ)|，采用如下式：

其中，L_dc为直流电感，θ是参考电流的角位移；

步骤三：设D₁，D₂，D₀中最大的为D_max，次大的为D_middle；若采用三段式调制，为了防止扇区切换时纹波叠加，将零矢量置于两边而非中间，定义这种方式为最优三段式调制，此时的最大纹波是D_max·T_{s_3}；若采用五段式调制，将原先的最大纹波割裂成一半，定义这种方式为最优五段式调制，此时的最大纹波是若采用七段式调制，将三段式的三种纹波都割裂为原先的一半，定义这种方式为最优七段式调制，，此时的最大纹波是

其中，T_{s_3}，T_{s_5}，T_{s_7}.分别代表三段式载波周期、五段式载波周期、七段式载波周期；

步骤四：比较不同调制方式下的纹波大小，选取合适的调制方式，采用如下式：

优选地，所述步骤三中七段式与三段式在开关损耗相同的情况下的直流纹波相同。

优选地，所述步骤三中三段式载波周期、五段式载波周期、七段式载波周期满足如下比例的情况下，开关损耗近似相等：

T_{s_3}∶T_{s_5}∶T_{s_7}＝4∶3∶2。

优选地，所述步骤一中的变流器交流电压幅值V_tm与变流器交流电压u、变流器直流电压V_dc、直流电动势E_dc之间的关系采用如下式：

其中，为变流器直流电压的平均值，T₁，T₂，T₀分别是空间矢量的作用时间，ω是电网角频率，γ是变流器A相电压初相位。

优选地，所述步骤一中的调制比m与矢量作用时间的关系采用如下式：

其中，T_s是载波周期。

优选地，所述变流器交流电压u表示为与θ有关的形式，采用如下式：

θ＝ωt+θ₀；

其中，I_tm是变流器交流电流基波分量的幅值，I_dc是直流电流。

优选地，所述步骤三中三段式调制方式对应三个矢量作用时间的三种直流纹波电流△I₁、△I₂、△I₀采用如下式：

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明针对电流源型变流器直流纹波的抑制，采用分析单个采样周期内的直流纹波的方法，在此基础上提出了一种电流源型变流器最小直流纹波的调制方法，并给出了系统化的设计流程，这种最小直流纹波调制方法：

一、通过选取最合适的调制方式，使直流纹波达到最小，从而优化了变流器的性能，有利于延长系统寿命；

二、与传统的纹波抑制方法相比，新方法既不需要增大直流电感，也不会增大开关损耗，只需要改善变流器的调制算法，具有很大的优越性；

三、不受变流器交流侧功率因数角的限制，也不存在切换时间点的方法问题，适用范围更广，实现起来也更加简单。

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为本发明电流源型变流器的电路模型图。

图2a为本发明电流源型变流器空间矢量调制原理图。

图2b为本发明电流源型变流器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为本发明流程图。

图5a为本发明直流电流波纹在三段式0-1-2调制方式下的仿真波形图。

图5b为本发明直流电流波纹在三段式1-0-2调制方式下的仿真波形图。

图5c为本发明直流电流波纹在三段式2-0-1调制方式下的仿真波形图。

图6a为本发明直流电流波纹在五段式0-1-2-1-0调制方式下的仿真波形图。

图6b为本发明直流电流波纹在五段式0-2-1-2-0调制方式下的仿真波形图。

图6c为本发明直流电流波纹在五段式1-0-2-0-1调制方式下的仿真波形图。

图7为本发明三种直流电流纹波与角位移的关系图。

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。

如图4所示，本发明电流源型变流器最小直流纹波调制方法包括以下步骤：

步骤一：计算系统各项参数，包括变流器交流电压幅值V_tm，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：定义纹波|△I|与载波周期T_s的比值为纹波商D，根据公式(8)(9)计算纹波商的最大值max|g(θ)|。

其中，L_dc为直流电感。

步骤三：设D₁，D₂，D₀中最大的为D_max，次大的为D_middle；若采用三段式调制，为了防止扇区切换时纹波叠加，应当将零矢量置于两边而非中间，定义这种方式为最优三段式调制，此时的最大纹波是D_max·T_{s_3}；若采用五段式调制，应当将原先的最大纹波割裂成一半，定义这种方式为最优五段式调制，此时的最大纹波是若采用七段式调制，可视为将三段式的三种纹波都割裂为原先的一半，定义这种方式为最优七段式调制，，此时的最大纹波是

其中，T_{s_3}，T_{s_5}，T_{s_7}.分别代表三段式载波周期、五段式载波周期、七段式载波周期。

可以发现，在开关损耗相同的情况下，七段式与三段式的直流纹波相同。

步骤四：比较不同调制方式下的纹波大小，按照公式(10)选取合适的调制方式。

随着新型逆阻型器件的研发和应用，电流源型变流器的系统性能大大提升，加上其短路保护能力、故障穿越能力等特性，电流源型变流器在新能源发电、电机驱动等方面具有广阔的应用前景。电流源型变流器的电路模型如图1所示。变流器交流电压u可以表示为：

其中V_tm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。本文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九种开关状态对应到九种电流矢量。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2a、图2b所示。矢量作用时间可以表示为：

其中T₁，T₂，T₀分别是空间矢量的作用时间，m是调制比，T_s是载波周期，θ是参考电流的角位移。又，I_tm是变流器交流电流基波分量的幅值，I_dc是直流电流。θ＝wt+θ₀，θ₀是参考电流角位移的初始值。因此变流器交流电压u可以表示为与θ有关的形式：

