CN110022079B - 一种t型三电平变流器直流侧电容容值的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种T型三电平变流器直流侧电容容值的设计方法，根据最大中点电压的波动情况，确定直流侧电容容值。考虑到开关器件发生开路故障，首先应辨别T型三电平变流器发生开路故障的桥臂，然后将发生开路故障桥臂上所有开关器件的驱动信号关闭，在此基础上确定最大中点电压波动系数，最后得到直流侧电容容值。该设计方法使得大量容值较大的直流侧电解电容可以用容值较小的薄膜电容代替，减低成本，减轻体积和增强功率密度。

Description

一种T型三电平变流器直流侧电容容值的设计方法
技术领域
本发明涉及T型三电平变流器直流侧电容容值的设计方法，更具体地说是根据最大中点电压的波动情况，确定直流侧电容容值的设计方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，三电平变流器受到了广泛地关注。相比于传统的两电平变流器，三电平变流器具有较低的总谐波畸变率、较低的器件电压应力和较高的能量转换效率。正是这些优点，使得三电平变流器被广泛应用于如电机驱动、电能质量和可再生能源发电等诸多领域。
三电平变流器的拓扑可以分为中点钳位型和H桥级联型两类。中点钳位型拓扑又分为二极管钳位型、飞跨电容型和T型中点钳位型。最近，T型三电平变流器被提出用于高效率和低电压的领域，如光伏并网逆变器和功率因数整流器。它结合了两电平变流器和中点钳位型三电平变流器的优点，例如较低的传导损耗，较低开关损耗和良好的输出电能质量。
T型三电平变流器通常在直流侧使用大量的电解电容来保持直流侧电压稳定，但是导致系统体积较大，功率密度较低。因此，需要提供一种T型三电平变流器直流侧电容容值的设计方法，使得薄膜电容可以替代电解电容。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题，提供了一种T型三电平变流器直流侧电容容值的设计方法，采用容值较小的薄膜电容代替大量容值较大的直流侧电解电容，达到降低成本，减小体积和减轻重量的目的。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
本发明提供了一种T型三电平变流器直流侧电容容值的设计方法，包括如下步骤：
步骤S1、计算各相相电流的平均值，判断T型三电平变流器是否发生开路故障；
步骤S2、关闭发生开路故障的桥臂上所有开关器件的驱动信号；
步骤S3、确定出最大中点电压波动系数；
步骤S4、根据最大中点电压波动系数，确定直流侧电容容值。
进一步地，所述步骤S1，判断T型三电平变流器是否发生开路故障具体为：
判断计算出的各相相电流的平均值是否为0，如果为0，说明电路运行正常，否则，说明T型三电平变流器相应的桥臂有开关器件发生开路。
进一步地，所述步骤S3，确定最大中点电压波动系数具体为：
步骤S3.1、确定出归一化中点电流
Figure BDA0002044514970000021
其计算公式如下：
Figure BDA0002044514970000022
其中,ux代表T型三电平变流器的调制电压；udc代表直流侧电压的一半；
Figure BDA0002044514970000023
代表T型三电平变流器输出的相电流并且相电流的峰值为1；如果桥臂发生开路故障，相应Kx的值为0，否则Kx的值为1；
步骤S3.2、基于所述归一化中点电流
Figure BDA0002044514970000024
确定出中点电压ΔuNP，其表示为：
Figure BDA0002044514970000031
其中，K代表最大中点电压波动系数；
步骤S3.3、最大的中点电压波动一般控制在直流侧电压的5％以内，根据归一化中点电流积分的最大值对应中点电压波动为直流侧的5％，计算出的K值，即求出最大中点电压波动系数。
进一步地，所述步骤S4、根据最大中点电压波动系数，确定直流侧电容容值，具体为：
Figure BDA0002044514970000032
其中，C1和C2分别代表上下容值且C1＝C2；f代表开关频率；K代表最大中点电压波动系数；Im是输出相电流的峰值。
本发明的有益效果在于：
提出了一种T型三电平变流器直流侧电容容值的设计方法，采用容值较小的薄膜电容代替大量容值较大的直流侧电解电容，达到降低成本，减小体积和减轻重量的目的。
附图说明
图1是本发明T型三电平变流器直流侧电容容值设计的流程图；
图2是T型三电平变流器的拓扑结构；
图3是正常情况时归一化中点电流积分的波形；
图4是一个桥臂不能运行时归一化中点电流积分的波形；
图5是两个桥臂不能运行时归一化中点电流积分的波形；
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
本实施例提供了一种T型三电平变流器直流侧电容容值的设计方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1、计算各相相电流的平均值，判断T型三电平变流器是否发生开路故障；
T型三电平变流器的拓扑结构如图2所示。为了便于分析，可以认为三相电流的值和方向在一个载波周期中几乎是恒定的。本文规定，相电流从变流器流出为正方向。C1和C2分别表示直流侧上下电容且C1＝C2；S表示开关器件；T型三电平变流器的三相输出电压和输出电流可以分别表示为：
Figure BDA0002044514970000041
其中，ωt∈[0,2π]是a相电压的相角，m∈[0,1]是调制度，Im是相电流的峰值，
Figure BDA0002044514970000042
是负载的功率因数角，udc是直流侧母线电压的一半。
正常情况下，三相相电流在一个基波周期内各自的平均值为零。当开路故障发生时，会导致电流波形发生畸变。分别计算a、b和c相相电流的平均值，如果出现不为零的情况，则说明T型三电平变流器相应的桥臂有开关器件发生开路。
步骤S2、关闭发生开路故障的桥臂上所有开关器件的驱动信号；假设计算出a相相电流不为零，则a桥臂有开关器件发生开路。然后将开关器件Sa1、Sa2、Sa3和Sa4的驱动信号关闭。
步骤S3、确定出最大中点电压波动系数；
在本实施例中，考虑所有可能的开路情况，从中确定最大中点电压波动系数，所有可能的开路情况包括正常运行状态、只有一个桥臂不能运行和两个桥臂不能运行。
步骤S3.1、确定出归一化中点电流
Figure BDA0002044514970000051
其计算公式如下：
Figure BDA0002044514970000052
其中,ux代表T型三电平变流器的调制电压；udc代表直流侧电压的一半；
Figure BDA0002044514970000053
代表T型三电平变流器输出的相电流并且相电流的峰值为1；如果桥臂发生开路故障，相应Kx的值为0，否则Kx的值为1；
步骤S3.2、基于所述归一化中点电流
Figure BDA0002044514970000054
确定出中点电压ΔuNP，其表示为：
Figure BDA0002044514970000055
其中，K代表最大中点电压波动系数；
步骤S3.3、最大的中点电压波动一般控制在直流侧电压的5％以内，根据归一化中点电流积分的最大值对应中点电压波动为直流侧的5％，计算出的K值，即求出最大中点电压波动系数。
图3给出了正常情况时归一化中点电流积分的波形。图4给出了一个桥臂不能运行时归一化中点电流积分的波形。图5给出了两个桥臂不能运行时归一化中点电流积分的波形。根据图3-5可以看出，在相同运行条件下，归一化中点电流积分的最大值总是发生在一个桥臂不能运行时。在调制度等于零时，归一化中点电流积分的最大值为2，其对应于中点电压波动为直流侧的5％。三个桥臂不能运行时，整个系统都不能运行，所以不考虑该情况。
步骤S4、根据最大中点电压波动系数，确定直流侧电容容值。
Figure BDA0002044514970000061
其中，C1和C2分别代表上下容值且C1＝C2；f代表开关频率；K代表最大中点电压波动系数；Im是输出相电流的峰值。
本发明的实施例，采用的是容值较小的薄膜电容代替大量容值较大的直流侧电解电容，达到降低成本，减小体积和减轻重量的目的。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。

