CN104253550B

CN104253550B - 一种基于npc三电平svpwm整流器死区补偿方法

Info

Publication number: CN104253550B
Application number: CN201410536905.0A
Authority: CN
Inventors: 张辉; 鱼瑞文; 王珂; 张传金; 史经从
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2014-10-13
Filing date: 2014-10-13
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2034-10-13
Also published as: CN104253550A

Abstract

本发明公开了一种基于NPC三电平SVPWM整流器死区补偿方法，该方法首先通过计算不考虑和考虑管压降的无死区和有死区的重构电压冲量的通用表达式，得出重构电压冲量补偿量的通用表达式；然后，根据各相电流方向及电压时序状态，选择与三相电压相对应的重构电压冲量补偿量的通用表达式，计算出电压补偿量；最后，将计算得到的电压补偿量反馈到重构前的参考电压矢量，进行补偿。本发明采用了一种新型的补偿量选择方法，在电压重构的过程中计算补偿量，并对参考电压进行补偿参与控制；本发明充分考虑了死区时间和管压降，解决了基于NPC三电平整流器中由死区效应产生的电压和电流畸变问题，提高了***性能。

Description

一种基于NPC三电平SVPWM整流器死区补偿方法

技术领域

本发明是涉及一种变频器死区补偿方法，尤其涉及一种基于NPC三电平SVPWM整流器死区补偿方法，属于电力电子与电力传动领域。

背景技术

在实际整流器、逆变器控制中，为了避免一类直通短路现象的发生，必须加入死区时间防止功率器件直通。对于死区作用时刻，由于交流侧各相电位会根据电流方向而产生波动，所以对于输出电压会产生影响，降低了整流器和逆变器的控制精度，因此有必要对死区效应进行补偿。

对于死区补偿，现行的方法主要有两种：一是硬件补偿，通过增加硬件电路对输出实际电压和电压参考值比较，直接对SVPWM输出调制波进行动态调整，即直接改变Ta、Tb、Tc作用时间来对死区补偿，但该方法需要硬件在线检测电流正负，运行成本较高。二是软件补偿，通过控制死区补偿算法，不需要增加硬件，灵活性强，但现有的软件补偿方法中对补偿量的选择忽略了由开关管、二极管等功率器件的导通压降所带来的误差效应，从而导致电压和电流畸变大，补偿精度低。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于NPC三电平SVPWM整流器死区补偿方法，该方法在补偿死区效应的同时，兼顾了由开关管、二极管等功率器件的导通压降带来的误差效应。为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种基于NPC三电平SVPWM整流器死区补偿方法，其步骤为：

（1）不考虑开关管、续流二极管及嵌拉二极管压降，对电压进行重构，计算理想情况下无死区的重构电压冲量的通用表达式；

（2）考虑开关管、续流二极管及嵌拉二极管压降，对电压进行重构，计算实际情况下有死区的重构电压冲量的通用表达式；

（3）计算重构电压冲量补偿量的通用表达式；

（4）对基于NPC三电平SVPWM整流器的三相电流进行坐标变换，根据其合成矢量所在扇区判断各相电流方向；

（5）根据参考电压矢量所在的扇区判断三相桥臂电压时序状态；

（6）根据各相电流方向及电压时序状态，选择与a、b、c三相相对应的重构电压冲量补偿量的通用表达式，计算出电压补偿量；

（7）将计算得到的电压补偿量反馈到重构前的参考电压矢量，进行补偿。

所述步骤（1）和步骤（2）中对电压进行重构的方法为，将三电平的电压重构简化到两电平扇区去处理，把需要重构的电压矢量分别定位在小六边形去处理，然后将其小六边形的中心在A、B、C轴上的分量作为补偿量即可，三电平变换器输出重构相电压为：

