CN116073691B - WBG和Si器件混合的一体化电源的最优开关频率获取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了WBG和Si器件混合的一体化电源的最优开关频率获取方法，属于电源技术领域，首先，建立了WBG和Si器件混合的一体化电源开关频率与输出侧无源器件关联；其次，通过扫频法获得传递函数，建立开关频率与稳定性关键；接着，通过对基波和谐波电流进行全面的功率损耗分析和计算，建立开关频率与效率的关联；然后，通过对拓扑混合并联一体化电源THD进行数据分析，建立开关频率与输出电流THD的关联；最后，根据各指标需求，建立多输入多输出多目标优化函数，对WBG和Si器件混合的一体化电源开关频率进行优化，为WBG和Si器件混合的一体化电源提供一种最优开关频率获取方法。

Description

WBG和Si器件混合的一体化电源的最优开关频率获取方法
技术领域
本发明涉及电源技术领域，具体是WBG和Si器件混合的一体化电源的最优开关频率获取方法。
背景技术
逆变电源作为岸电电源系统电能转换和系统控制的核心组成部分，决定着岸电电源系统的稳定、可靠、高效运行，因此研究大功率、高性能、高性价比的一体化电源迫在眉睫。为克服基于单一器件逆变电源的局限性，使用小容量WBG逆变器与大容量的Si器件逆变器并联组成的逆变电源拓扑被广泛关注，其特点是综合了WBG逆变电源低损耗、高开关频率、高谐波抑制能力等优势与Si逆变电源装置的大容量、低成本优势，不仅可以提高系统冗余能力以及电能质量，还具有易于拓展和成本较低等优势。
事实上， WBG和Si器件混合的一体化电源结构的耦合复杂性导致开关频率的选取缺乏有效手段；需要寻求新的有源滤波装置来实现电网中混合电能的有效治理。研究分析不同开关频率对电混合并联一体化电源效率和输出电能质量的影响，为拓扑混合并联一体化电源选择最优的开关频率。
发明内容
本发明的目的在于提供WBG和Si器件混合的一体化电源的最优开关频率获取方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种WBG和Si器件混合的一体化电源，由并联的WBG逆变器和Si逆变器组成。其中，WBG逆变器和Si逆变器直流输入侧并联，共用同一个直流电容；WBG逆变器和Si逆变器交流输出侧滤波电感分开接入进行输出并联，输出并联后接同一滤波电容；
所述WBG逆变器的电压等级与Si逆变器相同，Si逆变器的额定电流大于WBG逆变器的额定电流；WBG逆变器输出额定电流的同时，对Si逆变器输出谐波电流进行抑制。
作为本发明的进一步方案,在WBG和Si器件混合的一体化电源中，WBG为SiCMOSFET为例，Si以Si IGBT为例。
作为本发明的进一步方案，当开关频率越高，电压谐波成份越少，这样电流谐波含量也低，同时对应所需的无源滤波参数大小也将减小。建立输出侧电感及电容参数值与开关频率大小关联。根据开关频率选取无源器件。
作为本发明的进一步方案，首先通过考虑电感取值对无功特性的影响，得到SiCMOSFET逆变器或Si IGBT逆变器输出侧电感值与开关频率的关系式，然后由截止频率得出，SiC MOSFET和Si IGBT逆变器输出侧电容与开关频率的关系式。
作为本发明的进一步方案，大容量低开关频率Si IGBT逆变器以防止混合并联结构开关损耗的增大及降低成本，小容量高开关频率SiC MOSFET逆变器以提高混合并联结构的功率密度。Si IGBT逆变器的额定电流与SiC MOSFET逆变器的额定电流比值为A(A>1)，A为固定比值。
WBG和Si器件混合的一体化电源的最优开关频率获取方法，包括如下步骤：
S01：建立开关频率与系统稳定性的函数关系式；具体包括：
S011：SiC MOSFET逆变器或Si IGBT逆变器输出侧电感、电容与开关频率相关；
S012：通过正弦波扫频法获取带有开关频率参数的电路传递函数表达式，然后得到特征方程；
S013：随后解得特征根，通过根据特征根判定，建立开关频率与稳定性关联；
S02：建立SiC MOSFET与Si IGBT混合并联结构开关频率与效率的函数关系式；具体包括：
