CN114204833A - 一种减小并联逆变器直流侧电容电流纹波的调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种减小并联逆变器直流侧电容电流纹波的调制方法，包括以下步骤：步骤1、将两台两电平逆变器等效成一台三电平逆变器，并根据等效矢量的分布进行大扇区与小扇区的划分；步骤2、采样两台逆变器的输出相电流；步骤3、计算参考电压矢量所在的扇区号，并选择对应的三个电压矢量序列；步骤4、计算在各个序列中，各个电压矢量的作用时间；步骤5、给出直流侧电流的表达式；步骤6、计算直流侧电容电流纹波在一个控制周期内的有效值；步骤7、选取电流纹波有效值最小的序列，作为两台逆变器的驱动信号。本发明通过在线纹波估算与开关序列选择实现对直流侧电流纹波的减小，从而减小电容的发热并增加电容的使用寿命。

Description

一种减小并联逆变器直流侧电容电流纹波的调制方法

技术领域

本发明属于两电平并联逆变器技术领域，涉及两电平并联逆变器的调制方法，尤其是一种减小并联逆变器直流侧电容电流纹波的调制方法。

背景技术

在逆变器系统中，直流侧的支撑电容可以进行能量的缓冲并提高输出电流的质量。然而在实际应用中，直流侧的支撑电容属于相对脆弱的元件。根据已有的报道，变换器的损坏中有大约30％是由直流侧电容故障引起的。支撑电容中的纹波电流会引起电容发热，并进一步缩短电容的使用寿命。

另一方面，并联逆变器也受到了越来越广泛的关注和应用。并联变换器可以实现更大的功率输出，且无需提高单个开关器件的功率等级。此外，并联变换器还带来了更高的可靠性，当某一个桥臂发生故障时，通过对其他桥臂的合理控制，仍可以使系统具有正常的功率控制能力。逆变器的并联连接方式还能够提升等效开关频率，提高交流侧的电流质量。并联变换器引入了大量的冗余矢量，通过对开关序列的合理设计，有机会充分发挥并联变换器的优势。

目前，针对单台逆变器，已经有了一些减小电容纹波电流的调制方法。然而，这些方法却并不直接适用于并联的逆变器。直流侧电容电流由负载电流和开关状态决定，通过优化开关序列可以实现对电容电容纹波的抑制。为了提高直流侧电容的寿命并增强系统的稳定性，需要提供一种针对并联逆变器的直流侧电容纹波电流抑制方法，在不增加系统硬件成本的情况下解决上述问题，并保证交流侧输出电流的性能。

经检索，未发现与本发明相同或相近似的现有技术的文献。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种减小并联逆变器直流侧电容电流纹波的调制方法，能减小并联逆变器直流侧电容电流纹波的等效三电平调制方式，通过在线纹波估算与开关序列选择实现对直流侧电流纹波的减小，从而减小电容的发热并增加电容的使用寿命。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种减小并联逆变器直流侧电容电流纹波的调制方法，包括以下步骤：

步骤1、将两台两电平逆变器等效成一台三电平逆变器，并根据等效矢量的分布进行大扇区与小扇区的划分；

步骤2、采样两台逆变器的输出相电流；

步骤3、结合给定的参考电压矢量，计算参考电压矢量所在的扇区号，并选择对应的三个电压矢量序列；

步骤4、计算在各个序列中，各个电压矢量的作用时间；

步骤5、结合开关序列与采样的相电流，给出直流侧电流的表达式；

步骤6、计算直流侧电容电流纹波在一个控制周期内的有效值；

步骤7、选取电流纹波有效值最小的序列，作为两台逆变器的驱动信号。

而且，所述步骤1的具体步骤包括：

(1)将这两台两电平逆变器等效成一个三电平输出的电压源逆变器，等效的三电平变换器共有8*8＝64个电压矢量；根据矢量的长度，可以被分为6个大矢量，12个中矢量，36个小矢量和10个零矢量；

