级联变频器及其载波移相优化方法与流程

1.本案是关于级联变频器，尤指一种级联变频器及其载波移相优化方法。


背景技术：

2.于包含多绕组变压器的变频器拓扑结构中，变压器的原边绕组连接于电网侧，变压器的多个副边绕组分别连接于多个功率单元。功率单元由有源前端(active front end，afe)、直流母线及逆变单元组成。当功率单元的有源前端启动后，将产生大量的开关次谐波，且所产生的开关次谐波将直接注入变压器中，并进而耦合至电网侧，造成电网侧的谐波不符合ieee519要求。
3.为消除开关次谐波，现有技术多采用载波移相方案。第一种现有方案是对任一输出相中的n个功率单元进行载波移相，其中该n个功率单元的载波移相角分别为0、180/n、
…
、180*(n-1)/n度。第二种现有方案是将所有功率单元分为m组并进行载波移相，其中该m组功率单元的载波移相角分别为0、360/m、
…
、360*(m-1)/m度。
4.然而，前述的现有方案应用于级联侧载波移相时，可将功率单元之间的谐波进行抵消，但应用于变频器等变压器侧的载波移相时并未考虑变压器的耦合参数对于载波移相的影响，故其移相效果有限，难以完全抵消开关次谐波。
5.因此，如何发展一种可改善上述现有技术的级联变频器及其载波移相优化方法，实为目前迫切的需求。


