一种混合整流器运行能量优化的方法技术

本发明专利技术提供一种混合整流器运行能量优化的方法，包括：计算三相单开关Boost整流器SSTPBR的功率器件损耗；计算PWM整流器的损耗；计算混合整流器的输入功率、输出功率、效率；计算混合整流器损耗最小值α，并判断混合整流器的器件损耗算式是否存在损耗最小值。根据求取功率损耗最小时的α值，调整混合整流器中两并联整流器SSTPBR和PWM整流器输入电流波形，使混合整流器运行于开关损耗最小状态，该方法可以优化混合整流器输入的能量，提高运行效率，提高功率密度。

【技术实现步骤摘要】
一种混合整流器运行能量优化的方法
本专利技术涉及电子
，具体涉及一种混合整流器运行能量优化的方法。
技术介绍
整流器广泛应用于分布式新能源、电能质量补偿、高压直流输电、电气传动等领域，逐步向功率因数可调整、大容量、高功率密度方向发展。其中三相混合整流器是将低频整流器与高频整流器并联组合而成，可达到高功率密度、高功率因数、高效率、高可靠性的大容量整流器。如图1所示的，这种混合整流器通常由三相单开关Boost整流器(SingleSwitchThree-PhaseBoostRectifier,SSTPBR)与PWM整流器并联构成，其拓扑结构属于三相电压型整流器即三相VSR。根据PWM整流器结构不同，混合整流器可以分为两电平或多电平，单向或双向结构类型。图2a示出了T型三电平单向混合整流器，图2b示出了两电平双向混合整流器。电能变换效率是电力变换器系统性能的一项重要指标，目前针对混合整流器的研究都没有设计系统能效以及如何提高系统能效，导致现有的混合整流器的能效不佳。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术实施例要解决的技术问题是提出一种能够提高混合整流器电能利用率的优化方法，至少部分的解决现有技术中存在的问题。为了解决上述问题，本专利技术实施例提出了一种混合整流器运行能量优化的方法，包括以下步骤：步骤1、混合整流器由两并联整流器SSTPBR和PWM整流器构成，分别计算SSTPBR的功率器件损耗；计算PWM整流器的功率器件损耗；通过以下公式计算混合整流器的总损耗：Phybrid_SH＝Ppwm+PSS其中Phybrid_SH为混合整流器的功率器件损耗，Ppwm为PWM整流器的功率器件损耗，PSS为SSTPBR的功率器件损耗；步骤2、根据SSTPBR、PWM整流器中选定的功率开关器件分别列写以功率配比系数α为变量的功率器件损耗表达式(下面两部分分别描述两种整流器功率损耗计算方法)，其中，α为输入SSTPBR有功功率占混合整流器总输入有功功率的比例，β为输入PWM整流器有功功率占系统总输入有功功率的比例，α+β＝1，这里主要采用α参量作为功率配比。经整理后的损耗表达式是关于功率配比系数α的二阶方程，其中a1、a2、a3为SSTPBR功率损耗Pss的常系数、b1、b2、b3为PWM整流器功率损耗Ppwm的常系数。两种整流器器件损耗表达式如下所示：PSS＝a1+a2α+a3α2Ppwm＝b1+b2(1-α)+b3(1-α)2步骤3、将两整流器损耗叠加为混合整流器总器件损耗Phybrid_SH，其表达式如下所示：Phybrid_SH＝a1+a2α+a3α2+b1+b2(1-α)+b3(1-α)2求Phybrid_SH取最小值时的功率配比α，表达式如下所示：minJ[α]＝Phybrid_SH(α)；根据求取的功率配比α对SSTPBR和PWM整流器的器件参数进行调整，即：当1>α>0时，Ppwm、Pss的器件功率损耗匹配，即Ppwm、Pss的器件功率损耗具有可比性，则选取合适的功率配比α以可实现混合整流器功率损耗最小：即当α＝(b2+2b3-a2)/2(a3+b3)时，混合整流器损耗最小；当α>＝1，Ppwm>>Pss，Ppwm、Pss的器件功率损耗不匹配，需要调整PWM整流器中的器件，选取损耗较小的功率器件，直到总器件损耗最小时，满足1>α>0，然后求取功率损耗最小时的功率配比α；当α<＝0，Pss>>Ppwm，Ppwm、Pss的器件功率损耗不匹配，需要调整SSTPBR中的器件，选取损耗较小的功率器件，直到总器件损耗最小时，满足1>α>0，然后求取功率损耗最小时的功率配比α。步骤4、混合整流器输入总电流为正弦电流，调整两并联整流器即SSTPBR和PWM整流器的输入电流波形，使整流器的功率配比达到α，，从而实现混合整流器器件损耗最小，提高能量利用率，提高运行效率。下面两部分分别描述三种典型的电流分配方式，即：这种类型的混合整流器中SSTPBR电路拓扑结构相同，而PWM整流器电路拓扑结构不同，下面计算损耗是以图2a拓扑结构中的功率器件作为算例进行计算的，每种损耗标注了对应图中的功率器件标号。