(2)这些矢量将平面划分成6个大扇区，每个大扇区内又包含6个小扇区。

而且，所述步骤2的具体方法为：采样两台逆变器的输出电流，第一台逆变器的输出为i_a1,i_b1,i_c1,第二台逆变器的输出为i_a2,i_b2,i_c2。

而且，所述步骤3的具体步骤包括：

(1)设参考电压矢量在α轴的分量为U_α，在β轴的分量为U_β。根据U_α与U_β的符号与大小关系，计算出参考电压矢量所在的大扇区号与小扇区编号；

(2)根据扇区编号，给出可能的3种脉冲序列。

而且，所述步骤4的具体方法为：

针对各个序列，计算各电压矢量的作用时间。每个序列中都是使用来自三个顶点的电压矢量对参考电压矢量进行合成，根据伏秒平衡原理，各个位置的矢量作用时间可以表示为：

式(1)中，U_α U_β是参考电压矢量，V_1α V_2α V_3α是选用的三个电压矢量在α轴上的分量,V_1β V_2β V_3β是这三个电压矢量在β轴上的分量,t₁ t₂ t₃为分别为这三个电压矢量的作用时间,T_s是控制周期。

而且，所述步骤5的计算公式为：

结合所选取的电压矢量以及步骤2中的采样值，对直流侧的电流进行分段表示，每个序列中都包含9段，每一个小段内的直流侧电容电流可以表示为：

I_dc＝i_a1S_A1+i_b1S_B1+i_c1S_C1+i_a2S_A2+i_b2S_B2+i_c2S_C2 (2)

而且，所述步骤6的具体方法为：

有效值的计算需要分段进行，电流的有效值为

式(3)中，T_s1为第一段序列持续的时间，I_m1,I_m2分别为直流侧电流在这个区间内开始时与结束时的值；

直流侧电流在整个T_s周期内的有效值为

其中T_s1到T_s9为这9个小段的作用时间，I_dcrms1到I_dcrms9为这9个小段中对应的电流有效值。

而且，所述步骤7的具体方法为：

重复步骤6中的计算，直至计算出这三个脉冲序列所对应的电流纹波有效值。从三个脉冲序列中选取对应有效值最小的脉冲序列作为输出，施加给两台逆变器。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明的步骤1中将两台并联的两电平逆变器等效成一台三电平逆变器，多电平输出能力有利于提高交流侧电流的质量。本发明中的开关序列在线选择充分利用了冗余矢量，发挥出了并联变换器的优势。

2、本发明的步骤6和步骤7中对开关序列的选择属于在线实时优化，在每个控制周期内都会结合进行纹波的估算并选择电流纹波最小的开关序列，因此在任何功率因数下都能实现对电容电流纹波的抑制。与传统的离线优化算法相比，本发明中的算法能更好地适应不同的工况，因此更具有实际应用价值。

3、本发明无需增加任何系统外设，并且算法简单，易于实现。对直流侧电容电流纹波的抑制效果明显，有利于增加电容的使用寿命并提高系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明的两台共直流母线的并联逆变器结构示意图；

图2为本发明的等效电压矢量对应的开关状态组合图；

图3为本发明的等效三电平变换器的电压矢量分布图；

图4为本发明的PWM调制的大扇区划分示意图；

图5为本发明的第一个大扇区内的小扇区划分示意图；

图6(a)-图6(c)为本发明的扇区I-(1)内对应的四种可能的开关序列图(序列1-序列3)；

图7为本发明的算法流程图；

图8为本发明的直流侧电流和传统算法中的直流侧电流对比图。

图9为本发明的负载侧电流图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种减小并联逆变器直流侧电容电流纹波的调制方法，包括以下步骤：

