CN116707282A - 一种支撑电容纹波电流有效值获取方法、设备及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种支撑电容纹波电流有效值获取方法、设备及存储介质，属于逆变器设计领域，对逆变器输出电压和逆变器各相上管开关函数进行二重傅里叶分解，得到逆变器输出电压与各相上管开关函数的频谱；将所述逆变器输出电压的频谱中的基波分量和谐波分量分别带入负载的基波和谐波电机电压方程，求解各相负载相电流的频谱；由各相负载相电流的频谱与各相上管开关函数的频谱的卷积的和计算直流链路电流；去除直流成分，得到电容纹波电流的频谱。本发明提出一种考虑交流输出谐波的支撑电容纹波电流有效值获取方法，在频域下对逆变器上管开关函数和输出电流进行分析，可以精确地求解出支撑电容纹波电流的频谱和有效值，为电容设计提供更为可靠的结果。

Description

一种支撑电容纹波电流有效值获取方法、设备及存储介质
技术领域
本发明属于逆变器设计领域，更具体地，是一种支撑电容纹波电流有效值获取方法、设备及存储介质。
背景技术
支撑电容是逆变器中一个很重要的器件，它具有稳定输入电压、使直流电源与逆变器解耦、减小电压尖峰等作用。逆变器的体积、重量和寿命往往都受制于支撑电容。对逆变器直流支撑电容的设计主要包括容值、耐压、额定电流等。额定电流决定了电容可承受的损耗，很大程度上决定了电容的体积与重量，因此电容纹波电流有效值是电容设计的核心约束参数以及电容是否能够稳定长期运行的决定性条件。
传统的支撑电容的纹波电流有效值计算模型认为逆变器输出电流为理想正弦波，忽略了逆变器输出电流的高频谐波分量。然而在高速电机控制等工况中，由于高速电机驱动的低电感及低载波比特性，逆变器输出电流往往包含许多载波相关次谐波分量，并非理想正弦波。
对于该工况，传统的支撑电容的纹波电流计算方法不再适用于类似系统。此时由传统方法计算的纹波电流有效值会小于实际值，导致出现严重的计算误差，若照此计算结果设计电容会对电容的寿命与安全性造成严重的损害。因此，迫切需要一种全新的方法完善输出电流谐波含量高的工况下的逆变器支撑电容设计。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种逆变器交流输出电流谐波含量高时的支撑电容纹波电流获取方法，旨在解决逆变器交流输出电流谐波含量高时，常规的支撑电容纹波电流计算方法不适用的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种支撑电容纹波电流有效值获取方法，可实现对支撑电容纹波电流有效值精确的计算。其基本思路为：
对频域下的逆变器输出电流进行分析，结合逆变器开关函数，计算出直流链路电流频谱。通过直流链路电流可以计算出纹波电流的频谱与有效值。
基于上述思路，本发明所提出的考虑交流输出谐波的支撑电容纹波电流有效值获取方法包括：
(1)逆变器输出电压是逆变器输出侧到逆变器中性点O的电压。开关函数表示逆变器开关管开通关断状态，其值为1表示开通，值为0时表示关断。求解SVPWM调制下逆变器开关管的状态切换点便可以得到逆变器输出电压和开关函数的波形。对逆变器输出电压和逆变器各相上管开关函数进行二重傅里叶分解，可以得到逆变器输出电压与各相上管开关函数的频谱。
(2)将输出电压的频谱中的基波分量和谐波分量分别带入负载的基波和谐波电机电压方程，可求解各相负载相电流的频谱。
(3)由各相负载相电流的频谱与各相上管开关函数的频谱可以计算直流链路电流。各相相电流与各相上管开关函数的乘积等于直流链路电流iinv。时域函数的乘积等于频域的卷积，因此直流链路电流iinv的频谱可表达为各相上管开关函数频谱与各相相电流频谱的卷积的和。
(4)对直流链路电流中的高频分量而言，直流母线的阻抗远大于电容阻抗。因此，可以认为直流链路中的载波次及其边带谐波全部由电容提供。换言之，去除直流成分的直流链路电流频谱即为电容纹波电流的频谱。
本发明提出了一种考虑交流输出谐波的支撑电容纹波电流有效值获取方法。通过对逆变器输出电压、开关函数和输出电流进行双重傅里叶分析及卷积处理，可以解析确定逆变器支撑电容纹波电流频谱，从而精确地计算逆变器中支撑电容纹波电流。
进一步地，在三相电压输出对称情况下，求解另外两相输出电压与开关函数的频谱为在第一相的输出电压与开关函数的频谱的基础上叠加±120°乘以调制波阶次的相移。
进一步地，直流链路电流表示为：