S021：获取SiC MOSFET与Si IGBT混合并联结构电路损耗，主要包括功率器件通态损耗和开关损耗。建立开关频率与损耗关联；
S022：随后将损耗表达式转化为效率表达式，得到开关频率与效率的关联；
S03：输出谐波失真THD为SiC MOSFET逆变器和Si IGBT逆变器总输出电流THD，建立开关频率与总输出电流THD的函数关系式；具体包括：
S031：通过改变SiC MOSFET与Si IGBT混合并联结构开关频率，进行多组实验得到对应的输出电流THD；
S032：随后通过函数拟合，建立开关频率与输出电流THD的关联；
S04：设定各指标权重系数，将权重系数代入代价函数中；
S05：建立多输入多输出多目标优化函数，以稳定性、效率和输出电流THD为选择开关频率的约束条件，输入设定指标，输出对应最优开关频率范围；
作为本发明的进一步方案，步骤S013获得的SiC MOSFET与Si IGBT混合并联结构的开关频率稳定下的范围：
Figure SMS_1
式中，/>
Figure SMS_2
为Si IGBT逆变器开关频率，/>
Figure SMS_3
为SiC MOSFET逆变器开关频率。/>
Figure SMS_4
、/>
Figure SMS_5
为Si IGBT逆变器开关频率的最小值和最大值。/>
Figure SMS_6
、/>
Figure SMS_7
为SiCMOSFET逆变器开关频率的最小值和最大值，开关频率在该范围内，稳定性得到满足。
作为本发明的进一步方案，步骤S022获得的SiC MOSFET与Si IGBT混合并联结构的开关频率与效率表达式：
Figure SMS_8
式中，/>
Figure SMS_9
、/>
Figure SMS_10
为效率系数值，A为Si IGBT逆变器的额定电流与SiC MOSFET逆变器的额定电流比值，/>
Figure SMS_11
为电流配置影响函数，通过实验拟合获得。
进一步的，步骤S032获得的SiC MOSFET与Si IGBT混合并联结构的开关频率与输出电流THD表达式：
Figure SMS_12
式中，/>
Figure SMS_13
为谐波系数值，/>
Figure SMS_14
为电流配置影响函数，通过实验拟合获得。
作为本发明的进一步方案，步骤S05获得的SiC MOSFET与Si IGBT混合并联结构的开关频率的多目标优化函数如下。该模型中要获得最大效率的同时获得最小的电流THD。通过对该模型求Pareto最优解获得最优开关频率：
Figure SMS_15
式中，且/>
Figure SMS_16
、/>
Figure SMS_17
的范围为输出稳定下的范围。该模型可经过变形，将效率最大和输出电流THD最小的要求改为指标要求输入的范围值，可增大开关频率的选择空间。同时可为指标设定权重系数，Pareto最优解应优先满足权重系数高的指标。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在保证混合并联一体化电源多性能指标符合条件的同时，为混合并联一体化电源拓扑提供了无源器件选型设计及最优开关频率选取策略。
附图说明
图1为本发明一实施例WBG和Si器件混合的一体化电源的结构图；
图2为本发明一实施例应用于WBG和Si器件混合的一体化电源的控制框图；
图3为本发明一实施例应用于WBG和Si器件混合的一体化电源的最优开关频率选取的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1-图3，WBG和Si器件混合的一体化电源，由并联的Si逆变器和WBG逆变器组成。其中，WBG逆变器和Si逆变器直流输入侧并联，共用同一个直流电容；WBG逆变器和Si逆变器交流输出侧滤波电感分开接入进行输出并联，输出并联后接同一滤波电容；WBG逆变器的电压等级与Si逆变器相同，Si逆变器的额定电流大于WBG逆变器的额定电流；WBG逆变器输出额定电流的同时，对Si逆变器输出谐波电流进行抑制。Si逆变器的额定电流与SiC逆变器的额定电流比值为A(A>1)，A为固定比值。
实施例2
在实施例1的基础上，WBG变流器采用SiC MOSFET变流器，Si变流器采用Si IGBT变流器，并且下文都以SiC MOSFET变流器和Si IGBT变流器为代表。此方法对同类变流器同样适用。
