CN104967296A - 三电平变流器的shepwm补偿方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三电平变流器的SHEPWM补偿方法及系统，属于电气传动技术领域，解决了现有技术的补偿效果较差的技术问题。该三电平变流器的SHEPWM补偿方法包括：分别获取各相的补偿值；根据各相的补偿值，分别对各相调制脉冲的脉冲宽度进行补偿。本发明可用于大功率低开关频率的三电平变流器中。

Description

三电平变流器的SHEPWM补偿方法及系统

技术领域

本发明涉及电气传动技术领域，具体的说，涉及一种三电平变流器的SHEPWM补偿方法及系统。

背景技术

在冶金轧机、矿井提升机等领域的大功率工业用传动系统中，由于要求制动时能量回馈电网，网侧需要设置有源整流单元。在中压应用条件下，有源整流单元的主电路结构往往采用三电平中点箝位型变流器。

绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)、集成门极换流晶闸管(Intergrated Gate Commutated Thyristors，简称IGCT)、电子注入增强栅晶体管(Injection Enhanced Gate Transistor，简称IEGT)等大功率半导体器件，由于开通关断损耗等原因，开关频率普遍较低。在低开关频率条件下，如何降低网侧谐波水平，减小谐波对变压器的危害及对电网的污染，是大功率变流器网侧系统设计的重要问题。

如图1和图2所示，在三电平变流器的单相桥臂中，为了防止桥臂直通，必须在同一桥臂的互补脉冲触发信号中设置死区时间τ，以保证同相桥臂开关管可靠关断后，与之互补的开关管才能导通。大功率的半导体器件(比如IGCT等)由于开通关断吸收回路特性等原因，需要设置较大的死区时间，尽管开关频率较低，但死区时间对其输出的影响仍然较大。

另外，对于大功率三电平电气传动系统而言，其网侧电感一般都由变压器的内部阻抗所等效，变压器的次边通常直接连接变流器的阀侧，变流器输出的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，简称PWM)电压将直接作用在变压器次边绕组上。由于控制系统采样偏差、延时特性、电网电压谐波以及管压降等影响，阀侧PWM电压中会存在一定的直流分量，若该直流分量长期累积，将使变压器的铁芯进入饱和状态，从而使得变压器次边输出电流发生畸变。

现有的补偿方法均是针对中高开关频率的变流器，基本都是通过修正控制量或者调制波的方式进行补偿。但是，修正控制量或调制波的方式的补偿精度较低，特别是在大功率低开关频率的应用场合，其补偿效果较差。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种三电平变流器的特定谐波消除脉宽调制(Selective Harmonic Elimination Pulse Width Modulation，简称SHEPWM)补偿方法及系统，以解决现有技术的补偿效果较差的技术问题。

本发明提供一种三电平变流器的SHEPWM补偿方法，包括：

分别获取各相的补偿值；

根据各相的补偿值，分别对各相调制脉冲的脉冲宽度进行补偿。

进一步的是，分别获取各相的补偿值，包括：

根据死区时间的大小，分别获取各相的死区时间补偿值。

优选的是，当所述三电平变流器处于整流状态时，根据各相的补偿值，分别对各相调制脉冲的脉冲宽度进行补偿，具体为：

以各相的死区时间补偿值作为减小量，分别减小各相调制脉冲的脉冲宽度。

优选的是，当所述三电平变流器处于逆变状态时，根据各相的补偿值，分别对各相调制脉冲的脉冲宽度进行补偿，具体为：

以各相的死区时间补偿值作为增大量，分别增大各相调制脉冲的脉冲宽度。

进一步的是，在根据死区时间的大小，分别获取各相的死区时间补偿值之前，还包括：

判断所述三电平变流器当前的负载状态；

若为重载状态，则继续根据死区时间的大小，分别获取各相的死区时间补偿值；

若为空载或轻载状态，则死区时间补偿值为零。

进一步的是，分别获取各相的补偿值，包括：

获取各相的直流分量补偿值。

优选的是，获取各相的直流分量补偿值，具体为：

获取前一个工频周期内的线电压U_ab的直流电压分量U_o1和线电压U_bc的直流电压分量U_o2；

对U_o1进行积分运算，获取A相的直流分量补偿值；

对U_o2进行积分运算，获取C相的直流分量补偿值；

B相的直流分量补偿值为零。

本发明还提供一种三电平变流器的SHEPWM系统，包括调制模块、补偿模块和开关模块；

所述调制模块将三相调制波调制为各相原始脉冲信号；

所述补偿模块利用上述的补偿方法，对各相原始脉冲信号进行补偿，并输出至所述开关模块。

进一步的是，该系统还包括第一积分单元和第二积分单元；

线电压U_ab通过所述第一积分单元连接至所述补偿模块，线电压U_bc通过所述第二积分单元连接至所述补偿模块。

本发明带来了以下有益效果：本发明提供的技术方案中，可以针对死区时间和直流分量，获取变流器各相的补偿值，并以此分别对各相调制脉冲的脉冲宽度进行修正。相比于修正控制量或者调制波的方式，修正脉冲宽度的补偿方式的精度更高，尤其是在大功率低开关频率的场景中，能够显著提高针对谐波的补偿精度，从而解决了现有技术中补偿效果较差的技术问题。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是三电平变流器的单相桥臂的示意图；

