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专利号: 2020101977141
申请人: 西安理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 发电、变电或配电
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种三电平ANPC变流器损耗平衡的调制策略,其特征在于,具体按照如下步骤实施:步骤1,根据载波脉冲宽度调制方法,得到三相调制波,然后通过空间矢量脉冲宽度调制策略,求解并输出a、b和c三相开关状态及其各自作用时间;

步骤2,采用七段式发波并计算各区导通时间,对三电平ANPC整流器进行换流控制;

步骤3,分析换流方式产生的开关损耗,提出变流器损耗平衡策略。

2.根据权利要求1所述的一种三电平ANPC变流器损耗平衡的调制策略,其特征在于,所述步骤1具体为:步骤1.1,根据载波脉冲宽度调制方法,得到三相调制波表达式:其中,Um为三相相电压的幅值,Ua、Ub和Uc分别为对应三相a、b和c的相电压,ω为a、b、c三相相电压的角频率;

步骤1.2,通过步骤1.1得到的三相调制波合成参考电压矢量公式:其中,

步骤1.3,将逆变器拓扑中27种不同开关组合分别组成三种不同开关状态,并对27种开关组合和基本电压矢量进行分类;

步骤1.4,根据伏秒平衡将电压矢量带入分别求解出各个选取电压矢量的作用时间。

3.根据权利要求2所述的一种三电平ANPC变流器损耗平衡的调制策略,其特征在于,所述步骤1.3具体为:步骤1.3.1,根据三电平ANPC变流器的拓扑结构,定义其开关函数为:其中,Tx表示第x相输出,x=a或b或c,1表示P,0表示O,-1表示N,因此,三相开关组合共有33=27种组合,则得到三电平ANPC变流器的空间矢量Sk为:其中,UDC表示直流侧的输入电压;

步骤1.3.2将三相正弦电压采用坐标变换等效变换至α-β静止坐标系中,将步骤1.2中的参考电压矢量Vref在α-β静止坐标系进行分解,根据参考电压矢量Vref与α轴的夹角进行A-F共6个大扇区以及每个大扇区对应的1-6共6个小区的判断,对27种开关组合和基本电压矢量进行分类具体为:按照电压矢量类型对应开关状态组合为:

长矢量对应PNN、PPN、NPN、NPP、NNP、PNP;

中矢量对应PON、OPN、NPO、NOP、ONP、PNO;

短矢量对应PPO、ONN、OPO、NON、OPP、NOO、OOP、NNO、POP、ONO、POO、ONN;

零矢量对应PPP、OOO、NNN。

4.根据权利要求3所述的一种三电平ANPC变流器损耗平衡的调制策略,其特征在于,所述步骤1.4具体为:设合成参考电压矢量Vref的三个空间矢量U1、U2、U3的作用时间分别对应为T1、T2、T3,Ts为固定开关周期,由伏秒平衡原则可得:T1×U1+T2×U2+T3×U3=Ts×Vref (5)T1+T2+T3=Ts (6)

分别求解出各个选取电压矢量作用时间T1、T2、T3。

5.根据权利要求4所述的一种三电平ANPC变流器损耗平衡的调制策略,其特征在于,所述步骤1.4具体为:A扇区1小区,三个空间矢量U1、U2、U3分别为:根据公式(5)得出:

将公式(8)和公式(6)按照欧拉公式展开,分为实部和虚部解得:其中,

结合A扇区基本矢量选择,其中,A扇区的基本矢量选择如下:用A1表示A扇区1小区,以此类推,所在区域对应开关组合顺序为:A1对应ONN、OON、OOO、POO、OOO、OON、ONN;

A2对应OON、OOO、POO、PPO、POO、OOO、OONA3对应ONN、OON、PON、POO、PON、OON、ONN;

A4对应OON、PON、POO、PPO、POO、PON、ONO;

A5对应ONN、PNN、PON、POO、PON、PNN、ONN;

A6对应OON、PON、PPN、PPO、PPN、PON、OON;

根据所在区域对应开关组合顺序,代入公式(4)得到每个小区对应的三个空间矢量,然后结合公式(8)求解出A扇区各个小区相应基本矢量作用时间具体为:A1: T2=2mTssinθ;