如图1所示，为SiC MOSFET与Si IGBT结构混合并联一体化电源的结构图。图1中，L1为Si IGBT逆变器输出侧滤波电感；L2为SiC MOSFET逆变器输出侧滤波电感；C为公共输出滤波电容。图1主要包括由大容量低开关频率Si IGBT逆变器（以单相逆变器为例）和小容量高开关频率SiC MOSFET逆变器并联组成的混合并联一体化电源及最优开关频率获取模块。大容量低开关频率Si IGBT逆变器以防止混合并联结构开关损耗的增大及降低成本，小容量高开关频率SiC MOSFET逆变器以提高混合并联结构的功率密度。当开关频率越高，电压谐波成份越少，这样电流谐波含量也低，同时对应所需的无源滤波参数大小也将减小。建立输出侧电感及电容参数值与开关频率大小关联。根据开关频率选取无源器件。针对该结构，Si IGBT逆变器低开关频率特性产生大量谐波电流，然后通过采样计算出这一时刻Si IGBT逆变器输出电流变化量，利用SiC MOSFET逆变器高开关频率特性输出基波电流的同时，产生对Si IGBT逆变器输出电流变化抑制的电流，从而实现谐波电流的抑制功能；针对SiCMOSFET与Si IGBT结构混合并联一体化电源建立多输入多输出多目标优化函数，针对特定指标要求确定SiC MOSFET逆变器与Si IGBT逆变器各自的开关频率，为开关频率的选取提供方法。
实施例3
在实施例1和2的基础上，本发明还提供了该一体化电源的最优开关频率获取方法，具体包括：
S01：建立开关频率与系统稳定性的函数关系式；具体包括：
S011：SiC MOSFET和Si IGBT逆变器输出侧电感、电容与开关频率相关；针对SiCMOSFET和Si IGBT逆变器结构混合并联一体化电源建立输出侧电感及电容参数值与开关频率大小关联。根据开关频率选取无源器件。首先通过考虑电感取值对无功特性的影响，得到Si IGBT逆变器或SiC MOSFET逆变器输出侧电感值与开关频率的关系式：
Figure SMS_19
式中，/>
Figure SMS_21
代表Si IGBT逆变器输出侧电感；/>
Figure SMS_22
代表SiC MOSFET逆变器输出侧电感；/>
Figure SMS_23
代表Si IGBT逆变器与SiC MOSFET逆变器并联后输出电压；/>
Figure SMS_24
代表Si IGBT逆变器输出电流；/>
Figure SMS_25
代表SiC MOSFET逆变器输出电流；/>
Figure SMS_26
代表基波频率；/>
Figure SMS_18
代表Si IGBT逆变器开关频率；/>
Figure SMS_20
代表SiC MOSFET逆变器开关频率；然后由截止频率得出，Si IGBT逆变器和SiC MOSFET逆变器输出侧电容与开关频率的关系式：
Figure SMS_27
S012：通过获取带有两个不同开关频率参数的电路传递函数表达式，然后得到特征方程；
如图2所示，为SiC MOSFET和Si IGBT逆变器器件混合的一体化电源的控制框图。通过改变A（0.5<A<1）值大小来实现电流分配。为了抑制Si IGBT逆变器产生的谐波电流，求得一个SiC MOSFET逆变器开关周期内的Si IGBT逆变器电流变化量，将该变化量的负值输入到SiC MOSFET逆变器电流控制部分实现谐波电流的抑制。该控制电路具有复杂耦合性，L1、L2、C的取值与
Figure SMS_28
、/>
Figure SMS_29
相关。可通过计算或仿真软件Tina等获得带有/>
Figure SMS_30
、/>
Figure SMS_31
的闭环传递函数：
Figure SMS_32
S013：随后解得特征根，通过根据特征根判定，建立开关频率与稳定性关联，获得的SiC MOSFET和Si IGBT逆变器混合并联结构的开关频率与稳定性关联：
Figure SMS_33
式中，/>
Figure SMS_34
为Si IGBT逆变器开关频率，/>
Figure SMS_35
为SiC MOSFET逆变器开关频率。/>
Figure SMS_36
、/>
Figure SMS_37
