CN108448923B - 一种实现三相逆变器软开关的变频控制方法 - Google Patents

一种实现三相逆变器软开关的变频控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种实现三相逆变器软开关的变频控制方法，属于电力电子领域的非隔离高频功率变换方向。本发明通过使用采样得到的三相逆变器电网电流和电压以及计算出的调制波信息，预测三相逆变器侧电感电流脉动。在每个空间矢量扇区，调节开关频率使得三相逆变器中最难实现软开关的那一相电感电流脉动大小保持在刚好实现软开关的状态，从而减小开关损耗。此时，其中另外一相大部分时间软开关实现较为充分。最后一相在整个扇区里开关状态恒定，无需实现软开关。本发明要解决的技术问题为通过全数字变频控制实现三相逆变器所有开关管宽范围软开关，并减小三相逆变器轻载下的电流脉动和环流损耗，提高三相逆变器的转换效率和功率密度。

Description

一种实现三相逆变器软开关的变频控制方法
技术领域
本发明涉及一种应用于三相电压源型逆变(整流)器的变频控制方法，属于电力电子领域的非隔离高频功率变换方向。
背景技术
三相电压源逆变器如今广泛应用于各类工业设备和民用装置中，例如不间断电源(UPS)，电动汽车充电桩以及光伏并网***等。其最常用的拓扑结构是两电平的三相桥式电路。它结构简单对称，可以实现逆变和整流之间的无缝切换，而且经过长时间的发展，如今控制成熟可靠。然而对于每一个桥臂的上下两个开关管而言，在任何时刻根据其电感电流的流向，只有其中一个开关管可以实现软开通，这使得开关损耗大大增加。在大功率应用中，开关频率不得不设置的很低以降低开关损耗。这样做会提高交流电流畸变率，需要增大滤波器来弥补，不仅降低了逆变器的动态响应速度，而且使得整个***体积庞大，功率密度降低。
为了降低逆变器的开关损耗，学者提出了不少逆变器软开关的方法包括在直流侧或交流侧每个桥臂增加辅助电路，使得叠加的电流方向可以在每个开关周期改变。在上管开通时，电感电流流入桥臂中点，下管开通时，电感电流流出桥臂中点，即可使上下管都实现软开关。由于采用辅助电路的方法都会增加逆变器的成本和体积，同时会产生额外损耗，因此无需辅助电路的方法更简单可靠高效。
最直接的方法是将逆变器侧电感值设计的很小，增加电流脉动，使之自然实现软开关。但为了避免在不同负载下出现不必要的过大电流脉动，需要使用变频控制减小环流损耗。该方法在单相逆变器中已得到使用，采用电感电流过零检测电路来控制开关管的开通和关断。例如：IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in PowerElectronics【电力电子新兴和精选主题期刊】于2016年发表的“Digital-BasedInterleaving Control for GaN-Based MHz CRM Totem-Pole PFC，【基于GaN器件的MHz数字临界电流交错控制图腾柱PFC】采用了电流过零检测的方法实现器件的软开关和变频控制，两个桥臂交错控制可以抵消部分电流脉动，开关频率即使达到MHz，开关损耗也很小。
上述方法可以应用于单相逆变器，然而在三相逆变器中，由于三相电流互相耦合，电流波形受到每个桥臂开关状态的影响，很难保证所有开关管同时都能实现软开关。因此需要采用特别的调制方式，使得同时只有两个桥臂处于高频开关状态，而有一个桥臂保持开关状态恒定。这样只需要考虑处于高频开关的开关管能否实现软开关即可。在IEEEEnergy Conversion Congress and Exposition(ECCE)【能量转换博览会】2017年发表的“Critical-mode-based soft-switching modulation for three-phase inverters”，【三相逆变器的临界电流模式开关调制】仍然采用了电流过零检测方法，然而由于三相开关频率要统一，因此需要选择一相使开关频率同步。其调制方式为DPWM(断续空间矢量)，并且依然采用桥臂交错的方式。然而由于数字控制和模拟过零检测电路需要共同使用，增加了复杂性。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统三相电压源逆变器(由于逆变器一般也可实现整流功能，因此以下只写作逆变器)在单位功率因数运行时无法实现所有开关管宽范围软开关的问题，提供一种实现三相逆变器软开关的变频控制方法，通过全数字变频控制实现三相逆变器所有开关管宽范围软开关，并减小三相逆变器轻载下的电流脉动和环流损耗，提高三相逆变器的转换效率和功率密度。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种实现三相逆变器软开关的变频控制方法，通过使用采样得到的三相电网电流和电压以及计算出的调制波信息，预测三相逆变器侧电感电流脉动。在每个空间矢量扇区，调节开关频率使得三相逆变器中最难实现软开关的那一相电感电流脉动大小保持在刚好实现软开关的状态，从而减小开关损耗。此时，其中另外一相大部分时间软开关实现较为充分。最后一相在整个扇区里开关状态恒定，无需实现软开关。
本发明公开的一种实现三相逆变器软开关的变频控制方法，用于实现三相逆变器软开关，所述的三相逆变器包括直流电源、三相桥式电路和滤波器，每相桥式电路包括上下两组开关管，上下两组开关管的驱动信号互补，并且驱动信号含有一定的死区时间。三相逆变器需运行在单位功率因数逆变或整流模式。所述的三相逆变器作为三相逆变器控制***的主电路，所述的三相逆变器控制***还包括数字控制器，采样电路和驱动电路。采样电路用于采样交流侧三相电压和电流瞬时值va,vb,vc,ia,ib,ic。