其中，Cinv,mn，CI,ij，CS,mn分别是直流链路电流、逆变器输出电流以及逆变器上管开关函数的傅里叶级数，m表示载波阶次，n表示调制波阶次，N为载波比。
进一步地，电容纹波有效值可表示为：
其中，Ic,rms为电容纹波有效值。
本发明还提供了一种支撑电容纹波电流有效值获取设备，包括：存储器和处理器；
所述存储器用于存储计算机程序；
所述处理器用于读取所述计算机程序并在执行所述计算机程序时实现如上述的支撑电容纹波电流有效值获取方法。
本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现上述的支撑电容纹波电流有效值获取方法步骤。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下
有益效果：
(1)在逆变器交流输出电流谐波含量高的情况下，由于传统的纹波电流计算方法认为逆变器输出电流为理想正弦波，导致计算的纹波电流有效值小于实际值，照此计算结果设计电容会对电容的安全性与寿命造成严重的损害。相比于传统方法，本发明提出一种考虑交流输出谐波的支撑电容纹波电流有效值获取方法，该方法大大提高了对直流母线支撑电容纹波电流的计算精度，使面向高速电机等应用场合的逆变器支撑电容设计更为可靠安全。
(2)本发明适用范围广，对于任意负载，任意输出电流谐波含量的工况都可以对支撑电容纹波电流有效值进行精确的计算，为各类系统的逆变器提供了一种普适性的获取支撑电容纹波电流方法。
附图说明
图1是逆变器支撑电容纹波电流获取方法的流程图；
图2是三相两电平逆变器与三相电机系统的拓扑结构示意图；
图3是由仿真得到的和本文所提出的方法计算得到不同调制比下的主要阶次纹波电流幅值图；
图4是由传统方法、本文所提出的获取方法和仿真得到的不同调制比下的电容纹波电流的有效值对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例以三相电机系统为例，提供了一种考虑交流输出谐波的支撑电容纹波电流有效值获取方法，其流程图如图1所示，具体包括：
图2为一般三相逆变器与三相电机系统的拓扑结构图，其母线电压为Vdc，中性点为O。定义直流母线经支撑电容输入逆变器的电流为直流链路电流ip。电机忽略相间互感情况下定义相电感为L，其三相中性点为Oˊ。逆变器开关频率为fc，角频率为ωc。电机基波频率为fs，角频率为ωs，定义载波比N＝fc/fs。
以计算A相的逆变器输出电压为例。调制比为M(M∈(0,1))时，扇区Ⅰ内的参考电压UM,Ι为：
结合逆变器载波信号，可以得到参考电压在扇区Ⅰ内时，逆变器的输出电压表达式UAO,Ι：
其中，Y＝ωs/ωc×kπ，X＝ωct，k∈{0,1,2,3……}。
当参考电压位于其他扇区时，逆变器输出电压可以表达成相似的式子。将6个扇区的输出电压累加，即可得到一个基波周期内，调制比一定时的逆变器输出电压UAO。
步骤1：对UAO进行二重傅里叶分解，可以将UAO表示为：
其中，m表示载波阶次，n表示调制波阶次，m为正整数，n为整数。上式中第二项称为载波边带谐波，可称为m阶载波频率n阶基波频率的谐波。CU,mn可表达为一个与m、n、M相关的式子，即：
其中F(n,mM)为：
where
与求解输出电压的频谱类似，各相上管开关函数在输出电压正半周开关函数值为1，表示开关管开通。输出电压负半周开关函数值为0，表示开关管关断。可求解出A相开关函数的频谱，如下式所示。
以上分别求解了A相的输出电压与开关函数的频谱。在电机中，假设ABC三相电压输出对称情况下求解另外两相输出电压与开关函数的频谱只需要在A相的输出电压与开关函数的频谱的基础上叠加±120°乘以调制波阶次的相移即可。
步骤2：计算电机相电流需要电机相电压，其等于逆变器输出电压减去逆变器中性点O与电机中心点O′的电势差。逆变器中性点O与电机中心点O′的电势差为：
对上式两边同时进行傅里叶变换，可以根据逆变器输出电压频谱求出UOO′的频谱UOO′(ω)。设x(x＝A,B,C)相逆变器输出电压的频谱为Ux(ω)，反电势为Ef(x)。将其代入电机电压方程。x相电流频谱Ix(ω)可表示为：
因此，输出电流的傅里叶级数CI,mn可表示为：
步骤3：设x(x＝A,B,C)相上管开关函数为sx，其频谱为Sx(ω)。由图2可知，当某一相上管开关管开通时，直流链路电流会与该相电机绕组形成通路，为该相提供电流。因此，直流链路电流等于三相电流与开关函数乘积的和。
iinv＝saia+sbib+scic
对上式两边同时做傅里叶变换，可以得到下式，其中Iinv(ω)为直流链路电流的频谱。
