CN111510006A - 电流纹波法下基于svpwm调制策略的三电平设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电流纹波法下基于SVPWM调制策略的三电平设计方法，包括步骤：采用电流纹波法求出基于不同SVPWM调制策略下，三电平系统的关于调制比和电压相角的电流纹波方程；依据电流纹波方程，根据工作指标选择SVPWM调制策略；依据电流纹波方程周期内最大值，设计出三电平系统的滤波电感参数；依据电流纹波方程，设计开关器件的电流参数。本发明计算出已确定工作情况的三电平系统下的电流纹波，以此来指导调制策略的选择，指导滤波电感以及开关器件的选择，能够在满足设计指标的情况下降低系统的整体体积、工作损耗和制作成本。

Description

电流纹波法下基于SVPWM调制策略的三电平设计方法
技术领域
本发明属于电力电子变换器技术领域，具体涉及一种电流纹波法下基于SVPWM调制策略的三电平设计方法。
背景技术
为了配套新能源汽车的使用，一系列的电动汽车配套设施也随之被研发和建设。直流充电桩凭借着快速充电能力成为充电设备的发展方向，T型三电平作为主要大功率AC-DC变换器系统，对三电平系统的设计和优化非常重要。
传统的三电平系统中SVPWM调制策略的选择缺乏量化参考指标，滤波电感设计主要是依据经验公式，对开关器件的耐流耐压值是通过选取裕度决定。SVPWM是空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation)的简称。
传统的SVPWM调制策略的选择方法，在变换器传输功率较低时这样设计时电感数值和开关器件参数选取大点对系统影响较小，但随着传输功率的增大，更大的电感意味着滤波器更大的体积和损耗，选取更大耐压耐流的开关器件意味着更高的制作成本。因此根据系统的设计指标，依据电流纹波法可以在满足要求的情况下进行量化系统设计，降低产品体积和成本。
发明内容
技术目的：针对上述技术问题，本发明提供了一种电流纹波法下基于SVPWM调制策略的三电平设计方法，其计算出已确定工作情况的三电平系统下的电流纹波，以此来指导调制策略的选择，指导滤波电感以及开关器件的选择，能够在满足设计指标的情况下降低系统的整体体积、工作损耗和制作成本。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：
一种电流纹波法下基于SVPWM调制策略的三电平设计方法，其特征是：包括以下步骤：
S1、采用电流纹波法求出基于不同SVPWM调制策略下，三电平系统的关于调制比和电压相角的电流纹波方程；
S2、依据电流纹波方程，根据工作指标选择SVPWM调制策略；
S3、依据电流纹波方程周期内最大值，设计出三电平系统的滤波电感参数；
S4、依据电流纹波方程，设计开关器件的电流参数。
优选地，所述步骤S1中，电流纹波方程为：
Figure BDA0002504442120000021
其中，L为滤波电感值；Ts为三电平系统的开关采样周期；Vdc为三电平系统的直流侧电压；m为三电平系统的调制比；ω为三电平系统的交流电压角速度；θ表示各个相位初始相角；△i表示在一个采样周期内的理论电流变化量；f表示SVPWM调制策略下的关于调制比m和电压相角
Figure BDA0002504442120000023
的电流纹波系数。
优选地，所述步骤S2中选择SVPWM调制策略的步骤如下：
S21、根据三电平系统的工作指标直流侧电压Vdc、交流侧电压e和开关采样周期Ts，计算出系统调制比m；
S22、计算出此调制比m下，不同SVPWM调制策略的电流纹波系数f在各个周期内最大值fmax1、fmax2、fmax3、…、fmaxn，n为SVPWM调制策略的种类数量；
S23、将不同SVPWM调制下fmax1、fmax2、fmax3、…、fmaxn乘以开关频率权重系数λ，得到λ1fmax1、λ2fmax2、λ3fmax3、…、λ3fmaxn；
S24、比较λfmax大小，选取其中λfmax最小对应的调制策略作为三电平系统的调制策略。
优选地，所述步骤S3中，选取SVPWM调制策略后，依据三电平系统指标对电流纹大小的要求对滤波电感参数L进行计算，计算公式为：
Figure BDA0002504442120000022
其中，L为滤波电感值；Ts为系统开关采样周期；Vdc为三电平系统直流侧电压；△i表示在一个采样周期内的理论电流变化量；fmax表示电流纹波系数f在各个周期内最大值。
优选地，所述步骤S4中，根据选择的SVPWM调制策略和设计的滤波电感参数L，依据系统指标计算出开关器件所承受的理论最大导通电流，得到理论最大导通电流Imax的计算方程为：
Figure BDA0002504442120000031
其中，I为三电平系统导通电流有效值；
Figure BDA0002504442120000032
为电流峰值时对应相角；根据计算得到的最大导通电流值，选择开关器件的电流参数。