其中分别为三相对应补偿电压量。

所述步骤（1）理想情况下无死区的重构电压冲量的通用表达式为：

其中，为开关导通占空比，为开关周期。

所述步骤（2）实际情况下有死区的重构电压冲量的通用表达式为：

其中，为死区时间，为IGBT压降，为二极管压降，开关周期，为开关导通占空比。

所述步骤（3）重构电压冲量补偿量的通用表达式为：

其中，为死区时间，为IGBT压降，为二极管压降，开关周期，为开关导通

占空比。

所述步骤（4）三相电流的坐标变换为clack变换，即3/2静止坐标系变换。

所述步骤（6）重构电压冲量补偿量的通用表达式的选择，是根据起始小矢量进行判断。

所述步骤（7）电压补偿量为坐标系中的电压补偿量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）在已有的控制算法基础上进行补偿，不需要增加硬件，运行成本低，灵活性强；

（2）将三电平的电压重构也可以简化到两电平扇区去处理，把需要重构的电压矢量分别定位在小六边形去处理，然后将其小六边形的中心在A、B、C轴上的分量作为补偿量，此重构方法效果很好，实时性也较好；

（3）采用了一种新型的补偿量选择方法，在电压重构的过程中计算补偿量，对参考电压进行补偿参与控，该方法计算简单，补偿效果好；

（4）在补偿死区效应的同时，兼顾了由于IGBT和二极管导通压降带来的误差效应，降低了电压和电流畸变问题，提高了***性能。

附图说明

图1是本发明基于NPC三电平SVPWM整流器死区补偿方法流程图。

图2是本发明基于NPC三电平SVPWM整流器死区补偿方法主电路拓扑。

图3是本发明基于NPC三电平SVPWM整流器死区补偿方法优化三电平方法的区域划分。

图4是本发明电压矢量重构方法的仿真结果。

图5是本发明基于NPC三电平SVPWM整流器死区补偿方法电压矢量反馈***图。

图6是本发明基于NPC三电平SVPWM整流器死区补偿方法a相桥臂电路图。

图7是本发明电压时序状态为0—-1—0时死区效应交流侧相对于中点的相电压波形图。

图8是本发明电压时序状态为0—1—0时死区效应交流侧相对于中点的相电压波形图。

图9是本发明基于电流合成矢量的电流方向判定图。

图10是本发明补偿电压矢量判定图。

图11是本发明不进行死区补偿时0.5s时i _a谐波分析图。

图12是本发明进行死区补偿时0.5s后i _a谐波分析图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。但是下文所揭示的内容为本发明的原理，并不局限于仅此一例。

图1为本发明基于NPC三电平SVPWM整流器死区补偿方法流程图。

图2为针对基于NPC三电平SVPWM整流器的主电路拓扑结构图，中点箝位型三相三电平整流器包括A、B、C 三相桥臂，每相桥臂由4 个开关管、4个续流二极管和两个箝位二极管组成，图中O代表中点； a、b、c 代表三相桥臂的交流侧输入；Sa1、Sa2、Sa3、Sa4表示A相的4个开关管，Da1和Da2表示A相的2个箝位二极管。

三电平PWM计算通过坐标平移把三电平简化成了两电平来进行扇区判断和时间计算。同理，对于三电平的电压重构也可以简化到两电平扇区去处理，把需要重构的电压矢量分别定位在小六边形去处理，然后将其小六边形的中心在A、B、C轴上的分量作为补偿量即可。S所对应的扇区如图3所示，其不同S值下的三相输出电压重构补偿电压见下表所示：

因此可以简单得出三电平变换器输出重构相电压为：

其中分别为三相对应补偿电压量。

当上下直流母线均为75V，逆变器输出侧接星型电阻负载10欧姆。开环电压给定调制度0.65。输出实际相电压、输出实际相电压经滤波器、重构相电压经滤波器波形、估计误差如图4所示。从图中可以看出误差在3%以内，说明此重构方法效果很好，实时性也较好。

采用电压补偿策略，将死区效应补偿量作为重构电压的变差引入前馈电压给定指令，其***作用如图5所示。

以a相为例分析死区补偿控制方法的原理，三相三电平SVPWM整流器a相桥臂拓扑结构如图6所示。本文采用七段式和低电平有效进行调制，矢量合成都是小矢量->主矢量->副矢量->小矢量->副矢量->主矢量->小矢量。所以a、b、c三个桥臂的电压状态时序，只能是相对高——相对低——相对高（1—0—1或者0—-1—0）因此在所有的矢量区域内a、b、c相对O点电压状态时序只有两种即：“0—-1—0”和“1—0—1”。约定电流流出桥臂时flag=1，流进桥臂时flag=-1。

