CN107171565B - 基于npc的三相双有源桥式直流变换器的瞬时电流控制方法 - Google Patents

基于npc的三相双有源桥式直流变换器的瞬时电流控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三相双有源桥式直流变换器的瞬时电流控制方法，在三相双有源桥式直流变换器处于稳态的情况下，当V1侧和V2侧两个三相桥式电路的占空比指令D1,1和D2,1单独或同时改变为D1,2和D2,2时，通过两种调节过渡区间内占空比大小的方法，使得变压器三相电感电流分别仅经过5/3个开关周期的过渡区间就可达到平衡，大大降低因为三相电感电流不平衡而引起的变换器两侧直流电流振荡的幅值和时间，从而改善了变换器的动态性。

Description

基于NPC的三相双有源桥式直流变换器的瞬时电流控制方法
技术领域
本发明属于三相双有源桥式直流变换器技术领域，具体涉及一种基于NPC的三相双有源桥式直流变换器的瞬时电流控制方法。
背景技术
基于NPC的三相双有源桥式直流变换器由一个三相高频变压器和两个三电平NPC的三相桥式电路构成，其拓扑结构如图1所示。它是一种隔离型双向直流变换器。它具有高功率密度、较低的开关应力和易于实现软开关等优点。NPC相对于普通三相桥式拓扑具有电平数多，耐压高，电流纹波更小，从而使滤波更容易等优点。另外，与单相的变换器相比，这种变换器采用三相交错的结构，提高了功率等级的同时也减小了滤波器体积。它适用于中、大功率场合，适合应用于混合动力汽车、电力电子变压器以及智能电网能量存储系统等。
对于三相双有源桥式直流变换器，在处于稳态状态下，改变其控制变量，会造成三相高频变压器中的三相电流出现不平衡的现象，严重的话，甚至导致变换器两侧的直流电流产生振荡，并以τ＝Ls/Rs为时间常数逐渐衰减。其中，Ls为三相变压器中每相等效电感值，Rs为三相变压器中每相等效电阻值。在实际的变换器设计过程中，为了实现两个直流侧较宽的电压变化范围，三相变压器中每相等效电感值Ls需要被设计得较大，同时三相变压器中每相等效电阻值Rs则需要被设计得较小以减小线路损耗。因此，时间常数往往会变得比较大，进而使得变换器中三相电感电流振荡衰减时间较长。
现有的改善上述现象的控制方法，都是针对传统的移相调制策略所提出的。这种调制策略只有一个控制量，即两个三相桥中相应开关器件的驱动信号之间的移相角通过改变移相角的大小和正负，就可以控制传输功率的大小和方向。此时，两个三相桥式电路的占空比固定且均为0.5。相应的控制方法是在移相角变化的时候引入一个过渡区间，通过对该区间内移相角大小进行调节，从而使得三相电感电流在过渡区间内迅速达到新的平衡。然而，对于引入两个三相桥式电路的占空比作为另外两个控制变量的占空比加移相调制策略来说，当改变两个占空比指令时，三相电感电流同样会出现不平衡的现象，从而引起变换器两侧的直流电流产生振荡。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于NPC的三相双有源桥式直流变换器的瞬时电流控制方法，该控制方法在单独或同时改变两个占空比指令时，能够通过调节过渡区间内占空比大小，使得变压器三相电感电流分别仅经过5/3个开关周期的过渡区间就可达到平衡，从而减小变换器两侧的直流电流振荡。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现的：
基于NPC的三相双有源桥式直流变换器的瞬时电流控制方法，包括以下步骤：
在三相变换器处于稳态的情况下，当V1侧和V2侧两个三相桥式电路的相电压占空比指令D1,1和D2,1单独或同时改变为D1,2和D2,2时，通过调节过渡区间内占空比大小的方法，使得变压器三相电感电流分别经过5/3个开关周期的过渡区间达到平衡；其中，三相桥式电路中相电压的占空比是指在一个开关周期Ts内每个相电压函数为umx(t)为1或-1的时间占整个开关周期的比例，且占空比均小于或等于1；相电压函数的值为1代表该相输出正电平，其值为0代表该相输出0电平，值为-1代表该相输出负电平；m＝1或2，分别代表V1侧和V2侧的三相桥式电路，x＝a，b，c，分别代表三个桥臂。
本发明进一步的改进在于，过渡区间为5/3个开关周期的瞬时电流控制方法为：
对于任一侧三相桥式电路，在稳态运行时占空比为D1,1，以a相相电压函数um,a(t)上升沿时刻为0时刻，再经过(D11TS)/2进入过渡区间；进入过渡区间后a相占空比指令改为过渡占空比D11Δ，即从0时刻继续使a相开关函数um,a(t)保持为1或-1的状态，持续(D11ΔTS)/2的时间后变为0；从0时刻经过TS/3，b相相电压函数um,b(t)经过(D11TS)/2后，占空比指令改为过渡占空比D11Δ，即从TS/3时刻经过(D11TS)/2的时间，b相开关函数um,b(t)为1或-1的状态，继续持续(D11ΔTS)/2的时间后变为0；从0时刻经过2TS/3，c相相电压函数um,c(t)经过(D11TS)/2后，占空比指令改为过渡占空比D11Δ，即从2TS/3时刻经过(D11TS)/2的时间，c相开关函数um,c(t)为1或-1的状态，继续持续(D11ΔTS)/2的时间后变为0。
本发明进一步的改进在于，过渡区间内的两个过渡占空比的表达式分别为：
其中，fs＝1/Ts，为开关频率；τ＝Ls/Rs，为时间常数；Ls为三相变压器中每相等效电感值；Rs为三相变压器中每相等效电阻值。
本发明进一步的改进在于，通常情况下，时间常数与开关频率的乘积较大，因此过渡区间内的两个过渡占空比的表达式能够分别简写为：
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明能够在直流变换器的功率传输发生变化时，单独或同时改变直流变换器中各相相电压函数的占空比指令，通过调节过渡区间即暂态过程中，各相相电压函数的占空比大小，使得变压器中三相电感电流仅经过5/3个开关周期的过渡区间就可达到平衡。和传统控制策略相比，缩短了变换器暂态时间，提高系统的动态响应。
