CN102882413A - 基于调制波修正的三电平逆变器死区补偿算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于调制波修正的三电平逆变器死区补偿算法，包括有三电平逆变器，三电平逆变器为二极管钳位型三电平逆变器，二极管钳位型三电平逆变器包括有三个并联的三电平桥臂，具体算法包括以下步骤：通过判断桥臂电流方向、调制波正负、一个开关周期三角载波上升沿还是下降沿三个影响因数的不同状态对调制波进行相应的调整，然后与三角波比较得到PWM开关序列，加入死区时间后得到死区补偿后的开关管驱动信号。本发明的算法能够对死区效应进行实时准确地补偿，不仅能够有效地降低5次和7次谐波，防止电压和电流波形畸变，而且不会造成输出波形的延时，不需要添加专门硬件检测装置，降低了成本，同时系统的可靠性和准确性也能得到保证。

Description

基于调制波修正的三电平逆变器死区补偿算法

技术领域

本发明涉及死区补偿算法领域，具体涉及一种基于调制波修正的三电平逆变器死区补偿算法，特别适合基于电力电子变流技术和计算机控制技术相结合的光伏并网发电、风力发电等能量变换系统中变流器的死区补偿。

背景技术

功率器件存在开关延时，若同一桥臂一个器件需要关断而未关断，与之互补的器件导通，则会造成直通，烧坏器件。为防止逆变器直通，需要对互补的触发信号加入死区。在死区时间内，期望的PWM脉冲前沿或后沿会叠加或减少死区时间对应的宽度，导致输出电压和电流波形畸变，幅值降低，低频谐波增加，占比重最大的是5次和7次谐波，死区时间占开关周期的比例和调制度会影响畸变程度。

目前死区补偿方法有通过判断调制波正负和电流方向，对一个三角波周期对应的调制波进行整体调整，虽然能达到一定的补偿效果，但是也会造成输出波形半个死区时间的延时。有的补偿方法是基于脉冲的死区补偿，通过添加硬件设备检测开关器件的导通时刻，通过修改导通时间进行死区补偿，这种补偿方式不会对输出造成延时，但是增加了系统成本，同时可靠性也将降低。

发明内容

本发明的要解决的问题是针对目前三电平变流器死区补偿方法的缺陷提出一种基于调制波修正的三电平逆变器死区补偿算法。

本发明采用的技术方案是：

基于调制波修正的三电平逆变器死区补偿算法，包括有三电平逆变器，所述的三电平逆变器为二极管钳位型三电平逆变器，二极管钳位型三电平逆变器包括有三个并联的三电平桥臂，其特征在于，具体算法包括以下步骤：

（1）判断调制波正负、桥臂电流方向、一个开关周期三角载波是上升沿还是下降沿；

（2）通过步骤（1）中的三个影响因数的不同状态对调制波进行相应的调整；

假设电流流出三电平逆变器方向为正反向，死区时间为T_d，开关频率为f_c，调制波为u_r，死区补偿对应的调制波修正量为Δu_r，Δu_r=2T_df_c；

1)当调制波大于零、电流大于零、正半轴三角波下降沿时，将调制波加上调制波修正量Δu_r，即修正后调制波为u_r+Δu_r；

2)当调制波大于零、电流小于零、正半轴三角波上升沿时，将调制波减去调制波修正量Δu_r，即修正后调制波为u_r-Δu_r；

3)当调制波小于零、电流大于零、负半轴三角波下降沿时，将调制波加上调制波修正量Δu_r，即修正后调制波为u_r+Δu_r；

4)当调制波小于零、电流小于零、负半轴三角波上升沿时，将调制波减去调制波修正量Δu_r，即修正后调制波为u_r-Δu_r；

（3）修正后的调制波与三角波比较得到PWM开关序列，加入死区时间T_d后就得到补偿后的开关管驱动信号。

本发明的有益效果在于：

本发明的算法能够对死区效应进行实时准确地补偿，不仅能够有效地降低5次和7次谐波，防止电压和电流波形畸变，而且不会造成输出波形的延时，不需要添加专门硬件检测装置，降低了成本，同时系统的可靠性和准确性也能得到保证。

附图说明：

图1是二极管钳位型三电平逆变器的一个桥壁的电路拓扑结构示意图。

图2是0和1状态之间切换时的死区效应及补偿示意图。

图3是0和-1状态之间切换时的死区效应及补偿示意图。

图4是死区效应对输出电流波形和相电压基波的影响示意图。

图5是三电平双载波同向载波发波方式示意图。

图6是三电平双载波反向载波发波方式示意图。

图7是一种基于调制波修正的三电平死区补偿算法示意图。

图8是同向载波不加死区补偿和加补偿时的A相输出电流波形及FFT分析示意图。

图9是反向载波不加死区补偿和加补偿时的A相输出电流波形及FFT分析示意图。

具体实施方式

下面说明结合说明书附图进行分析：

如图1所示，基于调制波修正的三电平逆变器死区补偿算法，包括有三电平逆变器，所述的三电平逆变器为二极管钳位型三电平逆变器，二极管钳位型三电平逆变器包括有三个并联的三电平桥臂，具体算法包括以下步骤：