优选地，所述步骤S1中的不同SVPWM调制策略采用四区域SVPWM调制策略、六区域SVPWM调制策略和九段式SVPWM调制策略。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明具有如下技术效果：
(1)相比较传统的设计方法，本发明依据三电平系统实际工作情况进行的系统设计，设计所得的器件参数更符合实际要求；
(2)本发明能够非常方便和直接的指导三电平系统的设计，在满足设计指标的情况下降低了系统的整体体积、工作损耗和制作成本；
(3)本发明能够量化地计算出已确定工作情况的三电平系统下的电流纹波，以此来指导调制策略的选择，指导滤波电感以及开关器件的选择；
(4)本发明不仅可以用来计算已经确定工作指标的三电平系统相关参数，同样可以反过来指导三电平系统的工作指标设计。
附图说明
图1为本发明的T型三电平系统的工作指标表；
图2为本发明实施例T型三电平系统图；
图3为本发明实施例不同SVPWM调制比下电流纹波系数在一个周期内的最大值关于调制比的变化曲线对比图；
图4为本发明实施例调制比为0.78时下传统六区域SVPWM和九段式SVPWM调制下电流纹波系数函数f关于ωt变化曲线图；
图5为本发明实施例电流定点和过零点处电流纹波系数关于调制比曲线图；
图6中的a为本发明实施例的六区域SVPWM，b为九段式SVPWM调制在同等参数下电流纹波比较图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明公开了一种电流纹波法下基于SVPWM调制策略的三电平设计新方法，包括步骤：
S1、采用电流纹波法求出基于不同SVPWM调制策略下，三电平系统的关于调制比和电压相角的电流纹波方程；
S2、依据电流纹波方程，根据工作指标选择SVPWM调制策略；
S3、依据电流纹波方程周期内最大值，设计出三电平系统的滤波电感参数；
S4、依据电流纹波方程，设计开关器件的参数。
如图2所示为，以T型三电平系统作为一个具体实施例，三电平系统的拓扑结构包括并联的三相桥臂，每相桥臂包括两个串联的IGBT管，各相桥臂的中点一侧连接相串联的两个方向不同的IGBT管的一端，另一侧经滤波电感连接电网，直流母线之间串联两个电容，两个电容中点连接各相桥臂的串联的两个方向不同IGBT管的另一端，正负直流母线作为三电平系统连接负载的直流侧。
步骤S1中的不同SVPWM调制策略采用四区域SVPWM调制策略、六区域SVPWM调制策略和九段式SVPWM调制策略等。以下以四区域SVPWM电流纹波调制策略为例，计算电流纹波方程的过程为：
S1.1、定义电压改变量为△v(t)为瞬时电压v(t)与平均电压
Figure BDA0002504442120000041
的差值，即
Figure BDA0002504442120000042
在理想状态下，电感的电阻非常小，又因为开关频率远大于基波频率，所以电网电压的平均电压和瞬时电压非常接近。因此电流的变化主要和△v(t)相关，即
Figure BDA0002504442120000043
其中，Ts为三电平系统的开关采样周期；t表示时间；i表示三电平系统的交流侧电流；△i表示在一个采样周期内的理论电流变化量，即一个采样周期内理论电流变化量；
S1.2、根据电流纹波定义，可以得到电流纹波
Figure BDA0002504442120000051
表达式，为：
Figure BDA0002504442120000052
其中L表示滤波电感值，
Figure BDA0002504442120000053
表示采样周期内电流等效值；
定义一个采样周期内电流纹波峰峰值
Figure BDA0002504442120000054
为
Figure BDA0002504442120000055
以A相为例，电压v(t)用三电平开关函数表示为：
Figure BDA0002504442120000056
其中Sa、Sb和Sc为三相开关变量；Vdc为三电平系统直流侧电压；
S1.3、根据SVPWM调制策略，参考电压Vref和相电压可以表达如下：
Figure BDA0002504442120000057
A相的平均电压可以用直流电压表示为：
Figure BDA0002504442120000058
m为调制比，取值范围是0到1.155；
S1.4、为了方便区域划分，将变量转变到αβ坐标系，即：
Figure BDA0002504442120000059
Figure BDA00025044421200000510
表示各个相位初始相角；
电流纹波i(t)表达式可以转化为：
Figure BDA00025044421200000511
根据三电平调制策略可以将电流纹波峰峰值定义为关于调制比和电压相位角相关的函数f(m,ωt)，矢量作用时间系数为对应k值的四倍，所以电流纹波峰峰值关于调制比和电压相角的方程表示为：
Figure BDA0002504442120000061
如图3至图6所示，以A相为例，根据表1的三电平系统工作参数可知此系统A相电压为ea＝311cosωtV，电压相角为ωt，分别选取常用的传统的四区域SVPWM调制策略、六区域SVPWM调制策略和九段式SVPWM调制策略，根据电流纹波法三种SVPWM调制方法下对应的三电平系统全域电流纹波方程为