图2是关于死区时间的时序图；

图3是本发明实施例提供的三电平变流器的SHEPWM系统的示意图；

图4是三电平变流器的相电压的波形图；

图5和图6是死区时间对相电压影响的波形图；

图7是变压器直流磁偏饱和的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明实施例提供一种三电平变流器的SHEPWM补偿方法及系统。如图3所示，该三电平变流器的SHEPWM系统包括调制模块、补偿模块和开关模块。调制模块将三相调制波U_Sa、U_Sb、U_Sc调制为A、B、C各相的原始脉冲信号。补偿模块利用本发明实施例提供的补偿方法，对各相原始脉冲信号进行补偿，生成A、B、C各相的实际脉冲信号，并输出至开关模块。开关模块即为三电平变流器中由IGCT等开关部件组成的桥臂。

本发明实施例提供的三电平变流器的SHEPWM补偿方法主要包括：

S1：分别获取各相的补偿值。

S2：根据各相的补偿值，分别对各相调制脉冲的脉冲宽度进行补偿。

本实施例中，可以针对死区时间和直流分量进行补偿，以下分别针对这两种情况详细描述：

对于死区时间，在步骤S1中包括：

S11：根据死区时间的大小，分别获取各相的死区时间补偿值。

补偿值的大小为T_DT/ω，其中T_DT为死区时间的时长，ω为电网角频率。

对于直流分量，在步骤S1中包括：

S12：获取各相的直流分量补偿值。

具体的，若三相三电平PWM整流器输出的实际线电压为U’_ab、U’_bc、U’_ca，而理想输出电压为U_ab、U_bc、U_ca，三相线电压中各种因素引起的直流分量为U_o1、U_o2、U_o3，则：

U'_ab＝U_ab+U_o1

U'_bc＝U_bc+U_o2

U'_ca＝U_ca+U_o3

由于三相变压器系统中，对于实际线电压而言：

U′_ab+U′_bc+U′_ca＝0

对于理想线电压，同样有：

U_ab+U_bc+U_ca＝0

因此：

U_o1+U_o2+U_o3＝0

在一段时间[T₁,T₂]内，对于三相直流分量而言：

${\∫}_{T_1}^{T_2}{U}_{o1}\mathrm{dt}+{\∫}_{T_1}^{T_2}{U}_{o2}\mathrm{dt}=-{\∫}_{T_1}^{T_2}{U}_{o3}\mathrm{dt}$

若使得 ${\∫}_{T_1}^{T_2}{U}_{o1}\mathrm{dt}=0,{\∫}_{T_1}^{T_2}{U}_{o2}\mathrm{dt}=0,$ 则 ${\∫}_{T_1}^{T_2}{U}_{o3}\mathrm{dt}=0,$ 即可有效的抑制三相线电压中的直流分量，消除变压器磁感应强度的位移，防止由于变压器偏磁饱和导致电流畸变。

因此，如图3所示，本发明实施例提供的SHEPWM系统还包括第一积分单元和第二积分单元。线电压U_ab通过第一积分单元连接至补偿模块，线电压U_bc通过第二积分单元连接至补偿模块。此外，补偿模块还需要检测有功电流给定值I_{d_ref}。

基于上述原理，步骤S12具体为：

获取前一个工频周期内的线电压U_ab的直流电压分量U_o1和线电压U_bc的直流电压分量U_o2。对U_o1进行积分运算，获取A相的直流分量补偿值；对U_o2进行积分运算，获取C相的直流分量补偿值；而B相的直流分量补偿值为零。

综上所述，综合死区时间和直流分量，获取补偿值的过程为，SHEPWM系统将上一个工频周期内的∫U_o1dt和∫U_o2dt计算完成，再结合死区时间的影响，获取下一个工频周期的脉冲宽度的补偿值。