A2:T1=2mTssinθ;

A3:T1=Ts[1-2msinθ];

A4: T3=Ts[1-2msinθ];

A5: T3=2mTssinθ;

A6: T3=Ts[2msinθ-1];

C和E扇区内各个小区的矢量作用时间相同的A扇区相同,B、D和F扇区内各个小区的矢量作用时间与将A扇区各个小区的T2和T3相互置换后的矢量作用时间一一对应。

6.根据权利要求5所述的一种三电平ANPC变流器损耗平衡的调制策略,其特征在于,所述步骤2具体为:采用七段式发波将选择的基本矢量作用时间分配给对应矢量,将基本电压矢量作用时间加载成七段式发送的波形,根据前给定电压矢量位置信息、每处位置选取基本矢量信息以及作用时间信息从而选择出具体开关组合;

将周期Ts划分为七段排序①至⑦分别为:①:T1/4;②:T2/2;③:T3/2;④:T1/2;⑤:T3/2;

⑥:T2/2;⑦:T1/4;

则在周期Ts内,各个扇区的各个小区P、O、N三者的导通时间为:A扇区:

A1:P状态对应段序④,导通时间为T1/2,O状态对应①②③⑤⑦,导通时间为Ts-T1/2;

A2:P状态对应段序③④⑤,导通时间为T1/2+T3,O状态对应①②⑥⑦,导通时间为T1/2+T2;A3和A2相同;

A4:P状态对应段序②③④⑤⑥,导通时间为Ts-T1/2,O状态对应①⑦,导通时间为T1/2;

A5、A6和A4相同;

B扇区:

B1:P状态对应段序④,导通时间为T1/2,O状态对应①②③⑤⑦,导通时间为Ts-T1/2;B3和B1相同;

B2:N状态对应段序①⑦,导通时间为T1/2,O状态对应②③④⑤⑥,导通时间为Ts-T1/2;

B4和B2相同;

B5:P状态对应段序③④⑤,导通时间为T1/2+T3,O状态对应①②⑥⑦,导通时间为T1/2+T2;

B6:N状态对应段序①②⑥⑦,导通时间为T1/2+T2,O状态对应③④⑤,导通时间为T1/2+T3;

C扇区:

C1:N状态对应段序①②⑥⑦,导通时间为T1/2+T2,O状态对应③④⑤,导通时间为T1/2+T3;C4和C1相同;

C2:N状态对应段序①⑦,导通时间为T1/2,O状态对应②③④⑤⑥,导通时间为Ts-T1/2;

C3:N状态对应段序①②③⑤⑥⑦,导通时间为Ts-T1/2,O状态对应④,导通时间为T1/2;

C5、C6和C3相同;

D扇区:

D1:N状态对应段序①⑦,导通时间为T1/2,O状态对应②③④⑤⑥,导通时间为Ts-T1/2;

D2:N状态对应段序①②⑥⑦,导通时间为T1/2+T2,O状态对应③④⑤,导通时间为T1/2+T3;D3和D2相同;

D4:N状态对应段序①②③⑤⑥⑦,导通时间为Ts-T1/2,O状态对应④,导通时间为T1/2;

D5、D6和D4相同;

E扇区:

E1:N状态对应段序①⑦,导通时间为T1/2,O状态对应②③④⑤⑥,导通时间为Ts-T1/2;

E3和E1相同;

E2:P状态对应段序④,导通时间为T1/2,O状态对应①②③⑤⑦,导通时间为Ts-T1/2;E4和E2相同;

E5:N状态对应段序①②⑥⑦,导通时间为T1/2+T2,O状态对应③④⑤,导通时间为T1/2+T3;

E6:P状态对应段序③④⑤,导通时间为T1/2+T3,O状态对应①②⑥⑦,导通时间为T1/2+T2;

F扇区:

F1:P状态对应段序③④⑤,导通时间为T1/2+T3,O状态对应①②⑥⑦,导通时间为T1/2+T2;F4和F1相同;

F2:P状态对应段序④,导通时间为T1/2,O状态对应①②③⑤⑦,导通时间为Ts-T1/2;