为Si IGBT逆变器开关频率的最小值和最大值。/>
Figure SMS_38
、/>
Figure SMS_39
为SiC MOSFET逆变器开关频率的最小值和最大值，开关频率在该范围内，稳定性得到满足。
S02：建立SiC MOSFET和Si IGBT混合并联结构开关频率与效率的函数关系式；具体包括：
S021：计算SiC MOSFET和Si IGBT混合并联结构电路损耗，主要包括功率器件通态损耗和开关损耗。建立开关频率与损耗关联；
S022：随后将损耗表达式转化为效率表达式，得到开关频率与效率的关联，获得的SiC MOSFET和Si IGBT混合并联结构的开关频率与效率表达式：
Figure SMS_40
式中，/>
Figure SMS_41
、/>
Figure SMS_42
为效率系数值,A为Si IGBT逆变器的额定电流与SiC MOSFET逆变器的额定电流比值， />
Figure SMS_43
为电流配置影响函数，通过实验拟合获得。
S03：输出谐波失真THD为SiC MOSFET逆变器和Si IGBT逆变器总输出电流THD，建立开关频率与总输出电流THD的函数关系式；具体包括：
S031：通过改变SiC MOSFET和Si IGBT混合并联结构开关频率，进行多组实验得到对应的输出电流THD；
S032：随后通过函数拟合，建立开关频率与输出电流THD的关联，获得的SiCMOSFET和Si IGBT混合并联结构的开关频率与输出电流THD表达式：
Figure SMS_44
式中，/>
Figure SMS_45
为谐波系数值，/>
Figure SMS_46
为电流配置影响函数，通过实验拟合获得。
S04：设定各指标权重系数，将权重系数代入代价函数中；
S05：建立多输入多输出多目标优化函数，以稳定性、效率和输出电流THD为选择开关频率的约束条件，输入设定指标，输出对应最优开关频率范围；获得的SiC MOSFET和SiIGBT混合并联结构的开关频率的多目标优化函数如下，该模型中要获得最大效率的同时获得最小的电流THD。通过对该模型求Pareto最优解获得最优开关频率：
Figure SMS_47
式中，且/>
Figure SMS_48
、/>
Figure SMS_49
的范围为输出稳定下的范围。该模型可经过变形，将效率最大和输出电流THD最小的要求改为指标要求输入的范围值，可增大开关频率的选择空间。同时可为指标设定权重系数，Pareto最优解应优先满足权重系数高的指标。
本发明公开了一种WBG和Si器件混合的一体化电源最优开关频率选取方法。通过开关频率设计输出侧滤波电感及电容参数值大小。最优开关频率为开关频率通过多目标优化函数进行选取，多目标优化函数包括开关频率与稳定性、效率和输出电能质量（THD）的关联函数。本发明在保证混合并联一体化电源多性能指标符合条件的同时，为混合并联一体化电源拓扑提供了无源器件选型设计及最优开关频率选取策略。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种WBG和Si器件混合的一体化电源的最优开关频率获取方法，其特征在于，WBG具体为SiC MOSFET，Si具体为Si IGBT，包括如下步骤：
S01：建立开关频率与系统稳定性的函数关系式，具体包括：
S011：首先通过考虑电感取值对无功特性的影响，得到Si IGBT逆变器或SiC MOSFET逆变器输出侧电感值与开关频率的关系式：
Figure QLYQS_2
式中，/>
Figure QLYQS_4
代表Si IGBT逆变器输出侧电感；/>
Figure QLYQS_6
代表SiC MOSFET逆变器输出侧电感；/>
Figure QLYQS_7
代表Si IGBT逆变器与SiCMOSFET逆变器并联后输出电压；/>
Figure QLYQS_8
代表Si IGBT逆变器输出电流；/>
Figure QLYQS_9
代表SiC MOSFET逆变器输出电流；/>
Figure QLYQS_10
代表基波频率；/>
Figure QLYQS_1
代表Si IGBT逆变器开关频率；/>
Figure QLYQS_3