本实施例中，通过对特定的电角度开通关断的修正，实现脉冲宽度的补偿，使得输出波形中某些次谐波被去除。通常可通过电压矢量所处的实际角度通过查表法查到器件所处的开通关断状态，三电平特定谐波调制策略输出相电压波形如图4所示，图中的α₁、α₂、α₃……代表开关角度。

根据所获取的补偿量对下一个工频周期的脉冲开关角度进行综合补偿，整个系统工作在单位功率因数状态，即无功电流给定为0，有功电流给定为I_{d_ref}。

在当前工频周期内，定义函数g(x)代表对应A相、B相、C相脉冲的开关角度补偿量，则有：

$g\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}{k}_1\·2{\∫U}_{o1}\mathrm{dt}/\left(U_{\mathrm{DC}}\mathrm{N\ω}\right)+k_2\·T_{\mathrm{DT}}/\mathrm{\ω}& x=A\\ k_3\·T_{\mathrm{DT}}/\mathrm{\ω}& x=B\\ -k_4\·2{\∫U}_{o2}\mathrm{dt}/\left(U_{\mathrm{DC}}\mathrm{N\ω}\right)+k_5\·T_{\mathrm{DT}}/\mathrm{\ω}& x=C\end{array}\right.$

其中，U_DC为中间直流电压，N为分频数。

以各相的过零点为角度的起始点，则原始脉冲信号的开关角度与实际脉冲信号的开关角度的补偿关系为：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_1^{\′}\\ {\mathrm{\α}}_2^{\′}\\ {\mathrm{\α}}_3^{\′}\\ ...\\ {\mathrm{\α}}_N^{\′}\\ {\mathrm{\α}}_{N+1}^{\′}\\ ...\\ {\mathrm{\α}}_n^{\′}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_1\\ {\mathrm{\α}}_2\\ {\mathrm{\α}}_3\\ ...\\ {\mathrm{\α}}_N\\ {\mathrm{\α}}_{N+1}\\ ...\\ {\mathrm{\α}}_n\end{array}\right)-g\left(x\right),\left(\begin{array}{cc}x=A,B,C& 1\≤n\≤4N\end{array}\right)$

其中，α_n为原始脉冲信号的开关角度，α’_n为原始脉冲信号的开关角度，接近理想开关角度。

N所代表的分频数，代表1/4周期内开关角的数量，因此在整个工频周期内，开关角的个数为4N。对于g(x)中k₁、k₂、k₃、k₄、k₅的取值如表1，表2，表3所示：

表1 k₁、k₂取值

表2 k₁、k₂取值

表3 k₄、k₅取值

其中，P为网侧额定电流峰值的1/10。

进一步的是，在进行上述步骤S11之前，还包括：

判断三电平变流器当前的负载状态。若为重载状态(I_{d_ref}＞P或I_{d_ref}＜﹣P)，则继续根据死区时间的大小，分别获取各相的死区时间补偿值。若为空载或轻载状态(﹣P≤I_{d_ref}≤P)，则死区时间补偿值为零。

由于空载或轻载时网侧电流过零点的不规则性，因此若﹣P≤I_{d_ref}≤P，则k₂、k₃、k₅均为0。即在空载或轻载条件下不进行死区补偿，只进行直流分量补偿，以防由于死区电流过零点方向判断偏差而导致补偿出现误差。

结合以上各表中的k₂、k₃、k₅及g(x)可以看出，当三电平变流器处于整流状态时，步骤S2中针对死区时间的补偿具体为：以各相的死区时间补偿值作为减小量，分别减小各相调制脉冲的脉冲宽度。如图5所示，网侧相电流与相电压同向，死区时间将导致理想相电压的±1电平脉宽出现增益(图中阴影部分)，因此需要减小调制脉冲的脉冲宽度，以消除增益。

当三电平变流器处于逆变状态时，步骤S2中针对死区时间的补偿具体为：以各相的死区时间补偿值作为增大量，分别增大各相调制脉冲的脉冲宽度。如图6所示，网侧相电流与相电压反向，死区时间将导致理想相电压的±1电平脉宽出现损失(图中阴影部分)，因此需要增大调制脉冲的脉冲宽度，以弥补损失。

另一方面，结合以上各表中的k₁、k₄及g(x)可以看出，步骤S2中针对直流分量只对A相和C相进行补偿。网侧变流器工作时，变压器绕组磁感应强度B(t)可表示为：

$B\left(t\right)=\∫\frac{U_1}{N_{1}S}\mathrm{dt}$

其中，U₁代表变流器的输出电压，N₁代表变压器次边绕组的匝数，S代表变压器铁心有效截面积。

令

U₁＝U_AC+U_DC

其中，U_AC代表变流器阀侧电压的交流分量，U_DC代表变流器阀侧电压的直流分量。

则

$B\left(t\right)=\∫\frac{U_{\mathrm{AC}}}{N_{1}S}\mathrm{dt}+\∫\frac{U_{\mathrm{DC}}}{N_{1}S}\mathrm{dt}$