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△i与直流电感两端电压u_L和充放电时间△t成正比，与直流电感L_dc成反比。直流电感两端电压u_L为直流电动势E_dc减去变流器直流电压V_dc，变流器直流电压V_dc在三个矢量作用时间T₀、T₁、T₂内分别对应0、V_ab、V_ac：

而直流电动势E_dc为变流器直流电压的平均值

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△I₁、△I₂、△I₀可以表示为：

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，此时二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表1所示。

表1本发明不同调制方式与波纹的关系表

根据表1易知，开关频率越高，则直流纹波越小。五段式调制的直流纹波要比三段式小，而七段式的直流纹波要比五段式小。但是，需要注意的是，随着开关频率的增大，开关损耗也随之增大。本专利所提出的最小直流纹波调制技术，是在开关损耗基本相同的前提下，在三段式、五段式或七段式调制中，找出使直流纹波最小的那一种调制方式。根据文献所提出的“等效开关频率理论”，在三段式、五段式、七段式的载波周期满足一定比例的情况下，可以认为这三类调制方式的开关损耗近似相等。经计算，该比例为：

T_{s_3}∶T_{s_5}∶T_{s_7}＝4∶3∶2......................................(10)

下面结合附图对本发明方案进行进一步的详细说明：

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。根据表1可知，不同的调制方式对最大纹波会产生影响。图5a、图5b、图5c、图6a、图6b、图6c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。表2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，由该表可知，该纹波分析是合理的。

表2不同调制方式下最大波纹理论值与仿真结果的比较表

仍以上述系统为例，若不限定载波频率，在开关损耗相同的情况下，要计算出哪一种调制方式的直流纹波最小。

根据图7，ΔI_{1_max}＝60.38A，ΔI_{2_max}＝ΔI_{0_max}＝43.81A。若采用最优三段式调制，最大纹波为60.38A；若采用最优五段式调制，最大纹波为若采用最优七段式调制，最大纹波为

综上所述，应当采用最优五段式调制，即0-1-2-1-0或2-1-0-1-2的矢量作用顺序，载波频率取为此时的最小纹波为58.41A。

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 (7)

1.一种电流源型变流器最小直流纹波调制方法，其特征在于，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V_tm，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；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：定义纹波|△I|与载波周期T_s的比值为纹波商D，计算纹波商max|g(θ)|，采用如下式：

其中，L_dc为直流电感，θ是参考电流的角位移；D₁、D₂、D₀分别对应三种直流纹波最大值的纹波商，所述参考电流由两个相邻的非零矢量和一个零矢量合成，|ΔI₁|_max、|ΔI₂|_max、|ΔI₀|_max分别为对应于两个非零矢量和一个零矢量的直流波纹最大值，T₁、T₂、T₀分别是两个非零矢量和一个零矢量的作用时间；g₁(θ)、g₂(θ)、g₀(θ)是关于参考电流矢量角位移θ的函数表达式，θ₀是参考电流矢量的初始位置角；

步骤三：设D₁，D₂，D₀中最大的为D_max，次大的为D_middle；若采用三段式调制，为了防止扇区切换时纹波叠加，将零矢量置于两边而非中间，定义这种方式为最优三段式调制，此时的最大纹波是D_max·T_{s_3}；若采用五段式调制，将至少一类纹波割裂成一半，定义这种方式为最优五段式调制，此时的最大纹波是若采用七段式调制，将三段式调制时的三类纹波ΔI₁、ΔI₂、ΔI₀都割裂为三段式调制时的一半，定义这种方式为最优七段式调制，此时的最大纹波是

其中，T_{s_3}，T_{s_5}，T_{s_7}分别代表三段式载波周期、五段式载波周期、七段式载波周期；

步骤四：比较不同调制方式下的纹波大小，选取合适的调制方式，采用如下式：

2.根据权利要求1所述的电流源型变流器最小直流纹波调制方法，其特征在于，所述步骤三中七段式与三段式在开关损耗相同的情况下的直流纹波相同。

3.根据权利要求1所述的电流源型变流器最小直流纹波调制方法，其特征在于，所述步骤三中三段式载波周期、五段式载波周期、七段式载波周期满足如下比例的情况下，开关损耗近似相等：

T_{s_3}∶T_{s_5}∶T_{s_7}＝4∶3∶2。

4.根据权利要求1所述的电流源型变流器最小直流纹波调制方法，其特征在于，所述步骤一中的变流器交流电压幅值V_tm与变流器三相交流电压瞬时值v_a、v_b、v_c、变流器直流电压V_dc、直流电动势E_dc之间的关系采用如下式：

其中，为变流器直流电压的平均值，ω是电网角频率，Vab是指A相和B相的电压差瞬时值，Vac是指A相和C相的电压差瞬时值，t指时间。

5.根据权利要求4所述的电流源型变流器最小直流纹波调制方法，其特征在于，所述步骤一中的调制比m与矢量作用时间的关系采用如下式：

6.根据权利要求5所述的电流源型变流器最小直流纹波调制方法，其特征在于，所述变流器三相交流电压瞬时值v_a、v_b、v_c表示为与θ有关的形式，采用如下式：

θ＝ωt+θ₀；

其中，I_tm是变流器交流电流基波分量的幅值，I_dc是直流电流。

7.根据权利要求1所述的电流源型变流器最小直流纹波调制方法，其特征在于，所述步骤三中三段式调制方式对应T₁、T₂、T₀作用时间的三种直流纹波△I₁、△I₂、△I₀采用如下式：