代表SiC MOSFET逆变器开关频率；然后由截止频率得出，Si IGBT逆变器和SiC MOSFET逆变器输出侧电容与开关频率的关系式：/>
Figure QLYQS_5
；
S012：其次，通过获取带有不同开关频率参数的电路传递函数表达式，然后得到特征方程；
S013：随后解得特征根，通过根据特征根判定，建立开关频率与稳定性关联；
S02：建立SiC MOSFET与Si IGBT混合并联结构开关频率与效率的函数关系式，具体包括：
S021：获取SiC MOSFET与Si IGBT混合并联结构电路损耗数据，包括功率器件通态损耗和开关损耗，建立开关频率与损耗关系；
S022：随后将损耗表达式转化为效率表达式，得到开关频率与效率的关联；
S03：输出谐波失真THD为SiC MOSFET逆变器和Si IGBT总输出电流THD，建立开关频率与总输出电流THD的函数关系式；具体包括：
S031：通过改变SiC MOSFET与Si IGBT混合并联结构开关频率，进行多组实验得到对应的输出电流THD；
S032：随后通过函数拟合，建立开关频率与输出电流THD的关系；
S04：设定各指标权重系数，将权重系数代入代价函数中；
S05：建立多输入多输出多目标优化函数，以稳定性、效率和输出电流THD为选择开关频率的约束条件，输入设定指标，输出对应最优开关频率范围。
2.根据权利要求1所述的一种WBG和Si器件混合的一体化电源的最优开关频率获取方法，其特征在于，步骤S013获得的SiC MOSFET与Si IGBT混合并联结构的开关频率稳定下的范围：
Figure QLYQS_11
式中，/>
Figure QLYQS_12
为Si IGBT逆变器开关频率，/>
Figure QLYQS_13
为SiC MOSFET逆变器开关频率，/>
Figure QLYQS_14
、/>
Figure QLYQS_15
为Si IGBT逆变器开关频率的最小值和最大值，/>
Figure QLYQS_16
、/>
Figure QLYQS_17
为SiCMOSFET逆变器开关频率的最小值和最大值。
3.根据权利要求1所述的一种WBG和Si器件混合的一体化电源的最优开关频率获取方法，其特征在于，步骤S022获得的SiC MOSFET与Si IGBT混合并联结构的开关频率与效率表达式：
Figure QLYQS_18
式中，/>
Figure QLYQS_19
为Si IGBT逆变器开关频率，/>
Figure QLYQS_20
为SiCMOSFET逆变器开关频率，a 1、a 2为效率系数值，A为Si IGBT逆变器的额定电流与SiC MOSFET逆变器的额定电流比值，λ(A)为电流配置影响函数，通过实验拟合获得。
4.根据权利要求1所述的一种WBG和Si器件混合的一体化电源的最优开关频率获取方法，其特征在于，步骤S032获得的SiC MOSFET与Si IGBT混合并联结构的开关频率与输出电流THD表达式：
Figure QLYQS_21
式中，/>
Figure QLYQS_22
为Si IGBT逆变器开关频率，
Figure QLYQS_23
为SiC MOSFET逆变器开关频率，bi为谐波系数值，f(A)为电流配置影响函数，通过实验拟合获得。
5.根据权利要求1所述的一种WBG和Si器件混合的一体化电源的最优开关频率获取方法，其特征在于，步骤S05获得的SiC MOSFET与Si IGBT混合并联结构的开关频率的多目标优化函数如下：
Figure QLYQS_24
该模型中要获得最大效率的同时获得最小的电流THD，通过对该模型求Pareto最优解获得最优开关频率，式中，/>
Figure QLYQS_25
为Si IGBT逆变器开关频率，/>
Figure QLYQS_26
为SiC MOSFET逆变器开关频率，且/>
Figure QLYQS_27
、/>
Figure QLYQS_28
的范围为输出稳定下的范围，该模型可经过变形，将效率最大和输出电流THD最小的要求改为指标要求输入的范围值，可增大开关频率的选择空间，同时可为指标设定权重系数，Pareto最优解应优先满足权重系数高的指标。
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