技术实现要素：

6.本案的目的在于提供一种级联变频器及其载波移相优化方法，其在获取级联变频器中的各功率单元的载波移相角的过程中将变压器的耦合参数纳入考量，且依据所需的优化目标获取对应的载波移相角。借此，本案在不增加系统成本的前提下，实现了变压器的原边谐波电流的优化，有效改善并网电流及提升系统性能。
7.为达上述目的，本案提供一种适用于级联变频器的载波移相优化方法。级联变频器包含变压器及n个功率单元，n为大于1的整数。变压器包含原边绕组及n个副边绕组，该n个副边绕组分别电连接于该n个功率单元。载波移相优化方法包含：(a)根据变压器的数学模型，建立针对变压器的原边谐波电流的第一目标函数；(b)获取每一功率单元的载波移相角函数；(c)根据第一目标函数及所有功率单元的载波移相角函数，获得第二目标函数；以及(d)确定优化目标，并基于优化目标重构第二目标函数而获得优化函数，且根据优化函数获得该n个功率单元的n个载波移相角。
8.为达上述目的，本案另提供一种级联变频器。级联变频器包含变压器、n个功率单元及载波移相控制器，n为大于1的整数。变压器包含原边绕组及n个副边绕组，该n个副边绕组分别电连接于该n个功率单元。载波移相控制器架构于：(a)根据变压器的数学模型，建立针对变压器的原边谐波电流的第一目标函数；(b)获取每一功率单元的载波移相角函数；(c)根据第一目标函数及所有功率单元的载波移相角函数，获得第二目标函数；以及(d)确
定优化目标，并基于优化目标重构第二目标函数而获得优化函数，且根据优化函数获得该n个功率单元的n个载波移相角。
附图说明
9.图1为本案较佳实施例的级联变频器的架构示意图。
10.图2a例示出一种级联变频器的电路结构。
11.图2b例示出图2a中的级联变频器的一种功率单元的电路结构。
12.图2c例示出图2a中的级联变频器的另一种功率单元的电路结构。
13.图3a例示出另一种级联变频器的电路结构。
14.图3b例示出图3a中的级联变频器的一种功率单元的电路结构。
15.图3c例示出图3a中的级联变频器的另一种功率单元的电路结构。
16.其中，附图标记说明如下：
17.1：级联变频器
18.11：变压器
19.111：原边绕组
20.112：副边绕组
21.12：功率单元
22.13：载波移相控制器
23.14：滤波器
24.2：电网
25.3：负载
26.u0：原边谐波电压
27.u1、u2、un：副边谐波电压
28.i0：原边谐波电流
29.i1、i2、in：副边谐波电流
30.l0、l1、ln：自感
31.m
01
、m
0n
、m
10
、m
1n
、m
n0
、m
n1
：互感
32.a：互感矩阵
33.a-1
：逆矩阵
34.θ1、θ2、θn：载波移相角
35.h：开关次谐波倍数
36.ah：谐波幅值
37.ωc：载波角频率
38.k、k1、k2：移相系数
39.角度
40.pf：基波电流幅值参数
41.λ1、λ2、λz：交流电阻参数
具体实施方式
42.体现本案特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本案能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本案的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本案。
43.图1为本案较佳实施例的级联变频器的架构示意图。如图1所示，本案的级联变频器1耦接于电网2与负载3之间，且包含变压器11、n个功率单元12及载波移相控制器13，其中n为大于1的整数。变压器11包含原边绕组111及n个副边绕组112。原边绕组111电连接于电网2，n个副边绕组112分别电连接于n个功率单元12，意即第1至n个副边绕组112分别电连接于第1至n个功率单元12。功率单元12中的有源前端受脉冲宽度调制信号控制。载波移相控制器13架构于获取该n个功率单元12的脉冲宽度调制信号的载波移相角。于一些实施例中，副边绕组112直接连接于对应的功率单元12。于另一些实施例中，级联变频器1还包含n个滤波器14，每一滤波器14电连接于对应的副边绕组112与功率单元12之间，其中滤波器14可为例如但不限于电感滤波器。
44.副边绕组112可为单相或多相结构，对应地，功率单元12可为单相或多相结构。此外，功率单元12可为两电平(如单相桥、三相桥拓扑等)或多电平结构，且可为整流拓扑或背靠背拓扑。再者，n个功率单元12的输出端之间可采用串联、并联或级联等连接方式。
45.图2a例示出一种级联变频器的电路结构，其中副边绕组112为三相结构。图2b例示出图2a中的级联变频器的一种功率单元的电路结构，其中功率单元12为三相两电平结构。图2c例示出图2a中的级联变频器的另一种功率单元的电路结构，其中功率单元12为包含钳位二极管的三相三电平结构。图3a例示出另一种级联变频器的电路结构，其中副边绕组112为单相结构。图3b例示出图3a中的级联变频器的一种功率单元的电路结构，其中功率单元12为包含钳位二极管的单相三电平结构。图3c例示出图3a中的级联变频器的另一种功率单元的电路结构，其中功率单元12为单相两电平结构。当然，图2a至图3c所示的电路拓扑仅作为示例，本案并不以此为限。
46.以下将具体说明本案的适用于级联变频器的载波移相优化方法，且所述的载波移相优化方法由级联变频器1的载波移相控制器13所执行。
47.请参阅图1。图1所示的变压器11的数学模型为：
[0048][0049][0050][0051][0052]
其中，u0为变压器11的原边谐波电压，u1、u2、
…
、un分别为第1至n个功率单元12所对应的变压器11的副边谐波电压，i0为变压器11的原边谐波电流，i1、i2、
…
、in分别为第1至n个功率单元12所对应的变压器11的副边谐波电流，l0为原边绕组111的自感，l1、
…
、ln分别为第1至n个副边绕组112的自感。m
0x
、m
x0
为原边绕组111与第x个副边绕组112之间的互感，其中x为介于1与n之间的整数。m
ab
为第a个副边绕组112与第b个副边绕组112之间的互感，其
中a与b为介于1与n之间的整数，且a与b不相等。
[0053]
由等式(1)可得变压器11的数学模型的矩阵形式：
[0054][0055]
其中，u＝[u
0 u
1 u
2 ... un]
t
，a为变压器11的互感矩阵，
[0056][0057]
进而可得数学模型的状态方程式：
[0058][0059]
其中，a-1
为矩阵a的逆矩阵。
[0060]
功率单元12所产生的副边谐波电压可表示为：
[0061][0062]