Figure BDA0002504442120000062
Figure BDA0002504442120000063
Figure BDA0002504442120000064
三种SVPWM调制下的的电流纹波系数f在一个周期内最大值fmax关于调制比的曲线如图4所示。直流侧电压为800V，可以计算得调制比等于0.78，此时由图3可知，四区域SVPWM调fmax1＝0.27、六区域SVPWM调制策略fmax2＝0.22，九段式SVPWM调制策略fmax3＝0.143；
分别乘以开关频率权重系数λ，即在同样的开关频率下比较电流纹波大小。λ与一个采样周期内开关动作次数有关。以开关动作次数最低的调制策略为参考，三种调制策略中四区域和六区域动作开关次数最低为7次，即七段式，取λ1＝1、λ2＝1，九段式一个采样周期内开关动作次数为9次，即九段式因此，λ3＝9/7。可得：λ1fmax1＝1×0.27＝0.27、λ2fmax2＝1×0.22＝0.22、λ3fmax3＝(9/7)×0.143＝0.1838；比较可知λ3fmax3最小，所以调整策略选择九段式SVPWM。
根据三电平系统工作参数要求，在九段式SVPWM调制策略下电感值的理论计算值为：
Figure BDA0002504442120000071
在九段式SVPWM调制策略下，A相电流在ωt＝0达到最大值，此时电流纹波系数f为0.09，所以此时开关器件工作理论最大导通电流为：
Figure BDA0002504442120000072
然后根据计算得到的最大导通电流，选择开关器件如IGBT管的参数，使最终确定的开关器件的参数满足实际需要，提高设计效率，减少调试成本等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电流纹波法下基于SVPWM调制策略的三电平设计方法，其特征是：包括以下步骤：
S1、采用电流纹波法求出基于不同SVPWM调制策略下，三电平系统的关于调制比和电压相角的电流纹波方程；
S2、依据电流纹波方程，根据工作指标选择SVPWM调制策略；
S3、依据电流纹波方程周期内最大值，设计出三电平系统的滤波电感参数；
S4、依据电流纹波方程，设计开关器件的电流参数。
2.根据权利要求1所述的电流纹波法下基于SVPWM调制策略的三电平设计方法，其特征是：所述步骤S1中，电流纹波方程为：
Figure RE-FDA0002534180070000011
其中，L为滤波电感值；Ts为三电平系统的开关采样周期；Vdc为三电平系统的直流侧电压；m为三电平系统的调制比；ω为三电平系统的交流电压角速度；θ表示各个相位初始相角；Δi表示在一个采样周期内的理论电流变化量；f表示SVPWM调制策略下的关于调制比m和电压相角ωt+θ的电流纹波系数。
3.根据权利要求1所述的电流纹波法下基于SVPWM调制策略的三电平设计方法，其特征是：所述步骤S2中选择SVPWM调制策略的步骤如下：
S21、根据三电平系统的工作指标直流侧电压Vdc、交流侧电压e和开关采样周期Ts，计算出系统调制比m；
S22、计算出此调制比m下，不同SVPWM调制策略的电流纹波系数f在各个周期内最大值fmax1、fmax2、fmax3、…、fmaxn，n为SVPWM调制策略的种类数量；
S23、将不同SVPWM调制下fmax1、fmax2、fmax3、…、fmaxn乘以开关频率权重系数λ，得到λ1fmax1、λ2fmax2、λ3fmax3、…、λ3fmaxn；
S24、比较λfmax大小，选取其中λfmax最小对应的调制策略作为三电平系统的调制策略。
4.根据权利要求3所述的电流纹波法下基于SVPWM调制策略的三电平设计方法，其特征是：所述步骤S3中，选取SVPWM调制策略后，依据三电平系统指标对电流纹大小的要求对滤波电感参数L进行计算，计算公式为：
Figure FDA0002504442110000021
其中，L为滤波电感值；Ts为系统开关采样周期；Vdc为三电平系统直流侧电压；△i表示在一个采样周期内的理论电流变化量；fmax表示电流纹波系数f在各个周期内最大值。
5.根据权利要求4所述的电流纹波法下基于SVPWM调制策略的三电平设计方法，其特征是：所述步骤S4中，根据选择的SVPWM调制策略和设计的滤波电感参数L，依据系统指标计算出开关器件所承受的理论最大导通电流，得到理论最大导通电流Imax的计算方程为：
Figure FDA0002504442110000022
其中，I为三电平系统导通电流有效值；θ'为电流峰值时对应相角；根据计算得到的最大导通电流值，选择开关器件的电流参数。
6.根据权利要求1-5任一所述的电流纹波法下基于SVPWM调制策略的三电平设计方法，其特征是：所述步骤S1中的不同SVPWM调制策略采用四区域SVPWM调制策略、六区域SVPWM调制策略和九段式SVPWM调制策略。
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