一种能量回馈单元的环流电流峰值估算方法与流程

本发明涉及电力电子控制技术领域，尤其涉及一种能量回馈单元的环流电流峰值估算方法。

背景技术：

随着传统化石能源紧缺，环境污染严重等问题日益凸显。提高能源效率，降低能源消费已经成为各国经济可持续发展道路上越来越重要的议题。传统交流变频调速系统能源利用率也还存在很大提升空间，能量单方向流动导致的电机负载制动能量消耗在一定程度上制约了其发展。能量回馈系统通过对传统交流变频调速系统的拓扑进行改进，可实现能量的双向流动和单位功率因数，是变频调速系统节约能量，改善性能，提高效率的重要途径。

并联型能量回馈系统是对传统变频调速系统的改进，其拓扑结构是在直流母线端与交流电网端并联接入能量回馈单元。这种可控的能量回馈单元在电机负载消耗能量时，一般处于不工作状态；在电机负载减速时，工作在逆变状态，将能量回馈至电网。并联型能量回馈系统只需适当改变线路连接接入能量回馈单元，故而改造成本相对较低。设计并联型拓扑结构的能量回馈单元时，还可以综合考虑回馈能量与系统总功率的关系，减小能量回馈单元的容量进一步降低成本。

并联型能量回馈系统中，当能量回馈单元逆变再生发电时，能量回馈单元与变频器的二极管不控整流桥前端之间也会形成环流电流回路。环流电流分量会叠加在能量回馈单元的逆变电流中表现为并网电流谐波，因此环流电流的存在会增大并网电流谐波、降低系统控制性能、增加开关损耗，给能量回馈系统带来不利影响。已有的关于并联型能量回馈系统的设计方法中，交流滤波电感和直流平波电抗器值通常设计较大，这在一定程度上会抑制环流电流，因而针对环流电流进行具体研究的文献较少。而在能量回馈系统功率较大的场合，电感值设计过大会影响系统动态性能，同时还会带来成本的提升，限制了能量回馈系统的应用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明所解决的技术问题在于提供一种能量回馈单元的环流电流峰值估算方法，在具体分析环流电流换流方式和电流回路方程的基础上，利用逆变电流与环流电流换流方式之间的关系，从开关矢量导通时间的角度对环流电流峰值进行估算。

本发明通过以下技术方案来解决上述技术问题：

一种能量回馈单元的环流电流峰值估算方法，包括如下步骤：

S1.首先根据能量回馈系统的电路拓扑结构分析逆变电流和环流电流的导通方式；

S2.采用SVPWM调制策略，以第一扇区内半个开关周期为例对环流电流和逆变电流的导通方式展开分析，半个开关周期的开关矢量状态变化定义为111-110-100；

S3.依据基尔霍夫定律分别得到逆变电流和环流电流的回路方程：

S4.然后依据环流电流和逆变电流换流方式分析得出的回路方程对开关矢量导通时间进行估算；

S5.最后依据逆变电流与环流电流换流方式的关系和开关矢量导通时间的估算表达式推导环流电流峰值的估算方法。

进一步地，在步骤S2中，

开关矢量为111状态时，开关管状态为T₁、T₃、T₅导通，T₂、T₄、T₆关断，在第一扇区中，三相电网电压关系满足e_ga＞e_gb＞e_gc，A₁点电位较B、C两点高，环流电流流过不控整流桥a相上管D_a1，分别从b、c两相的开关管T₃和开关管T₅流回至电网。

进一步地，在步骤S3中，

在逆变电流和环流电流的回路中，电流关系满足：

在开关矢量状态为111时，桥臂侧电压满足V_aN＝V_bN＝V_cN＝u_dc，将上述电流关系分别带入逆变电流和环流电流的回路方程可得：

同理可对开关矢量为110和100时的逆变电流和环流电流导通方式进行分析，开关矢量为110和100时的逆变电流和环流电流回路方程分别如下所示：

由环流电流和逆变电流换流方式分析，在不考虑死区非线性因素的影响下，环流电流与逆变电流相位相同：当逆变电流流入能量回馈单元侧a相时，环流电流相应流入不控二极管整流桥a相；单个PWM开关周期内能量回馈单元侧流入的逆变电流方向切换时，不控整流桥侧流入的环流电流方向也相应切换，单位逆变状态下、a相逆变电流达到负的峰值时，a相环流电流会达到正向最大。