其中，n为小于等于n的正整数，θn为第n个功率单元12的载波移相角，h为开关次谐波倍数，ah为在开关次谐波倍数为h时的谐波幅值，ωc为载波角频率。
[0063]
根据上述的变压器11的数学模型，可建立针对变压器11的原边谐波电流i0的第一目标函数。以下例示确定第一目标函数的两种方式。
[0064]
于第一种方式中，由于u0为变压器11的原边谐波电压，故可忽略u0中的开关次谐波电压，并自等式(3)得出优化原边谐波电流i0的目标等式：
[0065][0066]
其中，为a-1
中的参数。经由将等式(5)转化即可确定第一目标函数为：
[0067][0068]
第一目标函数暂只考虑某一次谐波h的影响，后续会考虑其他谐波的影响，将等式(4)代入等式(6)可得第一目标函数的变化形态：
[0069][0070]
于第二种方式中，因变压器11的原边连接于电网2，故可视为原边谐波电压u0中的开关次谐波皆由副边谐波电压耦合至原边所致。因此，对于原边谐波电流i0的优化可转换为对原边谐波电压u0的优化，自等式(3)得出优化原边谐波电压u0的目标等式：
[0071][0072]
在忽略原边谐波电流i0的影响的情况下，可将等式(8)进一步转化为：
[0073]
[0074]
将等式(3)代入等式(9)，可确定第一目标函数为：
[0075]
f(u)＝m
sum1
·
u1+m
sum2
·
u2+...+m
sumn
·
unꢀꢀ
(10)
[0076]
其中，m
sum1
、m
sum2
、
…
、m
sumn
为和变压器11的互感参数相关的常数，分别为u1、u2、
…
、un的系数，实际数值可根据等式(3)及(9)计算获得，于此不再具体示之。第一目标函数暂只考虑某一次谐波h的影响，后续会考虑其他谐波的影响，将等式(4)代入等式(10)可得第一目标函数的变化形态：
[0077][0078]
通过上述两种方式，可确定第一目标函数，而藉由对等式(7)或(11)进行优化，即可获得相应的载波移相角θ1、θ2、
…
、θn。然而，由于第一目标函数为n维函数，在考虑到多次的开关次谐波(即考虑多个不同数值的h)，且功率单元12的数量较多(即n较大)时，优化方程式将更为复杂。为此，可通过建立载波移相角θ1、θ2、
…
、θn之间的关系来降低第一目标函数的维数，以降低优化复杂度，便于对载波移相角进行优化。以下说明如何建立载波移相角θ1、θ2、
…
、θn之间的关系并降低第一目标函数的维数。
[0079]
其中，n个功率单元的n个载波移相角可分为m个移相组，每一移相组包含至少一个载波移相角，其中m为小于等于n的正整数。不同移相组所包含的载波移相角的数量可为相等或不相等，本案不加以限制。在同一个移相组中的载波移相角之间具有特定关系函数，而在m个移相组之间具有特定关系函数。举例而言，可将n个载波移相角分为三个移相组，即m＝3。第1组移相组中的载波移相角之间的关系函数为g1(k1,j)，第2组移相组中的载波移相角之间的关系函数为g2(k1,j)，第3组移相组中的载波移相角之间的关系函数为g3(k1,j)，k1为第一移相系数。而三个移相组之间的载波移相角关系函数为f(k2,i)，其中k2为第二移相系数，第一移相系数k1和第二移相系数k2可以相等或者不等。j为每一移相组内的第j个功率单元，j为小于等于n/m的正整数；i为m个移相组中的第i个移相组，i为小于等于m的正整数。在另一些实施例中，可将n个载波移相角分为三个移相组，即m＝3。第1组移相组中的彼此载波移相角为a1，第2组移相组中的彼此载波移相角为a2，第3组移相组中的彼此载波移相角为a3，而三个移相组之间的载波移相角关系函数可以为f(k2,i)。进一步的，a1、a2、a3可以相等或者不相等。
[0080]
为便于理解，下面以k1＝k2＝k为例，并且此处以m＝n且载波移相函数(即移相组之间的关系函数)为为例进行说明，其中θi为第i组移相组中的载波移相角，k为移相系数，i为小于等于m的正整数，α为一常数。将载波移相函数代入第一目标函数(等式(7)或(11))可得第二目标函数，第二目标函数为：
[0081][0082]
其中，为在将载波移相函数代入第一目标函数时合并三角函数所产生的角度，p(h,k)为幅值函数。第二目标函数为关于k的一维函数。需要说明的是，将载波移相函数代入不同的第一目标函数，得到的第二目标函数的具体表达式会存在区别，公式(12)为第二目标函数的简化示意。
[0083]
借此，可将对于为n维函数的第一目标函数的优化问题转化为对于为一维函数的第二目标函数的优化问题。进一步地，根据等式(12)，可将对第二目标函数的优化问题转化
为对幅值函数p(h,k)的优化问题。
[0084]
对应地，在确定所需的优化目标后，可基于优化目标重构第二目标函数而获得优化函数，并计算优化函数中的移相系数k的最优值，且将移相系数k的最优值代入载波移相函数获得所有功率单元12的载波移相角。优化目标可例如为使特定倍数的开关次谐波符合预设要求、使变压器11的原边绕组111的谐波损耗最小或使变压器11的原边谐波的总谐波失真最小，但亦不以此为限。
[0085]
举例而言，于一些实施例中，优化目标为使特定倍数的开关次谐波符合预设要求，相应的优化函数可例如为：
[0086][0087]
其中，pf为基波电流幅值参数，z为预设的开关次谐波的倍数最大值，c为常数。
[0088]
于另一些实施例中，优化目标为使变压器11的原边绕组111的谐波损耗最小，相应的优化函数可例如为：
[0089]
p(k)＝λ1·
p(1，k)2+λ2·
p(2，k)2+
…
+λz·
p(z，k)2ꢀꢀ
(14)
[0090]
其中，λ1、λ2、
…
、λz为对应开关频率处的交流电阻参数。
[0091]
于又一些实施例中，优化目标为使变压器11的原边谐波的总谐波失真最小，相应的优化函数可例如为：
[0092][0093]
进一步的，根据优化函数公式(13)、(14)或者(15)等将会计算出不同的优化k值，将k值带入θi的公式中即可计算出每一载波移相角。
[0094]
综上所述，本案提供一种级联变频器及其载波移相优化方法，其在获取级联变频器中的各功率单元的载波移相角的过程中将变压器的耦合参数纳入考量，且依据所需的优化目标获取对应的载波移相角。借此，本案在不增加系统成本的前提下，实现了变压器的原边谐波电流的优化，有效改善并网电流及提升系统性能。
[0095]
须注意，上述仅是为说明本案而提出的较佳实施例，本案不限于所述的实施例，本案的范围由如附权利要求书决定。且本案得由熟习此技术的人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附权利要求书所欲保护者。