步骤1、将两台两电平逆变器等效成一台三电平逆变器，并根据等效矢量的分布进行大扇区与小扇区的划分；

所述步骤1的具体方法为：

如图1所示，这两台两电平逆变器有着相同的直流母线，交流侧通过电感并联在一起。将这两台逆变器视为一个整体，将其等效成一个三电平输出的电压源逆变器。由于单台两电平逆变器有8个电压矢量，因此等效的三电平变换器共有8*8＝64个电压矢量。图2给出了这64个电压矢量对应的开关状态。这64个电压矢量在空间中的分布如图3所示。根据矢量的长度，这些矢量可以被分为6个大矢量，12个中矢量，36个小矢量和10个零矢量。这些矢量将平面划分成6个大扇区，每个大扇区内又包含6个小扇区。图4给出了大扇区I到大扇区VI的划分依据。而每个大扇区又可以被划分称6个小扇区。以大扇区I为例，图5中给出了小扇区[1]至小扇区[6]的位置。其他五个大扇区中的小扇区划分可以按照相同的方式得到。

步骤2、采样两台逆变器的输出相电流；

所述步骤2的具体方法为：采样两台逆变器的输出电流，第一台逆变器的输出为i_a1,i_b1,i_c1,第二台逆变器的输出为i_a2,i_b2,i_c2。

步骤3、结合给定的参考电压矢量，计算参考电压矢量所在的扇区号，并选择对应的三个电压矢量序列；

所述步骤3的具体步骤包括：

(1)设参考电压矢量在α轴的分量为U_α，在β轴的分量为U_β。根据U_α与U_β的符号与大小关系，计算出参考电压矢量所在的大扇区号与小扇区编号。其中大扇区的编号为I到VI，小扇区的编号为[1]-[6].

(2)根据扇区编号，给出可能的3种脉冲序列。以扇区I-[1]为例，图6中给出了这3种可能的开关序列。如图6所示，脉冲序列为‘九段式’。为了便于实际应用，脉冲序列左右对称，并且每个桥臂在一个开关周期最多只允许切换一次。

步骤4、计算在各个序列中，各个电压矢量的作用时间；

所述步骤4的具体方法为：

针对各个序列，计算各电压矢量的作用时间。每个序列中都是使用来自三个顶点的电压矢量对参考电压矢量进行合成，根据伏秒平衡原理，各个位置的矢量作用时间可以表示为：

式(1)中，U_α U_β是参考电压矢量，V_1α V_2α V_3α是选用的三个电压矢量在α轴上的分量,V_1β V_2β V_3β是这三个电压矢量在β轴上的分量,t₁ t₂ t₃为分别为这三个电压矢量的作用时间,T_s是控制周期。

步骤5、结合开关序列与采样的相电流，给出直流侧电流的表达式；

所述步骤5的计算公式为：

结合所选取的电压矢量以及步骤2中的采样值，对直流侧的电流进行分段表示，每个序列中都包含9段，每一个小段内的直流侧电容电流可以表示为：

I_dc＝i_a1S_A1+i_b1S_B1+i_c1S_C1+i_a2S_A2+i_b2S_B2+i_c2S_C2 (2)

步骤6、计算直流侧电容电流纹波在一个控制周期内的有效值；

所述步骤6的具体方法为：

有效值的计算需要分段进行，以第一小段为例，电流的有效值为

式(3)中，T_s1为第一段序列持续的时间，I_m1,I_m2分别为直流侧电流在这个区间内开始时与结束时的值。同理可以计算出其他八段所对应的电流有效值。

直流侧电流在整个T_s周期内的有效值为

其中T_s1到T_s9为这9个小段的作用时间，I_dcrms1到I_dcrms9为这9个小段中对应的电流有效值。

步骤7、选取电流纹波有效值最小的序列，作为两台逆变器的驱动信号。

所述步骤7的具体方法为：

重复步骤6中的计算，直至计算出这三个脉冲序列所对应的电流纹波有效值。从三个脉冲序列中选取对应有效值最小的脉冲序列作为输出，施加给两台逆变器。

在本实施例中，图8给出了本发明中的直流侧电流和传统算法中的直流侧电流。在本发明算法中，电流的纹波得到了有效抑制，没有出现电流为零或极性改变的情况。图9中给出了负载侧的三相电流。由图9可知，本发明中的方法并没有影响交流测输出电流的质量，电流的正弦度良好。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种减小并联逆变器直流侧电容电流纹波的调制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、将两台两电平逆变器等效成一台三电平逆变器，并根据等效矢量的分布进行大扇区与小扇区的划分；

