基于NPC的三相雙有源橋式直流變換器的瞬時電流控制方法與流程

本發明屬于三相雙有源橋式直流變換器
技術領域：
，具體涉及一種基于npc的三相雙有源橋式直流變換器的瞬時電流控制方法。
背景技術：
：基于npc的三相雙有源橋式直流變換器由一個三相高頻變壓器和兩個三電平npc的三相橋式電路構成，其拓撲結構如圖1所示。它是一種隔離型雙向直流變換器。它具有高功率密度、較低的開關應力和易于實現軟開關等優點。npc相對于普通三相橋式拓撲具有電平數多，耐壓高，電流紋波更小，從而使濾波更容易等優點。另外，與單相的變換器相比，這種變換器采用三相交錯的結構，提高了功率等級的同時也減小了濾波器體積。它適用于中、大功率場合，適合應用于混合動力汽車、電力電子變壓器以及智能電網能量存儲系統等。對于三相雙有源橋式直流變換器，在處于穩態狀態下，改變其控制變量，會造成三相高頻變壓器中的三相電流出現不平衡的現象，嚴重的話，甚至導致變換器兩側的直流電流產生振蕩，并以τ＝ls/rs為時間常數逐漸衰減。其中，ls為三相變壓器中每相等效電感值，rs為三相變壓器中每相等效電阻值。在實際的變換器設計過程中，為了實現兩個直流側較寬的電壓變化范圍，三相變壓器中每相等效電感值ls需要被設計得較大，同時三相變壓器中每相等效電阻值rs則需要被設計得較小以減小線路損耗。因此，時間常數往往會變得比較大，進而使得變換器中三相電感電流振蕩衰減時間較長。現有的改善上述現象的控制方法，都是針對傳統的移相調制策略所提出的。這種調制策略只有一個控制量，即兩個三相橋中相應開關器件的驅動信號之間的移相角通過改變移相角的大小和正負，就可以控制傳輸功率的大小和方向。此時，兩個三相橋式電路的占空比固定且均為0.5。相應的控制方法是在移相角變化的時候引入一個過渡區間，通過對該區間內移相角大小進行調節，從而使得三相電感電流在過渡區間內迅速達到新的平衡。然而，對于引入兩個三相橋式電路的占空比作為另外兩個控制變量的占空比加移相調制策略來說，當改變兩個占空比指令時，三相電感電流同樣會出現不平衡的現象，從而引起變換器兩側的直流電流產生振蕩。技術實現要素：為了克服上述現有技術存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種基于npc的三相雙有源橋式直流變換器的瞬時電流控制方法，該控制方法在單獨或同時改變兩個占空比指令時，能夠通過調節過渡區間內占空比大小，使得變壓器三相電感電流分別僅經過5/3個開關周期的過渡區間就可達到平衡，從而減小變換器兩側的直流電流振蕩。為達到上述目的，本發明通過以下技術方案來實現的：基于npc的三相雙有源橋式直流變換器的瞬時電流控制方法，包括以下步驟：在三相變換器處于穩態的情況下，當v1側和v2側兩個三相橋式電路的相電壓占空比指令d1,1和d2,1單獨或同時改變為d1,2和d2,2時，通過調節過渡區間內占空比大小的方法，使得變壓器三相電感電流分別經過5/3個開關周期的過渡區間達到平衡；其中，三相橋式電路中相電壓的占空比是指在一個開關周期ts內每個相電壓函數為umx(t)為1或-1的時間占整個開關周期的比例，且占空比均小于或等于1；相電壓函數的值為1代表該相輸出正電平，其值為0代表該相輸出0電平，值為-1代表該相輸出負電平；m＝1或2，分別代表v1側和v2側的三相橋式電路，x＝a，b，c，分別代表三個橋臂。