由上式可知，当U_DC＝0时，即正反向脉冲V-s面积相等时，其正反向最大工作磁感应强度B_p和B_n也相等。如图7所示，其磁芯工作点沿着磁滞回线对称地往复移动时，则没有偏磁的存在。如果在某些情况下，U_DC＞0，即正向脉冲的V-s面积大于反向脉冲时，则正向最大工作磁感应强度大于反向最大工作磁感应强度，使整个脉冲周期的工作磁滞回线中心向第一象限平移，就会产生偏磁。在下个周期内，如果正反向脉冲的时间差不再增长，则偏磁不会增加，但也不会自动消除。如果偏磁继续增加，会造成磁芯进入深度饱和，磁芯的磁化曲线非线性度变大，变化斜率增大，磁化电流迅速增长，变压器饱和，流过变压器的电流急剧上升。这部分急剧增加的电流叠加到变压器的次边电流中，将造成变流器网侧电流的畸变，对网侧谐波水平产生极大的影响。

以三相变压器整体分析，若变流器阀侧线电压U’_ab、U’_bc、U’_ca中任意一相存在直流分量，将在变压器对应的两相绕组中产生直流偏磁，从而导致对应的两相电流发生严重畸变。

综上所述，一个工频周期具体的补偿方式为：控制系统将上一个工频周期中的∫U_o1dt和∫U_o2dt计算完成，若∫U_o1dt和∫U_o2dt不为0，则证明变流器模块输出线电压U_ab和U_bc中均含有正偏的直流分量，因此在本周期中需要结合死区时间进行补偿。若网侧处于重载状态，则对于B相输出脉冲，只针对死区时间进行补偿，而对于A相和C相，在针对死区时间进行补偿前提条件下，还针对直流分量正偏的大小进行反馈补偿，对输出的相电压的正半波或负半波进行修正，以消除变压器绕组上由于线电压上一工频周期累计下的直流偏磁造成的影响。

本发明实施例提供的三电平变流器的SHEPWM补偿方法及系统中，可以针对死区时间和直流分量，综合获取变流器各相的补偿值，并以此分别对各相调制脉冲的脉冲宽度进行修正。相比于修正控制量或者调制波的方式，修正脉冲宽度的补偿方式的精度更高，尤其是在大功率低开关频率的场景中，能够显著提高针对谐波的补偿精度，从而解决了现有技术中补偿效果较差的技术问题。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种三电平变流器的SHEPWM补偿方法，其特征在于，包括：

分别获取各相的补偿值；

根据各相的补偿值，分别对各相调制脉冲的脉冲宽度进行补偿。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分别获取各相的补偿值，包括：

根据死区时间的大小，分别获取各相的死区时间补偿值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述三电平变流器处于整流状态时，根据各相的补偿值，分别对各相调制脉冲的脉冲宽度进行补偿，具体为：

以各相的死区时间补偿值作为减小量，分别减小各相调制脉冲的脉冲宽度。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述三电平变流器处于逆变状态时，根据各相的补偿值，分别对各相调制脉冲的脉冲宽度进行补偿，具体为：

以各相的死区时间补偿值作为增大量，分别增大各相调制脉冲的脉冲宽度。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在根据死区时间的大小，分别获取各相的死区时间补偿值之前，还包括：

判断所述三电平变流器当前的负载状态；

若为重载状态，则继续根据死区时间的大小，分别获取各相的死区时间补偿值；

若为空载或轻载状态，则死区时间补偿值为零。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分别获取各相的补偿值，包括：

获取各相的直流分量补偿值。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，获取各相的直流分量补偿值，具体为：

获取前一个工频周期内的线电压U_ab的直流电压分量U_o1和线电压U_bc的直流电压分量U_o2；

对U_o1进行积分运算，获取A相的直流分量补偿值；

对U_o2进行积分运算，获取C相的直流分量补偿值；

B相的直流分量补偿值为零。

8.一种三电平变流器的SHEPWM系统，其特征在于，包括调制模块、补偿模块和开关模块；

所述调制模块将三相调制波调制为各相原始脉冲信号；

所述补偿模块利用如权利要求1至7任一项所述的补偿方法，对各相原始脉冲信号进行补偿，并输出至所述开关模块。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括第一积分单元和第二积分单元；

线电压U_ab通过所述第一积分单元连接至所述补偿模块，线电压U_bc通过所述第二积分单元连接至所述补偿模块。