步骤2、采样两台逆变器的输出相电流；

步骤3、结合给定的参考电压矢量，计算参考电压矢量所在的扇区号，并选择对应的三个电压矢量序列；

步骤4、计算在各个序列中，各个电压矢量的作用时间；

步骤5、结合开关序列与采样的相电流，给出直流侧电流的表达式；

步骤6、计算直流侧电容电流纹波在一个控制周期内的有效值；

步骤7、选取电流纹波有效值最小的序列，作为两台逆变器的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的一种减小并联逆变器直流侧电容电流纹波的调制方法，其特征在于：所述步骤1的具体步骤包括：

(1)将这两台两电平逆变器等效成一个三电平输出的电压源逆变器，等效的三电平变换器共有8*8＝64个电压矢量；根据矢量的长度，可以被分为6个大矢量，12个中矢量，36个小矢量和10个零矢量；

(2)这些矢量将平面划分成6个大扇区，每个大扇区内又包含6个小扇区。

3.根据权利要求1所述的一种减小并联逆变器直流侧电容电流纹波的调制方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：采样两台逆变器的输出电流，第一台逆变器的输出为i_a1,i_b1,i_c1,第二台逆变器的输出为i_a2,i_b2,i_c2。

4.根据权利要求1所述的一种减小并联逆变器直流侧电容电流纹波的调制方法，其特征在于：所述步骤3的具体步骤包括：

(1)设参考电压矢量在α轴的分量为U_α，在β轴的分量为U_β。根据U_α与U_β的符号与大小关系，计算出参考电压矢量所在的大扇区号与小扇区编号；

(2)根据扇区编号，给出可能的3种脉冲序列。

5.根据权利要求1所述的一种减小并联逆变器直流侧电容电流纹波的调制方法，其特征在于：所述步骤4的具体方法为：

针对各个序列，计算各电压矢量的作用时间。每个序列中都是使用来自三个顶点的电压矢量对参考电压矢量进行合成，根据伏秒平衡原理，各个位置的矢量作用时间可以表示为：

式(1)中，U_αU_β是参考电压矢量，V_1αV_2αV_3α是选用的三个电压矢量在α轴上的分量,V_1βV_2βV_3β是这三个电压矢量在β轴上的分量,t₁ t₂ t₃为分别为这三个电压矢量的作用时间,T_s是控制周期。

6.根据权利要求1所述的一种减小并联逆变器直流侧电容电流纹波的调制方法，其特征在于：所述步骤5的计算公式为：

结合所选取的电压矢量以及步骤2中的采样值，对直流侧的电流进行分段表示，每个序列中都包含9段，每一个小段内的直流侧电容电流可以表示为：

I_dc＝i_a1S_A1+i_b1S_B1+i_c1S_C1+i_a2S_A2+i_b2S_B2+i_c2S_C2 (2)

7.根据权利要求1所述的一种减小并联逆变器直流侧电容电流纹波的调制方法，其特征在于：所述步骤6的具体方法为：

有效值的计算需要分段进行，电流的有效值为

式(3)中，T_s1为第一段序列持续的时间，I_m1,I_m2分别为直流侧电流在这个区间内开始时与结束时的值；

直流侧电流在整个T_s周期内的有效值为

其中T_s1到T_s9为这9个小段的作用时间，I_dcrms1到I_dcrms9为这9个小段中对应的电流有效值。

8.根据权利要求1所述的一种减小并联逆变器直流侧电容电流纹波的调制方法，其特征在于：所述步骤7的具体方法为：

重复步骤6中的计算，直至计算出这三个脉冲序列所对应的电流纹波有效值。从三个脉冲序列中选取对应有效值最小的脉冲序列作为输出，施加给两台逆变器。

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