一种针对串联H桥型变频器电容电压波动抑制方法技术

本发明专利技术公开一种针对串联H桥型变频器电容电压波动抑制方法，包括：计算整流器输入侧电流指令，并根据输入侧电流指令控制输入侧电流值使得输入功率与逆变侧基波电压和基波电流产生的功率对等；其中，整流器的输入功率等于电压源输入功率减去三个电感上的总瞬时功率。本发明专利技术定义下的子模块输入功率，不再是单纯的电压源输入功率，而且要计及三个电感上的总功率，两者之差为总输入功率。使之与逆变侧基波电压和基波电流产生的功率对等，才能实现电容电压纹波的最小化。本发明专利技术电压波动抑制策略，无需附加额外的元件以及传感器，仅通过算法的优化，在中压大功率异步电机的不同工况下均有良好的波动抑制效果。

【技术实现步骤摘要】
一种针对串联H桥型变频器电容电压波动抑制方法
本专利技术属于变频器
，特别涉及一种针对串联H桥型变频器电容电压波动抑制方法。
技术介绍
串联H桥多电平变换器(CascadedH-bridge,CHB)具有输出电压正弦度高、输出电平数多、模块化易于维护等优点，因此广泛应用于中压大功率电机拖动的场合。整个系统由多绕组降压变压器、三相共3n个子模块(每相n个)和三相异步电机组成。子模块包括三相PWM整流器作为输入端，电容器以及H桥逆变作为输出端完成交-直-交变换。每相子模块输出端串联，叠加产生单相总输出电压。由于子模块输入端和输出端瞬时功率不相等，因此功率差由电容吸收，造成电容上的电压波动，且这一波动随着转速降低而增大，对系统稳定性产生威胁。通过采用大电容，从而降低功率波动引起的电压波动，这种方法的问题是增加了设备成本以及设备体积，并且大容值的电解电容寿命短。采用额外的储能元件和开关器件，将电容上的功率波动转移至储能元件，带来的问题是增加额外费用，并且控制变得复杂。有研究提出功率前馈，将逆变侧输出端功率前馈至整流侧，其本质是在整流侧注入两种频率的电流，使得整流器电压源输入功率与逆变侧输出功率基本对等，从而减小输入输出端之间的功率差，电容上的功率波动和电压波动随之降低。缺点：输入侧引入了新的功率波动，导致电容上依然存在较大幅值的功率和电压波动。若能通过有效的电压纹波抑制方法，则可在满足相同电压波动允许指标的情况下，采用容值和体积更小、寿命更长的薄膜电容代替以往的电解电容，从而大大节约成本，降低设备体积，提升可靠性。
技术实现思路
针对CHB电机拖动系统中电容电压纹波大的问题，本专利技术提出一种针对串联H桥型变频器电容电压波动抑制方法，该方法不增加额外的元器件，重新在输入侧设计新的注入电流，使整流侧功率(将三个电感瞬时功率计入在内)与输出功率对等，而不引入新的功率波动，并且进一步设计了注入电流的简化生成环节，从而可以大大简化设计，达到降低子模块中的电容。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种针对串联H桥型变频器电容电压波动抑制方法，包括：计算整流器输入侧电流指令，并根据输入侧电流指令控制输入侧电流值使得输入功率与逆变侧基波电压和基波电流产生的功率对等；其中，整流器的输入功率等于电压源输入功率减去三个电感上的瞬时功率。作为本专利技术的进一步改进，所述串联H桥型变频器包括多绕组降压变压器、三相共3n个子模块和三相异步电机；所述子模块输入侧接到多绕组变压器的副边，每一相n个子模块，输出侧串联；三相H桥型变频器采用星形接法，一端接成中点，一端接三相异步电机；每个子模块依次包括前端可控整流桥、中间的电容器及后端H桥逆变电路。作为本专利技术的进一步改进，所述方法具体控制过程为：将功率前馈的d、q轴电流指令值和进行dq/abc变换，得到abc坐标系下三相输入电流Iin＝[iaibic]T＝I1+I2+I3(1)其中，I1I2为正序电流，I3为一组负序电流；Uo为子模块输出电压基波幅值，Io为输出电流幅值，ωs为电网侧角频率，ωo为子模块输出侧角频率；为电机功角通过计算得到电压源输入功率即电压源输入功率对等补偿了输出功率；施加在电容上面的功率为电压源输入功率ps减去三个电感上的瞬时功率pL减去输出功率po，pL计算公式如下：L为电感；三个电感的瞬时总功率pL计算结果为：输入功率为电源发出功率减电感瞬时功率，即pin＝ps-pL(8)作为本专利技术的进一步改进，所述输入侧电流指令获取方法如下：设输入电流包括两种正序和一种负序即：幅值、相位、频率等均为待求量；进一步得到输入功率为pin中一共含有6项，分别记为pin1，pin2......对比pin和po，得到输入电流中：将上述参数代入(12)，pin5为4倍频成分。由于po中不含有此频率成分，因此令I2为0，得到输入功率其中，对子模块而言，输出电压和电流基波分别为uo＝Uosin(ωot)(16)其中为子模块电压电流相位差，其等于电机功角，输出功率为了使得输入功率完全等于输出功率，有：化简得到其中，Umid和α为中间变量，其分别满足：对比式(18)与式(20)，得到因此，输入电流指令值各分量的幅值、相位均已确定，其包含的幅值、相位信息为式(13)(23)(24)；因控制均为dq坐标系下进行，将abc坐标系下的输入电流指令值其进行abc/dq变换，得到dq坐标系下的电流指令值其中，[id1iq1]T[id3iq3]T分别为(9)(11)坐标变换后的结果。作为本专利技术的进一步改进，所述输入侧电流指令进一步的优化计算过程如下：将输出电压uo与输出电流io相位增加90°，得到：uod＝Uosin(ωot+δ+90°)＝Uocos(ωot+δ)(26)进一步得到：因此，得到电流指令值各分量为iq1＝0(32)最终得到在dq坐标系下的电流指令为：在6kV、710kW电机、三相共15个子模块的电机驱动的场合下，所述电容器的电容值为100μF。本专利技术相比于现有技术，具有以下优点：本专利技术所定义的子模块输入功率，不再是单纯的电压源输入功率，而且要将三个电感上的总功率计入在内，两者之差为总输入功率。使之与逆变侧基波电压和基波电流产生的功率对等，才能实现电容电压纹波的最小化。基于以上思想，为了实现电感功率计入总输入功率情况下与输出功率对等抵消，设计输入电流，完成了输入电流的推导。并且针对输入电流计算所需参数多、计算复杂的问题，进一步提出了一种简化的电流计算方法，无需实时监测计算所需的各种参数，仅仅通过电机转子磁链定向(Fluxorientedcontrol)中已有信号进行简单的组合、计算，有利于本专利技术所提算法的工程实现。本专利技术电压波动抑制策略，无需附加额外的元件以及传感器，仅通过算法的优化，中压大功率异步电机的不同工况下均有良好的波动抑制效果。进一步，本专利技术可以解决基于CHB的中压大功率电机拖动系统在低速、大转矩情况下电容电压波动幅度大的问题，因此在同样的电压允许波动范围内(如稳态值的±5％以内)，可以采用更小的电容。以6KV、710kW电机、每相5个子模块的工况为例，如果要将全转速范围内的电压抑制在允许范围内，传统的功率前馈方法需要1mF的电解电容，而本专利技术提出的算法，可以将此电容降低为100μF，是以往方法使用电容容值的10％，可以使用寿命更长、体积更小的薄膜电容，大大缩小了总设备体积本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种针对串联H桥型变频器电容电压波动抑制方法，其特征在于，包括：/n计算整流器输入侧电流指令，并根据输入侧电流指令控制输入侧电流值使得输入功率与逆变侧基波电压和基波电流产生的功率对等；/n其中，整流器的输入功率等于电压源输入功率减去三个电感上的瞬时功率。/n