本發明進一步的改進在于，過渡區間為5/3個開關周期的瞬時電流控制方法為：對于任一側三相橋式電路，在穩態運行時占空比為d1,1，以a相相電壓函數um,a(t)上升沿時刻為0時刻，再經過(d11ts)/2進入過渡區間；進入過渡區間后a相占空比指令改為過渡占空比d11δ，即從0時刻繼續使a相開關函數um,a(t)保持為1或-1的狀態，持續(d11δts)/2的時間后變為0；從0時刻經過ts/3，b相相電壓函數um,b(t)經過(d11ts)/2后，占空比指令改為過渡占空比d11δ，即從ts/3時刻經過(d11ts)/2的時間，b相開關函數um,b(t)為1或-1的狀態，繼續持續(d11δts)/2的時間后變為0；從0時刻經過2ts/3，c相相電壓函數um,c(t)經過(d11ts)/2后，占空比指令改為過渡占空比d11δ，即從2ts/3時刻經過(d11ts)/2的時間，c相開關函數um,c(t)為1或-1的狀態，繼續持續(d11δts)/2的時間后變為0。本發明進一步的改進在于，過渡區間內的兩個過渡占空比的表達式分別為：其中，fs＝1/ts，為開關頻率；τ＝ls/rs，為時間常數；ls為三相變壓器中每相等效電感值；rs為三相變壓器中每相等效電阻值。本發明進一步的改進在于，通常情況下，時間常數與開關頻率的乘積較大，因此過渡區間內的兩個過渡占空比的表達式能夠分別簡寫為：與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果：本發明能夠在直流變換器的功率傳輸發生變化時，單獨或同時改變直流變換器中各相相電壓函數的占空比指令，通過調節過渡區間即暫態過程中，各相相電壓函數的占空比大小，使得變壓器中三相電感電流僅經過5/3個開關周期的過渡區間就可達到平衡。和傳統控制策略相比，縮短了變換器暫態時間，提高系統的動態響應。進一步地，本發明解決了在占空比控制量在發生變化的瞬時，直流變換器在暫態過程帶來的三相電感電流不平衡且出現直流偏置這一問題。通過對變換器穩態和暫態的分析，在兩個穩態之間引入了各相相電壓函數的暫態占空比，有效的減小暫態過程，且大大的減小其振蕩幅值和時間，降低因為三相電感電流不平衡及偏置導致的變壓器磁飽和問題的可能，，保證直流變換器正常工作，從而改善了變換器的動態性能。附圖說明圖1為基于npc的三相雙有源橋式直流變換器拓撲結構；圖2為穩態時變換器六個相電壓函數變化情況；圖3為傳統控制方式下變換器六個相電壓函數變化情況；圖4為暫態電流控制方式下變換器六個相電壓函數變化情況；圖5為5/3傳統控制方式下變換器三相電流；圖6為5/3瞬時電流控制方式下變換器三相電流。具體實施方式下面結合附圖和具體的實施例對本發明做進一步的詳細說明，所述是對本發明的解釋而不是限定。基于npc的三相雙有源橋式直流變換器的拓撲結構如圖1所示。其中，假設功率是從v1側流向v2側，則v1是輸入側直流電壓，v2是輸出側直流電壓。考慮三相對稱的情況，la、lb和lc分別是變壓器的三相漏感或附加電感，其感值均為ls；ra、rb和rc分別是三相線路電阻，其感值均為rs；ia、ib和ic分別是變壓器三相電感電流。三相高頻變壓器的變比為n:1。穩態時各相相電壓函數如圖2所示。設定三相雙有源橋式直流變換器的一組基本參數如表1所示。表1參數數值參數數值v1側電壓穩態值v1100v開關頻率fs20khzv2側電壓穩態值v260v額定傳輸功率po400wv1側輸入電容ci5000μf三相電阻rs＝ra＝rb＝rc0.2ωv2側輸出電容co500μf三相電感ls＝la＝lb＝lc35μh變壓器變比n1在三相雙有源橋式直流變換器的穩態運行時，采用可以實現電感電流有效值最低的占空比加移相調制策略。這種調制策略下有三個控制變量：v1側和v2側兩個三相橋式電路的占空比分別為d1和d2，以及兩側三相橋式電路相應相開關函數基波之間的移相比df。