下面的内容说明功率配比α与混合整流器中两并联整流器SSTPBR及PWM整流器输入电流有效值的关系，即调整两并联整流器SSTPBR及PWM整流器输入电流波形就相应调整了功率配比α，从而混合整流器的最小功率损耗对应的功率配比α，可以通过调整相应的输入电流来实现混合整流器的能量优化。其中，所述方法还包括：输入电流波形与混合整流器的功率配比α的关系，以下部分分别描述典型电流波形与功率配比α关系(本部分推导了SSTPBR输入电流波形为平顶波时的功率配比α值，下一部分推导了SSTPBR输入电流波形为圆弧波形和三角波形的功率配比α值)。通过调整电流波形达到功率配比α值，为混合整流器运行能量优化，提供可靠方法和依据。具体包括：混合整流器的功率为Pin＝3UI＝Po＝UoIo；其中Pin为输入有功功率；U为交流侧输入相电压有效值；I为交流侧输入相电流有效值；PO为输出有功功率；UO为直流侧输出电压；IO为直流侧输出负载电流；其中SSTPBR和PWM整流器并联，其正、负半周波形对称，因此在0≤ωt≤π范围内的a相电流参数取值，SSTPBR电路中输入电流为平顶波，则电压输出控制量配比：Pin-pd＝UpnIb-pd其中Upn为SSTPBR回路中三相不控整流桥输出电压有效值，Upn＝2.34U；Ib-pd为SSTPBR回路电流为平顶波的有效值Ib-pb＝I/21/2；Pin-pd为SSTPBR电流波形为平顶波的输入功率；其中α为输入SSTPBR有功功率占系统总输入有功功率的比例，Pin-pwm为PWM整流器输入功率，β为输入PWM整流器有功功率占系统总输入有功功率的比例，其中α+β＝1。其中，所述方法还包括(上部分推导了SSTPBR输入电流波形为平顶波时的功率配比α值，而本一部分推导了SSTPBR输入电流波形为圆弧波形和三角波形的功率配比α值)：SSTPBR回路电流为圆弧波和三角波两种典型电流波形的有效值计算及功率配比数值：其中，电流Ib-yh、Ib-sj和功率配比αyh、αsj、βyh、βsj变量中的下角标yh代表SSTPBR回路电流波形为圆弧波，sj代表SSTPBR回路电流波形为三角波。其中，所述SSTPBR和PWM整流器并联，且输入功率与输入电流有效值有关；其中两个并联整流器单相输入有效电流Izi、Ivi表示为Ivi＝kv(1-α)I其中kz、kv为并联整流器支路电流有效值与总电流有效值、功率配比间的关系系数。其中，所述步骤1中的计算三相单开关Boost整流器SSTPBR的功率器件损耗，具体包括以下步骤：分别计算开关器件IGBT(Sb)损耗PSS_IGBT、升压二极管损耗PSS_DIO(Db)、三相不控整流器二极管损耗PSS_DIO_ZL(DbR)；并计算SSTPBR的功率器件损耗PSS：PSS＝PSS_IGBT+PSS_DIO+PSS_DIO_ZL；具体包括：步骤1A、计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合整流器运行能量优化的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、混合整流器由两并联整流器SSTPBR和PWM整流器构成，分别计算SSTPBR的功率器件损耗；计算PWM整流器的功率器件损耗；通过以下公式计算混合整流器的总损耗：Phybrid_SH＝Ppwm+PSS其中Phybrid_SH为混合整流器的功率器件损耗，Ppwm为PWM整流器的功率器件损耗，PSS为SSTPBR的功率器件损耗；步骤2、根据SSTPBR、PWM整流器中选定的功率开关器件分别列写以功率配比系数α为变量的功率器件损耗表达式；其中，α为输入SSTPBR有功功率占混合整流器总输入有功功率的比例，β为输入PWM整流器有功功率占系统总输入有功功率的比例，α+β＝1，这里主要采用α参量作为功率配比；经整理后的损耗表达式是关于功率配比系数α的二阶方程，其中a1、a2、a3为SSTPBR功率损耗Pss的常系数、b1、b2、b3为PWM整流器功率损耗Ppwm的常系数；两种整流器器件损耗表达式如下所示：PSS＝a1+a2α+a3α

【技术特征摘要】