进一步地，本发明解决了在占空比控制量在发生变化的瞬时，直流变换器在暂态过程带来的三相电感电流不平衡且出现直流偏置这一问题。通过对变换器稳态和暂态的分析，在两个稳态之间引入了各相相电压函数的暂态占空比，有效的减小暂态过程，且大大的减小其振荡幅值和时间，降低因为三相电感电流不平衡及偏置导致的变压器磁饱和问题的可能，，保证直流变换器正常工作，从而改善了变换器的动态性能。
附图说明
图1为基于NPC的三相双有源桥式直流变换器拓扑结构；
图2为稳态时变换器六个相电压函数变化情况；
图3为传统控制方式下变换器六个相电压函数变化情况；
图4为暂态电流控制方式下变换器六个相电压函数变化情况；
图5为5/3传统控制方式下变换器三相电流；
图6为5/3瞬时电流控制方式下变换器三相电流。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
基于NPC的三相双有源桥式直流变换器的拓扑结构如图1所示。其中，假设功率是从V1侧流向V2侧，则V1是输入侧直流电压，V2是输出侧直流电压。考虑三相对称的情况，La、Lb和Lc分别是变压器的三相漏感或附加电感，其感值均为Ls；Ra、Rb和Rc分别是三相线路电阻，其感值均为Rs；ia、ib和ic分别是变压器三相电感电流。三相高频变压器的变比为N:1。稳态时各相相电压函数如图2所示。
设定三相双有源桥式直流变换器的一组基本参数如表1所示。
表1
参数 数值 参数 数值
V<sub>1</sub>侧电压稳态值V<sub>1</sub> 100V 开关频率f<sub>s</sub> 20kHz
V<sub>2</sub>侧电压稳态值V<sub>2</sub> 60V 额定传输功率P<sub>o</sub> 400W
V<sub>1</sub>侧输入电容C<sub>i</sub> 5000μF 三相电阻R<sub>s</sub>＝R<sub>a</sub>＝R<sub>b</sub>＝R<sub>c</sub> 0.2Ω
V<sub>2</sub>侧输出电容C<sub>o</sub> 500μF 三相电感L<sub>s</sub>＝L<sub>a</sub>＝L<sub>b</sub>＝L<sub>c</sub> 35μH
变压器变比N 1
在三相双有源桥式直流变换器的稳态运行时，采用可以实现电感电流有效值最低的占空比加移相调制策略。这种调制策略下有三个控制变量：V1侧和V2侧两个三相桥式电路的占空比分别为D1和D2，以及两侧三相桥式电路相应相开关函数基波之间的移相比Df。其中占空比指在一个开关周期Ts内每相相电压为正电压持续的时间占整个开关周期的比例。对于表1中的基本参数，可以得到在这种调制策略下，变换器处于稳态时的三个控制变量分别为：占空比D1为0.2598、D2为0.3885，移相角Df为0.2006。
假设此时由于传输功率或其它控制需求的变化，两个占空比D1和D2需要发生变化，分别从稳态情况下的D1,1＝0.2598和D2,1＝0.3885，改变至D1,2＝0.4159和D2,2＝0.4643，移相比保持不变。传统控制的相电压函数如图3所示，在传统控制方式下，两个占空比变量会直接根据指令值的不同完成改变，三相电感电流仿真结果如图5所示，功率指令发生变化后，b相与c相电流出现了明显的偏置现象，有可能对变压器造成磁饱和现象，使变压器不能正常工作；同时在暂态过程中三相电流不对称，且经过很长的暂态才能达到新的稳态，影响变换器的动态性能。
当使用本发明中具有5/3个开关周期的过渡区间的瞬时电流控制方法时，三相双有源桥式直流变换器的相电压函数变化过程图如图5所示。过渡区间内的两个过渡占空比的表达式为：
式中，fs＝1/Ts，为开关频率；τ＝Ls/Rs，为时间常数。根据表1中变换器的参数可以得到τ＝Ls/Rs＝1.75×10-4。将其占空比始末值分别代入式(1)和式(2)，可以得到V1侧三相桥的两个过渡占空比分别为D1,1Δ＝0.3739和D1,2Δ＝0.3216，V2侧三相桥的两个过渡占空比分别为D2,1Δ＝0.4439和D2,2Δ＝0.4184。
对于V1侧三相桥，以a相相电压函数u1,a(t)上升沿时刻为0时刻，再经过(D11TS)/2进入过渡区间；进入过渡区间后a相占空比指令改为过渡占空比D11Δ，即从0时刻继续使a相开关函数u1,a(t)保持为1或-1的状态，持续(D11ΔTS)/2的时间后变为0；从0时刻经过TS/3，b相相电压函数u1,b(t)经过(D11TS)/2后，占空比指令改为过渡占空比D11Δ，即从TS/3时刻经过(D11TS)/2的时间，b相开关函数u1,b(t)为1或-1的状态，继续持续(D11ΔTS)/2的时间后变为0；从0时刻经过2TS/3，c相相电压函数u1,c(t)经过(D11TS)/2后，占空比指令改为过渡占空比D11Δ，即从2TS/3时刻经过(D11TS)/2的时间，c相开关函数u1,c(t)为1或-1的状态，继续持续(D11ΔTS)/2的时间后变为0。
对于V2侧三相桥，以a相相电压函数u2,a(t)上升沿时刻为0时刻，再经过(D11TS)/2进入过渡区间；进入过渡区间后a相占空比指令改为过渡占空比D11Δ，即从0时刻继续使a相开关函数u2,a(t)保持为1或-1的状态，持续(D11ΔTS)/2的时间后变为0；从0时刻经过TS/3，b相相电压函数u2,b(t)经过(D11TS)/2后，占空比指令改为过渡占空比D11Δ，即从TS/3时刻经过(D11TS)/2的时间，b相开关函数u2,b(t)为1或-1的状态，继续持续(D11ΔTS)/2的时间后变为0；从0时刻经过2TS/3，c相相电压函数u2,c(t)经过(D11TS)/2后，占空比指令改为过渡占空比D11Δ，即从2TS/3时刻经过(D11TS)/2的时间，c相开关函数u2,c(t)为1或-1的状态，继续持续(D11ΔTS)/2的时间后变为0
三相电流仿真结果如图6所示。图中功率指令发生变化后，三相电感电流经过不到两个开关周期的暂态时间就能达到新的稳态，大大降低因为三相电感电流不平衡且减小其振荡幅值和时间，降低了变压器磁饱和的可能，从而改善了变换器的动态性能。