其中占空比指在一個開關周期ts內每相相電壓為正電壓持續的時間占整個開關周期的比例。對于表1中的基本參數，可以得到在這種調制策略下，變換器處于穩態時的三個控制變量分別為：占空比d1為0.2598、d2為0.3885，移相角df為0.2006。假設此時由于傳輸功率或其它控制需求的變化，兩個占空比d1和d2需要發生變化，分別從穩態情況下的d1,1＝0.2598和d2,1＝0.3885，改變至d1,2＝0.4159和d2,2＝0.4643，移相比保持不變。傳統控制的相電壓函數如圖3所示，在傳統控制方式下，兩個占空比變量會直接根據指令值的不同完成改變，三相電感電流仿真結果如圖5所示，功率指令發生變化后，b相與c相電流出現了明顯的偏置現象，有可能對變壓器造成磁飽和現象，使變壓器不能正常工作；同時在暫態過程中三相電流不對稱，且經過很長的暫態才能達到新的穩態，影響變換器的動態性能。當使用本發明中具有5/3個開關周期的過渡區間的瞬時電流控制方法時，三相雙有源橋式直流變換器的相電壓函數變化過程圖如圖5所示。過渡區間內的兩個過渡占空比的表達式為：式中，fs＝1/ts，為開關頻率；τ＝ls/rs，為時間常數。根據表1中變換器的參數可以得到τ＝ls/rs＝1.75×10-4。將其占空比始末值分別代入式(1)和式(2)，可以得到v1側三相橋的兩個過渡占空比分別為d1,1δ＝0.3739和d1,2δ＝0.3216，v2側三相橋的兩個過渡占空比分別為d2,1δ＝0.4439和d2,2δ＝0.4184。對于v1側三相橋，以a相相電壓函數u1,a(t)上升沿時刻為0時刻，再經過(d11ts)/2進入過渡區間；進入過渡區間后a相占空比指令改為過渡占空比d11δ，即從0時刻繼續使a相開關函數u1,a(t)保持為1或-1的狀態，持續(d11δts)/2的時間后變為0；從0時刻經過ts/3，b相相電壓函數u1,b(t)經過(d11ts)/2后，占空比指令改為過渡占空比d11δ，即從ts/3時刻經過(d11ts)/2的時間，b相開關函數u1,b(t)為1或-1的狀態，繼續持續(d11δts)/2的時間后變為0；從0時刻經過2ts/3，c相相電壓函數u1,c(t)經過(d11ts)/2后，占空比指令改為過渡占空比d11δ，即從2ts/3時刻經過(d11ts)/2的時間，c相開關函數u1,c(t)為1或-1的狀態，繼續持續(d11δts)/2的時間后變為0。對于v2側三相橋，以a相相電壓函數u2,a(t)上升沿時刻為0時刻，再經過(d11ts)/2進入過渡區間；進入過渡區間后a相占空比指令改為過渡占空比d11δ，即從0時刻繼續使a相開關函數u2,a(t)保持為1或-1的狀態，持續(d11δts)/2的時間后變為0；從0時刻經過ts/3，b相相電壓函數u2,b(t)經過(d11ts)/2后，占空比指令改為過渡占空比d11δ，即從ts/3時刻經過(d11ts)/2的時間，b相開關函數u2,b(t)為1或-1的狀態，繼續持續(d11δts)/2的時間后變為0；從0時刻經過2ts/3，c相相電壓函數u2,c(t)經過(d11ts)/2后，占空比指令改為過渡占空比d11δ，即從2ts/3時刻經過(d11ts)/2的時間，c相開關函數u2,c(t)為1或-1的狀態，繼續持續(d11δts)/2的時間后變為0三相電流仿真結果如圖6所示。圖中功率指令發生變化后，三相電感電流經過不到兩個開關周期的暫態時間就能達到新的穩態，大大降低因為三相電感電流不平衡且減小其振蕩幅值和時間，降低了變壓器磁飽和的可能，從而改善了變換器的動態性能。當前第1頁12