F3:P状态对应段序②③④⑤⑥,导通时间为Ts-T1/2,O状态对应①⑦,导通时间为T1/2;

F5、F6和F3相同。

7.根据权利要求6所述的一种三电平ANPC变流器损耗平衡的调制策略,其特征在于,所述步骤3具体为:步骤3.1,确定换流方式产生的开关损耗(1)IGBT损耗:

IGBT处于导通状态时,内部存在阻抗消耗电能,产生导通损耗;IGBT处于开关过程中,开通和关断消耗电能即Eon、Eoff,产生开关损耗;则IGBT总损耗=导通损耗+开通损耗+关断损耗;

(2)续流二极管损耗

二极管处在正向导通,即续流时,产生导通损耗;二极管处在反向恢复过程时,产生反向恢复损耗即Erec,则续流二极管损耗=导通损耗+反向恢复损耗;

步骤3.2,根据步骤3.1以SVPWM控制策略为前提,分析换流损耗;

a相换流损耗分析:

从P状态到OU1、OU2及OL1、OL2状态时,OU1、OU2、OL1、OL2为O状态有四种冗余状态,其损耗为:电压状态:P,电压、电流同向时:Sx1导通损耗、Sx2导通损耗,电压、电流反向时:D1导通损耗、D2导通损耗;

电压状态:P到OU1,电压、电流同向时:Sx1关断损耗,电压、电流反向时:D1反向恢复损耗、Sx5开通损耗;

电压状态:OU1到P,电压、电流同向时:D5反向恢复损耗、Sx1开通损耗,电压、电流反向时:Sx5关断损耗;

电压状态:OU1,电压、电流同向时:D5、Sx2导通损耗,电压、电流反向时:D2、Sx5导通损耗;

电压状态:P到OU2,电压、电流同向时:Sx1关断损耗,电压、电流反向时:D1反向恢复损耗、Sx5开通损耗;

电压状态:OU2到P,电压、电流同向时:D5反向恢复损耗、Sx1开通损耗,电压、电流反向时:Sx5关断损耗;

电压状态:OU2,电压、电流同向时:D5、Sx2导通损耗,电压、电流反向时:D2、Sx5导通损耗;

电压状态:P到OL2,电压、电流同向时:Sx2关断损耗,电压、电流反向时:D2反向恢复损耗、Sx3开通损耗;

电压状态:OL2到P,电压、电流同向时:D3反向恢复损耗、Sx2开通损耗,电压、电流反向时:Sx3关断损耗;

电压状态:OL2,电压、电流同向时:D3、Sx6导通损耗,电压、电流反向时:D6、Sx3导通损耗;

从N状态到OU1、OU2、OL1、OL2状态时,其损耗为:电压状态:N,电压、电流同向时:D4、D3的导通损耗,电压、电流反向时:Sx3、Sx4导通损耗;

电压状态:N到OU1,电压、电流同向时:D3反向恢复损耗、Sx2开通损耗,电压、电流反向时:Sx3关断损耗;

电压状态:OU1到N,电压、电流同向时:Sx2关断损耗,电压、电流反向时:D2反向恢复损耗、Sx3开通损耗;

电压状态:OU1,电压、电流同向时:D5、Sx2导通损耗,电压、电流反向时:D2、Sx5导通损耗;

电压状态:N到OL1,电压、电流同向时:D4反向恢复损耗、Sx6开通损耗,电压、电流反向时:Sx4关断损耗;

电压状态:OL1到N,电压、电流同向时:Sx6关断损耗,电压、电流反向时:D6反向恢复损耗、Sx4开通损耗;

电压状态:OL1,电压、电流同向时:D3、Sx6导通损耗,电压、电流反向时:D6、Sx3导通损耗;

电压状态:N到OL2,电压、电流同向时:SD4反向恢复损耗、Sx6开通损耗,电压、电流反向时:Sx4关断损耗;

电压状态:OL2到N,电压、电流同向时:Sx6关断损耗,电压、电流反向时:D6反向恢复损耗、Sx4开通损耗;

电压状态:OL2,电压、电流同向时:D3、Sx6导通损耗,电压、电流反向时:D6、Sx3导通损耗;