Claims (3)

1.基于NPC的三相双有源桥式直流变换器的瞬时电流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
在三相变换器处于稳态的情况下，当V1侧和V2侧两个三相桥式电路的相电压占空比指令D1,1和D2,1单独或同时改变为D1,2和D2,2时，通过调节过渡区间内占空比大小的方法，使得变压器三相电感电流分别经过5/3个开关周期的过渡区间达到平衡；其中，三相桥式电路中相电压的占空比是指在一个开关周期Ts内每个相电压函数umx(t)为1或-1的时间占整个开关周期的比例，且占空比均小于或等于1；相电压函数的值为1代表该相输出正电平，其值为0代表该相输出0电平，值为-1代表该相输出负电平；m＝1或2，分别代表V1侧和V2侧的三相桥式电路，x＝a，b，c，分别代表三个桥臂；
其中，过渡区间为5/3个开关周期的瞬时电流控制方法为：
对于任一侧三相桥式电路，在稳态运行时占空比为D1,1，以a相相电压函数um,a(t)上升沿时刻为0时刻，再经过(D1,1TS)/2进入过渡区间；进入过渡区间后a相占空比指令改为过渡占空比D1,1Δ，即从0时刻继续使a相开关函数um,a(t)保持为1或-1的状态，持续(D1,1ΔTS)/2的时间后变为0；从0时刻经过TS/3，b相相电压函数um,b(t)经过(D1,1TS)/2后，占空比指令改为过渡占空比D1,1Δ，即从TS/3时刻经过(D1,1TS)/2的时间，b相开关函数um,b(t)为1或-1的状态，继续持续(D1,1ΔTS)/2的时间后变为0；从0时刻经过2TS/3，c相相电压函数um,c(t)经过(D1, 1TS)/2后，占空比指令改为过渡占空比D1,1Δ，即从2TS/3时刻经过(D1,1TS)/2的时间，c相开关函数um,c(t)为1或-1的状态，继续持续(D1,1ΔTS)/2的时间后变为0。
2.根据权利要求1所述的基于NPC的三相双有源桥式直流变换器的瞬时电流控制方法，其特征在于，过渡区间内的两个过渡占空比的表达式分别为：
其中，fs＝1/Ts，为开关频率；τ＝Ls/Rs，为时间常数；Ls为三相变压器中每相等效电感值；Rs为三相变压器中每相等效电阻值。
3.根据权利要求2所述的基于NPC的三相双有源桥式直流变换器的瞬时电流控制方法，其特征在于，通常情况下，时间常数与开关频率的乘积较大，因此过渡区间内的两个过渡占空比的表达式能够分别简写为：
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