1.一种混合整流器运行能量优化的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、混合整流器由两并联整流器SSTPBR和PWM整流器构成，分别计算SSTPBR的功率器件损耗；计算PWM整流器的功率器件损耗；通过以下公式计算混合整流器的总损耗：Phybrid_SH＝Ppwm+PSS其中Phybrid_SH为混合整流器的功率器件损耗，Ppwm为PWM整流器的功率器件损耗，PSS为SSTPBR的功率器件损耗；步骤2、根据SSTPBR、PWM整流器中选定的功率开关器件分别列写以功率配比系数α为变量的功率器件损耗表达式；其中，α为输入SSTPBR有功功率占混合整流器总输入有功功率的比例，β为输入PWM整流器有功功率占系统总输入有功功率的比例，α+β＝1，这里主要采用α参量作为功率配比；经整理后的损耗表达式是关于功率配比系数α的二阶方程，其中a1、a2、a3为SSTPBR功率损耗Pss的常系数、b1、b2、b3为PWM整流器功率损耗Ppwm的常系数；两种整流器器件损耗表达式如下所示：PSS＝a1+a2α+a3α2Ppwm＝b1+b2(1-α)+b3(1-α)2步骤3、将两整流器损耗叠加为混合整流器总器件损耗Phybrid_SH，其表达式如下所示：Phybrid_SH＝a1+a2α+a3α2+b1+b2(1-α)+b3(1-α)2求Phybrid_SH取最小值时的功率配比α，表达式如下所示：minJ[α]＝Phybrid_SH(α)；根据求取的功率配比α对SSTPBR和PWM整流器的器件参数进行调整，即：当1>α>0时，Ppwm、Pss的器件功率损耗匹配，即Ppwm、Pss的器件功率损耗具有可比性，则选取合适的功率配比α以可实现混合整流器功率损耗最小：即当α＝(b2+2b3-a2)/2(a3+b3)时，混合整流器损耗最小；当α>＝1，Ppwm>>Pss，Ppwm、Pss的器件功率损耗不匹配，需要调整PWM整流器中的器件，选取损耗较小的功率器件，直到总器件损耗最小时，满足1>α>0，然后求取功率损耗最小时的功率配比α；当α<＝0，Pss>>Ppwm，Ppwm、Pss的器件功率损耗不匹配，需要调整SSTPBR中的器件，选取损耗较小的功率器件，直到总器件损耗最小时，满足1>α>0，然后求取功率损耗最小时的功率配比α；步骤4、混合整流器输入总电流为正弦电流，调整两并联整流器即SSTPBR和PWM整流器的输入电流波形，使整流器的功率配比达到α，从而实现混合整流器器件损耗最小，提高能量利用率，提高运行效率。2.根据权利要求1所述的混合整流器运行能量优化的方法，其特征在于，所述方法还包括：混合整流器的功率为Pin＝3UI＝Po＝UoIo；其中Pin为输入有功功率；U为交流侧输入相电压有效值；I为交流侧输入相电流有效值；PO为输出有功功率；UO为直流侧输出电压；IO为直流侧输出负载电流；其中SSTPBR和PWM整流器并联，其正、负半周波形对称，因此在0≤ωt≤π范围内的a相电流参数取值，SSTPBR电路中输入电流为平顶波，则电压输出控制量配比：Pin-pd＝UpnIb-pd其中Upn为SSTPBR回路中三相不控整流桥输出电压有效值，Upn＝2.34U；Ib-pd为SSTPBR回路电流为平顶波的有效值Ib-pb＝I/21/2；Pin-pd为SSTPBR电流波形为平顶波的输入功率；其中α为输入SSTPBR有功功率占系统总输入有功功率的比例，Pin-pwm为PWM整流器输入功率，β为输入PWM整流器有功功率占系统总输入有功功率的比例，其中α+β＝1。3.根据权利要求2所述的混合整流器运行能量优化的方法，其特征在于，所述方法还包括：SSTPBR回路电流为圆弧波和三角波两种典型电流波形的有效值计算及功率配比数值：其中，电流Ib-yh、Ib-sj和功率配比αyh、αsj、βyh、βsj变量中的下角标yh代表SSTPBR回路电流波形为圆弧波，sj代表SSTPBR回路电流波形为三角波。4.根据权利要求3所述的混合整流器运行能量优化的方法，其特征在于，所述SSTPBR和PWM整流器并联，且输入功率与输入电流有效值有关；其中两个并联整流器单相输入有效电流Izi、Ivi表示为Ivi＝kv(1-α)I其中kz、kv为并联整流器支路电流有效值与总电流有效值、功率配比间的关系系数。5.根据权利要求1所述的混合整流器运行能量优化的方法，其特征在于，所述步骤1中的计算三相单开关Boost整流器SSTPBR的功率器件损耗，具体包括以下步骤：分别计算开关器件IGBT损耗PSS_IGBT、升压二极管损耗PSS_DIO、三相不控整流器二极管损耗PSS_DIO_ZL；并计算SSTPBR的功率器件损耗PSS：PSS＝PSS_IGBT+PSS_DIO+PSS_DIO_ZL；具体包括：步骤1A、计算开关器件IGBT损耗PSS_IGBT，PSS_IGBT＝PSS_IGBT_DT+PSS_IGBT_KG；其中PSS_IGBT_DT为IGBT导通所消耗的能量，PSS_IGBT_KG为IGBT开关所消耗的能量；具体包括：通过以下公式计算单位时间内IGBT开关所消耗的能量为PSS_IGBT_KG＝fSS_SW(Eon+Eoff)其中fss_sw为IGBT开关频率，Eon为IGBT开通一次的能量，Eoff为IGBT关断一次的能量；器件数据资料提供...

【专利技术属性】
技术研发人员：李萍，王久和，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11