进一步地，在步骤S4中，

逆变电流在开关矢量为111和100时的回路方程如下式所示：

功率因数近似为1的时候，a相电压峰值点也是a相逆变电流的峰值点，此时逆变电流的在111-110-100矢量作用时间内的变化可近似认为是零，逆变电流变化量Δi₁与Δi₂满足如下关系：

Δi₁＝Δi₂

定义T_PWM为开关周期，则111矢量与100矢量导通时间满足：

综合上述关系式，可推导出电压峰值处，100开关矢量的导通时间估算表达式如下：

进一步地，在步骤S5中，

由逆变电流和环流电流的换流方式分析，在逆变电流幅值达到峰值点时，环流电流幅值也相应为最大值，在第一扇区内的a相电网电压峰值点处，矢量状态变化为111-110-100的半个PWM周期中，a相环流电流在100开关矢量状态时从最大值减为零，依据此时的电路方程对环流电流峰值进行估算；

100矢量状态作用时间内环流电流的变化率用Δi₃表示，考虑到100矢量状态作用时间内，环流电流变化可近似认为是线性的，忽略回路电阻作用，100开关矢量作用时的环流电流回路方程表示如下：

将100矢量作用时间估算表达式带入上述方程可得：

在a相电压e_ga为峰值时，环流电流也达到峰值，三相电网相电压峰值为e_peak，环流电流峰值为i_peak，PWM开关频率为f_pwm，环流电流的峰值估算表达式如下：

与现有技术相比，本发明的技术方案至少具有如下有益效果：

本发明的能量回馈单元的环流电流峰值估算方法通过逆变电流与环流电流之间换流方式的关系，给出了与环流电流峰值有关的因素和环流电流峰值的估算方法，对减小能量回馈单元并网电流谐波，设计合适滤波电路参数有一定参考意义。本发明在具体分析环流电流换流方式和电流回路方程的基础上，利用逆变电流与环流电流换流方式之间的关系，从开关矢量导通时间的角度对环流电流峰值估算方法进行了推导，指出了电流回路参数对环流电流的影响，对能量回馈系统的电路参数设计具有一定的指导意义。通过给出具体的能量回馈系统电路参数，依据本发明给出的环流电流峰值估算方法就可以估算环流电流峰值，然后依据环流电流峰值估算结果，考虑适当的环流电流抑制方法来获得更好的控制性能。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为能量回馈系统的电路拓扑结构图。

图2为能量回馈系统的电路等效分析拓扑结构图，表示111开关矢量时环流电流和逆变电流的换流方式。

图3a逆变电流回路中，111矢量时三相等效电路图。

图3b环流电流回路中，111矢量时三相等效电路图。

图4为电压峰值处半个PWM开关周期内的电流变化示意图

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。

如图1-4所示，本发明实施例提供的一种能量回馈单元的环流电流峰值估算方法，包括能量回馈系统的逆变电流和环流电流导通方式分析，开关矢量导通时间估算和环流电流峰值估算，包括如下步骤：

S1.首先根据能量回馈系统的电路拓扑结构分析逆变电流和环流电流的导通方式，能量回馈系统的电路拓扑结构如附图1所示，在分析逆变电流和环流电流的导通方式时，电机负载和变频器逆变模块可以等效为直流母线电压，此时系统等效分析拓扑如附图2。逆变电流与环流电流的导通方式与开关矢量状态和回路电位差相关，本发明所讨论的能量回馈单元采用七段式传统SVPWM调制策略。

S2.采用SVPWM调制策略，以第一扇区内半个开关周期为例对环流电流和逆变电流的导通方式展开分析，半个开关周期的开关矢量状态变化定义为111-110-100。开关矢量为111状态时，开关管状态为T₁、T₃、T₅导通，T₂、T₄、T₆关断，在第一扇区中，三相电网电压关系满足e_ga＞e_gb＞e_gc，因此A₁点电位较B、C两点高，环流电流流过不控整流桥a相上管D_a1，分别从b、c两相的开关管T₃和开关管T₅流回至电网。A点电位较B、C两点高，故而逆变电流会流过续流二极管D₁，分别从b、c两相的开关管T₃和开关管T₅流回至电网环流电流和逆变电流的回路分别如附图2中的实线和虚线所示。忽略二极管的导通压降，此时的三相回路的等效电路图如附图3a和图3b所示。