电压状态时序为“0—-1—0”时死区效应如图7，电压状态时序为“1—0—1”时死区效应如图8所示。其中折线2为无死区的理想图形，其中折线1为有死区的图形，a1、a2、a3、a4分别表示a相开关器件Sa1、Sa2、Sa3、Sa4的控制脉冲，DT为死区时间，vs为IGBT压降，vd为二极管压降，Ts开关周期，D为开关导通占空比（若a1导通占空比为0，则D为a2导通占空比，若a1不为0，则D为a1导通占空比）。Vx*为理想情况即无死区是的冲量（x=1、2、3、4），Vx为实际情况即有死区是的冲量（x=1、2、3、4），ΔVx为死区效应补偿所需的电压冲量（x=1、2、3、4）。

电压状态时序为“0—-1—0”时：

flag=1时冲量

（不考虑管压降和死区的）

（考虑管压降和死区的）

flag=-1时冲量

（不考虑管压降和死区的）

（考虑管压降和死区的）

。电压状态时序为“1—0—1”时：

flag=1时冲量

（不考虑管压降和死区的）

（考虑管压降和死区的）

flag=-1时冲量

（不考虑管压降和死区的）

（考虑管压降和死区的）

。

假设三相电流为ia、ib、ic，三相电流经3/2静止坐标系变换后得到电流矢量i_alfa、i_beta，此矢量按逆时针方向旋转，设电流矢量与A轴夹角为j。首先根据角度j可以推算出电流矢量所在扇区，而后根据扇区可以判定各相电流方向，其对应情况如图9所示。

对于电压时序状态的判断及电压冲量补偿量的选择，本文采用七段式和低电平有效进行调制，矢量合成都是小矢量->主矢量->副矢量->小矢量->副矢量->主矢量->小矢量。所以a、b、c三个桥臂的电压状态时序，只能是相对高——相对低——相对高(1—0—1或者0—-1—0)。以起始矢量就可以判断开关状态。又因为本发明实例将三电平电压重构简化成两电平电压重构，由s所代表的扇区以其扇区内的小矢量为起始矢量如图3所示。例如s=1的扇区内矢量次序为：“100—10-1—1-1-1—0-1-1—1-1-1—10-1—100”以“100”开始，a相以“1”开始，则a相的电压状态时序为“1—0—1”。b相以“0”开始，b相的电压状态时序为“0—-1—0”。c相以“0”开始，c相的电压状态时序为“0—-1—0”。

当电压状态时序为“0—-1—0”且flag=1时选：

当电压状态时序为“0—-1—0”且flag=-1时选：

当电压状态时序为“1—0—1” 且flag=1时选：

当电压状态时序为“1—0—1” 且flag=-1时选：

各扇区电压冲量补偿量的选择如图10所示。

根据电流方向判定图和电压冲量补偿量选择图即可以得出确定最终的补偿电压冲量补偿量。

对于上述电压冲量补偿量，可以得出电压补偿因子。

同样也可求出。

对进行clack变换即可得到图5中所示的反馈值。

其中为clack变换矩阵。

仿真参数：直流侧电压，直流侧电容，开关频率10k，死区时间DT为8µs。电压环PI的，，两个电流环PI的，。

补偿前a相电流如图11，补偿后a相电流如图12。取0.5s处的一个周波进行对比可知，补偿前THD=3.72%，补偿后变为THD=1.99%，取得较好的补偿效果。

三电平整流器的死区效应所引起的电压误差与死区时间DT和开关周期Ts有关，并且电流的方决定误差的正负。本对电压补偿法分别进行了仿真，都取得了较好的补偿效果，证明了其方法的正确性和有效性。