（1）判断调制波正负、桥臂电流方向、一个开关周期三角载波是上升沿还是下降沿；

（2）通过步骤（1）中的三个影响因数的不同状态对调制波进行相应的调整；

假设电流流出三电平逆变器方向为正反向，死区时间为T_d，开关频率为f_c，调制波为u_r，死区补偿对应的调制波修正量为Δu_r，Δu_r=2T_df_c；

1)当调制波大于零、电流大于零、正半轴三角波下降沿时，将调制波加上调制波修正量Δu_r，即修正后调制波为u_r+Δu_r；

2)当调制波大于零、电流小于零、正半轴三角波上升沿时，将调制波减去调制波修正量Δu_r，即修正后调制波为u_r-Δu_r；

3)当调制波小于零、电流大于零、负半轴三角波下降沿时，将调制波加上调制波修正量Δu_r，即修正后调制波为u_r+Δu_r；

4)当调制波小于零、电流小于零、负半轴三角波上升沿时，将调制波减去调制波修正量Δu_r，即修正后调制波为u_r-Δu_r；

（3）修正后的调制波与三角波比较得到PWM开关序列，加入死区时间T_d后就得到补偿后的开关管驱动信号。

本发明的原理及举例说明如下：

1、三电平逆变器死区效应及影响

三电平逆变器有1、0、-1三种开关状态，对应输出电压的三种状态为：

（1）V_dc/2状态：VS₁、VS₂导通，VS₃、VS₄关断；

（2）0状态：VS₂、VS₃导通，VS₁、VS₄关断；

（3）-V_dc/2状态：VS₃、VS₄导通，VS₁、VS₂关断；

开关状态不允许1状态和-1状态之间直接切换，只能在1状态和0状态以及-1状态和0状态之间切换。

以三电平逆变器一相桥臂为例对死区效应及补偿原理进行分析，如图1所示。

规定电流流出桥臂方向为正方向。u为A和O点之间电压，电流方向和路径与开关状态之间的关系如表1所示：

表1 开关状态与电流方向和路径的关系

其中，d₁表示0状态和1状态之间切换时插入的死区状态，d₂表示0状态和-1状态之间切换时插入的死区状态，i为输出电流。

当开关状态在0和1之间切换时，需要插入死区状态d₁，死区效应如图2所示。

当电流为正，0→1切换过程中实际电压u比理想电压v_ref少输出时间的；电流为负时，1→0切换过程中实际电压比理想电压u多输出T_d时间的V_dc/2。

当开关状态在0和-1之间切换时，需要插入死区状态d₂，死区效应如图3所示。

当电流为正，-1→0切换过程中实际电压u比理想电压v_ref多输出T_d时间的-V_dc/2；电流为负时，0→-1切换过程中实际电压u比理想电压v_ref少输出T_d时间的-V_dc/2。

2、死区效应对逆变器输出的影响

由图2和图3分析可知，实际输出电压与理想输出电压的差是一个脉冲误差电压。根据等时间电压面积法，误差电压可等效为方波信号，其幅值为：|Δv|=f_cT_dV_dc/2，其平均值：

$\mathrm{\&Delta;v}=\left\{\begin{array}{cc}{f}_c{T}_d{V}_{\mathrm{dc}}/2& i>0\\ {-f}_c{T}_d{V}_{\mathrm{dc}}/2& i<0\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，T_d为死区时间，f_c为开关频率，V_dc为直流电压，i为桥臂输出电流。

对其进行傅里叶级数分解，可得偶次谐波幅值为零，奇次谐波幅值为：

$\mathrm{\&Delta;v}=\frac{4\left|\mathrm{\&Delta;v}\right|}{\mathrm{\&pi;}}(\sin \mathrm{\&omega;t}+\frac{1}{3}\sin 3\mathrm{\&omega;t}+\frac{1}{5}\sin 5\mathrm{\&omega;t}+\frac{1}{7}\sin 7\mathrm{\&omega;t}+....)---\left(2\right)$

其基波分量有效值为： 

，基波相位与电流相反。 在三相三线系统中，3次谐波转化为共模电压，死区引起的电流谐波中5次和7次占的比重较大。

死区效应对输出基波的影响如图4所示，其中

为偏差电压基波的向量形式，

为实际输出电流i的向量形式，

实际输出电压u的向量形式，φ为功率因数角，即

与

的夹角，φ′为

与

的夹角，

为理想输出电压v_ref的向量形式，有效。根据图4可推得：

。

$V/V_{\mathrm{ref}}=-\mathrm{\&eta;}\cos \mathrm{\&phi;}+\sqrt{1-{\mathrm{\&eta;}}^2{\sin }^2\mathrm{\&phi;}}---\left(3\right)$

$\mathrm{\&eta;}=\frac{\mathrm{\&Delta;V}}{V_{\mathrm{ref}}}=\frac{2k}{\mathrm{m\&pi;}}---\left(4\right)$