【技术特征摘要】
1.一种针对串联H桥型变频器电容电压波动抑制方法，其特征在于，包括：
计算整流器输入侧电流指令，并根据输入侧电流指令控制输入侧电流值使得输入功率与逆变侧基波电压和基波电流产生的功率对等；
其中，整流器的输入功率等于电压源输入功率减去三个电感上的瞬时功率。


2.根据权利要求1所述的针对串联H桥型变频器电容电压波动抑制方法，其特征在于，所述串联H桥型变频器包括多绕组降压变压器、三相共3n个子模块和三相异步电机；
所述子模块输入侧接到多绕组变压器的副边，每一相n个子模块，输出侧串联；三相H桥型变频器采用星形接法，一端接成中点，一端接三相异步电机；每个子模块依次包括前端可控整流桥、中间的电容器及后端H桥逆变电路。


3.根据权利要求1所述的针对串联H桥型变频器电容电压波动抑制方法，其特征在于，所述方法具体控制过程为：
将功率前馈的d、q轴电流指令值和进行dq/abc变换，得到abc坐标系下三相输入电流
Iin＝[iaibic]T＝I1+I2+I3(1)
其中，I1I2为正序电流，I3为一组负序电流；Uo为子模块输出电压基波幅值，Io为输出电流幅值，ωs为电网侧角频率，ωo为子模块输出侧角频率；为电机功角









通过计算得到电压源输入功率



即电压源输入功率对等补偿了输出功率；
施加在电容上面的功率为电压源输入功率ps减去三个电感上的瞬时功率pL减去输出功率po，pL计算公式如下：



L为电感；三个电感的瞬时总功率pL计算结果为：



输入功率为电源发出功率减电感瞬时功率，即
pin＝ps-pL(8)。


4.根据权利要求3所述的针对串联H桥型变频器电容电压波动抑制方法，其特征在于，所述输入侧电流指令获取方法如下：
设输入电流包括两种正序和一种负序即：

【专利技术属性】
技术研发人员：刘进军，赵世锋，杜思行，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61