依据输出电压电平状态,负载电流方向与状态转化前后顺序存在以下情况,其中,P+表示:输出电平为P,电流方向为“+”,即输出;N-表示:输出电平为N,电流方向为“-”,混合状态情况如下:P+到OU1-存在Sx1关断损耗、Sx5开通损耗;

OU1-到P+存在Sx1开通损耗、Sx5关断损耗;

P-到OU1+存在D1反向恢复损耗;

OU1+到P-存在D5反向恢复损耗;

P+到OL2-存在Sx2关断损耗、Sx3开通损耗;

OL2-到P+存在Sx2开通损耗、Sx3关断损耗;

P-到OL2+存在D2反向恢复损耗;

OL2+到P-存在D3反向恢复损耗;

N+到OU1-存在D3反向恢复损耗;

OU1-到N+存在D2反向恢复损耗;

N-到OU1+存在Sx2开通损耗、Sx3关断损耗;

OU1+到N-存在Sx2关断损耗、Sx3开通损耗;

N+到OL1-存在D4反向恢复损耗;

OL1-到N+存在D6反向恢复损耗;

N-到OL1+存在Sx4关断损耗、Sx6开通损耗;

OL1+到N-存在Sx4开通损耗、Sx6关断损耗;

步骤3.3,根据步骤3.2的分析结果提出损耗平衡策略。

8.根据权利要求7所述的一种三电平ANPC变流器损耗平衡的调制策略,其特征在于,所述步骤3.3具体为:步骤3.3.1,设调制度为 按照调制度大小可将A-F六个扇区划分为几个层次,具体如下:

第一层:m=0.5,包括A扇区中的1、2小区;

第二层:1>m>0.5,包括A扇区中的3、4、5、6小区;

第三层;m=1,包括A扇区中的5、6小区;

其他B-F小区与A扇区划分相同;

步骤3.3.2,根据划分层次提出损耗平衡策略按照上述进行分层,第一层作为一类、第二层作为一类;

第一层m=0.5,β轴右侧处于P,O状态;左侧则处于N,O状态;若以纵轴右侧扇区为起点,左右对称,在左侧扫过对称区域可以实现平衡;

第二层即1>m>0.5,β轴右侧处于P,O状态;左侧则处于N,O状态;

若以纵轴右侧扇区为起点,左右对称,在左侧扫过对称区域可能实现平衡;

若以E扇区或左侧扇区为起点,此时,至少应以调制周期整数倍实现;

根据分析P到O,N到O状态选择可得:

第一种选择以β轴为分界线;第二种选择以α,β双轴为分界线;第三种选择以六个扇区为总体,且观察矢量分布图,任意电压矢量经过180°对称,说明PPN经过180°旋转得NNP;

因此得到:

扇区A与D扫过区域相同;扇区B与E扫过区域相同;扇区C与F扫过区域相同,则扫过区域相同的扇区采用同种换流方式;

每个扇区中小区3、4、5、6关于横坐标存在对称关系,即正三角与倒三角对称;

步骤3.3.3,根据调制度m灵活选择工作模式,m=0.5、1>m>0.5、m=1,分别对应三种模式:模式一:β轴为分界线,左右侧零状态分别在OU1、OL2中选择,具体为:A扇区:左右侧零状态分别选择:OU1和不选择;

B扇区:左右侧零状态分别选择:OU1和OL2;

C扇区:左右侧零状态分别选择:OL2和不选择;

D扇区:左右侧零状态分别选择:OL2和不选择;

E扇区:左右侧零状态分别选择:OL2和OU1;

F扇区:左右侧零状态分别选择:OU1和不选择;

模式二:在模式一基础之上B、E扇区零状态分别替换为OL2、OU1,其余不变,具体为:B扇区:左右侧零状态分别选择:OL2和OL2;

E扇区:左右侧零状态分别选择:OU1和OU1;

模式三:在模式一基础之上A、C、D、F扇区零状态分别替换为OL2,OU1,OU1,OL2,其余不变,具体为:A扇区:左右侧零状态分别选择:OL2和不选择;

C扇区:左右侧零状态分别选择:OU1和不选择;

D扇区:左右侧零状态分别选择:OU1和不选择;

F扇区:左右侧零状态分别选择:OL2和不选择。