其中，0＜η＜1，k=f_cT_d为死区占开关周期的比例，m为调制度。

由式（3）和（4）可知，死区效应使逆变器输出电压幅值减小，相位发生偏移。当m不变时，k越大，死区影响越严重；当k不变时，m越小，死区影响越严重。

3、三电平死区补偿原理

死区补偿原理如图2和图3所示，当电流为正，0→1切换过程将VS₁控制信号上升沿提前T_d；-1→0切换过程将VS₄控制信号上升沿滞后T_d。

电流为负时，1→0切换过程将VS₁控制信号上升沿滞后T_d；0→-1切换过程将VS₄控制信号上升沿提前T_d。

将VS₁控制信号反向后加入死区时间VS₁得到VS₃控制信号；将VS₄控制信号反向后加入死区时间T_d得到VS₂控制信号。补偿后实际输出电压u就是理想电压v_ref。

一种基于调制波修正的三电平死区补偿算法示意图如图7所示。

图中，u_r为调制波，u_r=2T_df_c为死区时间对应调制波修正量，u_cP为正半轴三角载波，u_cN为负半轴三角载波，k_P和k_N分别为正半轴三角波斜率合负半轴三角波斜率，大于零表示上升沿，小于零表示下降沿，T_s为开关周期，i为输出电流。

当调制波大于零、电流大于零、正半轴三角波下降沿时，修正后调制波为u_r+Δu_r。

当调制波大于零、电流小于零、正半轴三角波上升沿时，修正后调制波为u_r-Δu_r。

当调制波小于零、电流大于零、负半轴三角波下降沿时，修正后调制波为u_r+Δu_r。

当调制波小于零、电流小于零、负半轴三角波上升沿时，修正后调制波为u_r-Δu_r。

将修正后的调制波与三角波进行比较得到PWM脉冲，加上死区后得到补偿后的开关序列。 图5是同向载波法波方式，图6是反向载波发波方式。

4、仿真验证

根据补偿算法搭建了三相三电平逆变器MATLAB/Sinmulink仿真模型，仿真采用无源逆变，电路参数：负载R=12Ω，L=1.5mH,开关频率f_c=10kHz，死区时间T_d=6.6μs，直流电压V_dc=400V，调制波频率f_r=50Hz，调制度m=0.5。

本发明仿真波形如图8和图9所示。其中，图8（a）同向载波模式下不加死区补偿时的A相电流波形图，图8（b）同向载波模式下不加死区补偿时的A相电流波形FFT分析示意图，图8（c）同向载波模式下加死区补偿后的A相电流波形图，图8（d）同向载波模式下加死区补偿后的A相电流波形FFT分析示意图；图9（a）反向载波模式下不加死区补偿时的A相电流波形图，图9（b）反向载波模式下不加死区补偿时的A相电流波形FFT分析示意图，图9（c）反向载波模式下加死区补偿后的A相电流波形图，图9（d）反向载波模式下加死区补偿后的A相电流波形FFT分析示意图。

图8（a）和图9（a）说明死区效应最造成输出波形畸变，有效值降低；图8（b）和图9（b）说明由于死区效应的影响，输出波形中的低频谐波，特别是5次和7次谐波含量很大；图8（c）、（d）和图9（c）、（d）说明本发明的死区补偿算法能够对死区效应进行有效地补偿，改善输出波形和提高有效值，显著降低输出波形的5次和7次谐波含量，并且适用于不同的载波方式。

Claims (1)

1.一种基于调制波修正的三电平逆变器死区补偿算法，包括有三电平逆变器，所述的三电平逆变器为二极管钳位型三电平逆变器，二极管钳位型三电平逆变器包括有三个并联的三电平桥臂，其特征在于，具体算法包括以下步骤：

（1）判断调制波正负、桥臂电流方向、一个开关周期三角载波是上升沿还是下降沿；

（2）通过步骤（1）中的三个影响因数的不同状态对调制波进行相应的调整；

假设电流流出三电平逆变器方向为正反向，死区时间为T_d，开关频率为f_c，调制波为u_r，死区补偿对应的调制波修正量为Δu_r，Δu_r=2T_df_c；

1)当调制波大于零、电流大于零、正半轴三角波下降沿时，将调制波加上调制波修正量Δu_r，即修正后调制波为u_r+Δu_r；

2)当调制波大于零、电流小于零、正半轴三角波上升沿时，将调制波减去调制波修正量Δu_r，即修正后调制波为u_r-Δu_r；

3)当调制波小于零、电流大于零、负半轴三角波下降沿时，将调制波加上调制波修正量Δu_r，即修正后调制波为u_r+Δu_r；

4)当调制波小于零、电流小于零、负半轴三角波上升沿时，将调制波减去调制波修正量Δu_r，即修正后调制波为u_r-Δu_r；

（3）修正后的调制波与三角波比较得到PWM开关序列，加入死区时间T_d后就得到补偿后的开关管驱动信号。

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