Claims (2)

1.一种T型三电平变流器直流侧电容容值的设计方法，包括如下步骤：
步骤S1、计算各相相电流的平均值，判断T型三电平变流器是否发生开路故障；
步骤S2、关闭发生开路故障的桥臂上所有开关器件的驱动信号；
步骤S3、确定出最大中点电压波动系数；
步骤S4、根据最大中点电压波动系数，确定直流侧电容容值；
其中，所述步骤S3，确定最大中点电压波动系数具体为：
步骤S3.1、确定出归一化中点电流
Figure FDA0002357550890000011
其计算公式如下：
Figure FDA0002357550890000012
其中，ux代表T型三电平变流器的调制电压；udc代表直流侧电压的一半；
Figure FDA0002357550890000013
代表T型三电平变流器输出的相电流并且相电流的峰值为1；如果桥臂发生开路故障，相应Kx的值为0，否则Kx的值为1；
步骤S3.2、基于所述归一化中点电流
Figure FDA0002357550890000014
确定出中点电压ΔuNP，其表示为：
Figure FDA0002357550890000015
其中，K代表最大中点电压波动系数；
步骤S3.3、最大的中点电压波动一般控制在直流侧电压的5％以内，根据归一化中点电流积分的最大值对应中点电压波动为直流侧电压的5％，计算出的K值，即求出最大中点电压波动系数；
所述步骤S4、根据最大中点电压波动系数，确定直流侧电容容值，具体为：
Figure FDA0002357550890000016
其中，C1和C2分别代表上下容值且C1＝C2；f代表开关频率；K代表最大中点电压波动系数；Im是输出相电流的峰值。
2.根据权利要求1所述的T型三电平变流器直流侧电容容值的设计方法，其特征在于，所述步骤S1，判断T型三电平变流器是否发生开路故障具体为：
判断计算出的各相相电流的平均值是否为0，如果为0，说明电路运行正常，否则，说明T型三电平变流器相应的桥臂有开关器件发生开路。
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