S3.依据基尔霍夫定律分别得到逆变电流和环流电流的回路方程：

在逆变电流和环流电流的回路中，电流关系满足：

在开关矢量状态为111时，桥臂侧电压满足V_aN＝V_bN＝V_cN＝u_dc，将上述电流关系分别带入逆变电流和环流电流的回路方程可得：

同理可对开关矢量为110和100时的逆变电流和环流电流导通方式进行分析，开关矢量为110和100时的逆变电流和环流电流回路方程分别如下所示：

由环流电流和逆变电流换流方式分析可以发现，在不考虑死区等非线性因素的影响下，环流电流与逆变电流相位相同。当逆变电流流入能量回馈单元侧a相时，环流电流相应流入不控二极管整流桥a相；单个PWM开关周期内能量回馈单元侧流入的逆变电流方向切换时，不控整流桥侧流入的环流电流方向也相应切换。单位逆变状态下、a相逆变电流达到负的峰值时，a相环流电流会达到正向最大。

S4.然后依据环流电流和逆变电流换流方式分析得出的回路方程对开关矢量导通时间进行估算；在第一扇区内，以a相为例，a相相电压处于峰值附近时，空间电压矢量旋转角θ接近为零，有效电压矢量中100占主导作用。理想情况下，在电网电压峰值处，110矢量导通时间为零，此时只有111矢量和100矢量两种状态导通。因此可以假设此时逆变电流只有上升和下降两种变化状态，逆变电流变化如附图四所示。开关矢量111从时间点t₀开始作用，此时逆变电流处于上升阶段；t₁时刻，开关矢量100开始作用，逆变电流处于下降阶段，到t₂时刻切换到下一个开关状态。111矢量状态作用时间内，逆变电流的增加量用Δi₁表示，持续时间用ΔT₁表示；100矢量状态作用时间内，逆变电流的减少量用Δi₂表示，持续时间用ΔT₂表示。

如附图4，逆变电流在开关矢量为111和100时的回路方程如下式所示：

功率因数近似为1的时候，a相电压峰值点也是a相逆变电流的峰值点，此时逆变电流的在111-110-100矢量作用时间内的变化可近似认为是零，逆变电流变化量Δi₁与Δi₂满足如下关系：

Δi₁＝Δi₂

定义T_PWM为开关周期，则111矢量与100矢量导通时间满足：

综合上述关系式，可推导出电压峰值处，100开关矢量的导通时间估算表达式如下：

S5.最后依据逆变电流与环流电流换流方式的关系和开关矢量导通时间的估算表达式推导环流电流峰值的估算方法。由逆变电流和环流电流的换流方式分析，在逆变电流幅值达到峰值点时，环流电流幅值也相应为最大值，在第一扇区内的a相电网电压峰值点处，矢量状态变化为111-110-100的半个PWM周期中，a相环流电流在100开关矢量状态时从最大值减为零，依据此时的电路方程对环流电流峰值进行估算；

100矢量状态作用时间内环流电流的变化率用Δi₃表示，考虑到100矢量状态作用时间内，环流电流变化可近似认为是线性的，忽略回路电阻作用，100开关矢量作用时的环流电流回路方程表示如下：

将100矢量作用时间估算表达式带入上述方程可得：

在a相电压e_ga为峰值时，环流电流也达到峰值，三相电网相电压峰值为e_peak，环流电流峰值为i_peak，PWM开关频率为f_pwm，环流电流的峰值估算表达式如下：

本发明的能量回馈单元的环流电流峰值估算方法通过逆变电流与环流电流之间换流方式的关系，给出了与环流电流峰值有关的因素和环流电流峰值的估算方法，对减小能量回馈单元并网电流谐波，设计合适滤波电路参数有一定参考意义。本发明在具体分析环流电流换流方式和电流回路方程的基础上，利用逆变电流与环流电流换流方式之间的关系，从开关矢量导通时间的角度对环流电流峰值估算方法进行了推导，指出了电流回路参数对环流电流的影响，对能量回馈系统的电路参数设计具有一定的指导意义。通过给出具体的能量回馈系统电路参数，依据本发明给出的环流电流峰值估算方法就可以估算环流电流峰值，然后依据环流电流峰值估算结果，考虑适当的环流电流抑制方法来获得更好的控制性能。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。