最后，还需注意的是，以上实施方式仅用于说明本发明，并非对本发明的限制。本发明说明书中未作详细说明描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种基于NPC三电平SVPWM整流器死区补偿方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)不考虑开关管、续流二极管及嵌拉二极管压降，对电压进行重构，计算理想情况下无死区的重构电压冲量的通用表达式；

(2)考虑开关管、续流二极管及嵌拉二极管压降，对电压进行重构，计算实际情况下有死区的重构电压冲量的通用表达式；

(3)计算出重构电压冲量补偿量的通用表达式，该重构电压冲量的补偿量等于步骤(1)的重构电压冲量减去步骤(2)的重构电压冲量；

(4)对基于NPC三电平SVPWM整流器的a、b、c三相电流进行坐标变换，根据其合成矢量所在扇区判断各相电流方向；

(5)根据参考电压矢量所在的扇区判断a、b、c三相桥臂电压时序状态；

(6)根据各相电流方向及电压时序状态，选择与a、b、c三相相对应的重构电压冲量补偿量的通用表达式，计算出电压补偿量；

(7)将计算得到的电压补偿量反馈到重构前的参考电压矢量，进行补偿；

其中，所述步骤(1)和步骤(2)中对电压进行重构的方法为，将三电平的电压重构简化到两电平扇区去处理，把需要重构的电压矢量分别定位在小六边形去处理，然后将其小六边形的中心在A、B、C轴上的分量作为补偿量即可，重构相电压为：

[\begin{matrix} V_{a n} \\ V_{b n} \\ V_{c n} \end{matrix}] = U d c [\begin{matrix} 2 / 3 & - 1 / 3 & - 1 / 3 \\ - 1 / 3 & 2 / 3 & - 1 / 3 \\ - 1 / 3 & - 1 / 3 & 2 / 3 \end{matrix}] * [\begin{matrix} T_{a} \\ T_{b} \\ T_{c} \end{matrix}] * \frac{1}{T_{s}} + [\begin{matrix} V_{a_c o m} \\ V_{b_c o m} \\ V_{c_c o m} \end{matrix}]

其中V_{a_com}、V_{b_com}、V_{c_com}分别为三相对应补偿电压量。

2.根据权利要求1所述的基于NPC三电平SVPWM整流器死区补偿方法，其特征在于：所述步骤(1)理想情况下无死区的重构电压冲量的通用表达式为：

V_{x}^{*} = - \frac{1}{2} u_{d c} * (1 - D) * T_{s}

其中，u_dc为直流侧电压，D为开关导通占空比，T_s为开关周期。

3.根据权利要求1所述的基于NPC三电平SVPWM整流器死区补偿方法，其特征在于：所述步骤(2)实际情况下有死区的重构电压冲量的通用表达式为：

V_{x} = - (v_{s} + v_{d}) * (D * T_{S} - D T) - (\frac{1}{2} u_{d c} + 2 v_{d}) * [(1 - D) * T_{S} + D T]

其中，DT为死区时间，v_s为IGBT压降，v_d为二极管压降，T_s开关周期，D为开关导通占空比。

4.根据权利要求1所述的基于NPC三电平SVPWM整流器死区补偿方法，其特征在于：所述步骤(3)重构电压冲量补偿量的通用表达式为：

{ΔV}_{x} = V_{x}^{*} - V_{x} = (v_{s} + v_{d}) * D * T_{S} + 2 v_{d} * (1 - D) * T_{S} + (\frac{1}{2} u_{d c} + v_{d} - v_{s}) * D T

5.根据权利要求1所述的基于NPC三电平SVPWM整流器死区补偿方法，其特征在于：所述步骤(4)三相电流的坐标变换为clack变换，即3/2静止坐标系变换。

6.根据权利要求1所述的基于NPC三电平SVPWM整流器死区补偿方法，其特征在于：所述步骤(6)重构电压冲量补偿量的通用表达式的选择，是根据起始小矢量进行判断。

7.根据权利要求1所述的基于NPC三电平SVPWM整流器死区补偿方法，其特征在于：所述步骤(7)电压补偿量为α、β坐标系中的电压补偿量。