Iinv(ω)＝Sa(ω)*Ia(ω)+Sb(ω)*Ib(ω)+Sc(ω)*Ic(ω)
卷积具有分配性，因此A相开关函数频谱与A相电流频谱可以展开为开关函数频谱与相电流各个频率分量的卷积的和。开关函数频谱与m阶载波频率n阶基波频率的相电流频率分量做卷积的结果等于下式：
该式表明，相电流中的任意一个频率成分对直流链路电流贡献是每一相桥臂上管的开关函数频谱做±(mN+n)ωs频移后的叠加。
因此，直流链路电流的频谱Cinv,mn可以表达为：
步骤4：直流链路电流中除直流外，只存在fc±3fs，fc±9fs，2fc，2fc±6fs等谐波分量。一般认为，对直流链路电流中的高频分量而言，直流母线的阻抗远大于电容阻抗，直流母线电流中仅包含直流分量，直流链路电流中的所有交流成分均由电容提供。因此，电容纹波有效值Ic,rms可表示为：
为更好的展示这种设计方法优点，在母线电压600V，三相电机相电感L＝19uH，电机为6对极，转速范围为0-15000rpm，开关频率20kHz的情况时进行了电容纹波电流频域和有效值的计算。
图3展示了基波电流幅值为200A时，电容纹波电流各阶次频率分量随调制比的变化曲线，图中实线部分为本发明提出的方法的计算结果，虚线部分为仿真结果。并与仿真值进行了比较，两者基本吻合，最大绝对误差为4.53A，仅占基波幅值的2.27％。
图4展示了电容纹波电流有效值随调制比的变化趋势，并与通过传统方法所计算的电容纹波电流有效值进行对比。本发明所提出的方法与仿真基本吻合。传统方法所计算得到的纹波电流有效值与仿真相比在载波比较低的时候差距较小，但随调制比的升高相电流谐波含量增加，导致传统方法的计算结果小于仿真结果，最大差距达29.8A，这说明传统的计算方法已不再适用于高速电机逆变器的电容纹波电流计算。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种支撑电容纹波电流有效值获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对逆变器输出电压和逆变器各相上管开关函数进行二重傅里叶分解，得到逆变器输出电压与各相上管开关函数的频谱；
(2)将所述逆变器输出电压的频谱中的基波分量和谐波分量分别带入负载的基波和谐波电机电压方程，求解各相负载相电流的频谱；
(3)由各相负载相电流的频谱与各相上管开关函数的频谱的卷积的和计算直流链路电流；
(4)去除所述直流链路电流中的直流成分，得到的直流链路电流频谱即为电容纹波电流的频谱，从而得到电容纹波电流有效值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，逆变器输出电压是逆变器输出侧到逆变器中性点O的电压。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，开关函数表示逆变器开关管开通关断状态，其值为1表示开通，值为0时表示关断；求解SVPWM调制下逆变器开关管的状态切换点得到逆变器输出电压和开关函数的波形。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在三相电压输出对称情况下，求解另外两相输出电压与开关函数的频谱为在第一相的输出电压与开关函数的频谱的基础上叠加±120°乘以调制波阶次的相移。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，直流链路电流表示为：
其中，Cinv,mn，CI,ij，CS,mn分别是直流链路电流、逆变器输出电流以及逆变器上管开关函数的傅里叶级数，m表示载波阶次，n表示调制波阶次，N为载波比。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，电容纹波有效值表示为：
其中，Ic,rms为电容纹波有效值。
7.一种支撑电容纹波电流有效值获取设备，其特征在于，包括：存储器和处理器；
所述存储器用于存储计算机程序；
所述处理器用于读取所述计算机程序并在执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述的支撑电容纹波电流有效值获取方法。
8.一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至6中任一项所述的支撑电容纹波电流有效值获取方法步骤。
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