作为优选，滤波器采用LCL结构，其中三相逆变器侧电感值为L1，电容值为C，交流侧电感值为L2。
本发明公开的一种实现三相逆变器软开关的变频控制方法，包括如下步骤：
步骤一、采样三相电网电压va，vb，vc和三相电网电流ia，ib，ic滤除开关纹波后的瞬时值。由于电网的对称性，为了降低成本，只需采样三相电网电压和电流中的任意两相值，另外一相电压和电流可通过其他两相求出。通过数字控制电路对电网电压相位进行实时跟踪。
步骤二、对三相电网电流进行d/q轴变换，采用数字控制器对并网电流进行闭环控制。为了避免LCL滤波器的谐振问题，可以采用有源阻尼控制，即带通数字滤波器，滤除三相调制波ma,mb,mc中的谐振频率分量。并采用五段式空间矢量调制。其中所述五段式空间矢量调制可从以下两种方法中任选其一：第一种的零矢量为三相桥上管全部导通，第二种的零矢量为三相桥下管全部导通。利用数字控制器内部闭环控制得到的三相调制波信息ma,mb,mc，计算开关频率fs，计算公式为
Figure BDA0001622032600000031
其中Ibias是为了实现软开关的偏置电流，根据开关管的输出电容大小确定。对于第一种五段式空间矢量调制，各个扇区的状态如表一所示，
表一第一种空间矢量的各相状态
扇区 1 2 3 4 5 6
x对应相 c c a a b b
开关状态不变相 a b b c c a
软开关部分丢失相 b a c b a c
对于第二种五段式空间矢量调制，各个扇区的状态如表二所示，
表二第二种空间矢量的各相状态
Figure BDA0001622032600000032
Figure BDA0001622032600000041
步骤三、在数字控制电路的数字控制器中调节载波频率，所述载波频率为步骤二的计算开关频率fs，调制比不受开关频率fs影响。将所得的开关信号传递给驱动电路并驱动对应的开关管，即通过全数字变频控制实现所有开关管宽范围软开关。
有益效果：
1、现有技术中的三相逆变器软开关是靠额外的辅助电路，传感器和电流过零检测电路得以实现的，本发明公开的一种实现三相逆变器软开关的变频控制方法，通过变频控制实现三相逆变器的软开关，因此不需要靠额外的辅助电路，传感器和电流过零检测电路。
2、本发明公开的一种实现三相逆变器软开关的变频控制方法，开关频率fs通过所提出的频率计算公式(1)给出，由计算公式(1)可知，在任何固定的工作条件下，一个工频周期内的开关频率fs变化范围只有约1.5倍左右，适合在宽负载和宽电压范围下工作。
4、本发明公开的一种实现三相逆变器软开关的变频控制方法，由于实现三相逆变器所有开关管的宽范围软开关，并且在半个工频周期中，三相逆变器始终有一相桥臂开关管不动作，因此能够极大降低三相逆变器的开关损耗，提高转换效率，使得开关频率进一步提高，并且由于采用的滤波器电感值较小，整体的逆变器体积小，功率密度高。
5、本发明公开的一种实现三相逆变器软开关的变频控制方法，由于采用较小滤波器的电感值来增加电流脉动，能够提高逆变器的截止频率，而且开关频率可以大大提高，因此***的动态响应效果较好，稳定性不受变频控制影响，在突加和突减负载情况下依然能够保证逆变器的正常工作和软开关的实现。
附图说明
图1为三相电压源逆变器主电路；
图2为三相逆变器软开关的变频控制框图；
图3为一个工频周期内的开关频率变化趋势；
图4为工频周期内最高和最低开关频率与逆变器功率和直流电压的关系；
图5为工频周期内的典型波形。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明。同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1：
本实施例中采用蓄电池为三相逆变器的直流电源，蓄电池直流电压350～400V，交流电网为三相相电压有效值110V，额定功率3500W，可实现单位功率因数并网充放电，可用于不间断电源或电动汽车充电机中。
三相逆变器主电路结构如图1所示。其中包括三相半桥，共6个开关管，所有开关管均选用SiC器件。三相桥的中点分别与LCL滤波器连接。逆变器侧电感值为L1，电容值为C，电网侧电感值为L2。设计最低开关频率fs限制为100kHz。因此逆变器在最低电压350V，最大负载下3500W下，开关频率fs应为100kHz，可以得到L1的电感值为10μH。电容值C要尽量小，以减小无功电流，一般设计无功功率小于2％的有功功率，实际中电容选用4.7μF的高频电容。电网侧电感是为了减小并网电流的畸变，由于开关频率较高，在电流畸变率为5％的要求下，电感值L2只需要20μH。而由于采用变频控制，实际上，电流脉动会远小于5％。本实施例中数字控制器选用为TMS320F28335芯片。
图2为本实施例公开的一种实现三相逆变器软开关的变频控制框图，本实施例公开的一种实现三相逆变器软开关的变频控制方法，具体实施步骤如下：
步骤一、采样三相电网电压va，vb，vc和三相电网电流ia，ib，ic滤除开关频率分量后的瞬时值。通过数字控制器对电网电压进行锁相。
步骤二、对三相电网电流进行d/q轴变换，采用数字控制器对并网电流进行闭环控制。为了避免LCL滤波器的谐振问题，可以采用有源阻尼控制，即带通数字滤波器，滤除三相调制波ma,mb,mc中的谐振频率分量。并采用五段式空间矢量调制。其中所述五段式空间矢量调制可从以下两种方法中任选其一：第一种的零矢量为三相桥上管全部导通，第二种的零矢量为三相桥下管全部导通。利用数字控制器内部闭环控制得到的三相调制波信息ma,mb,mc，依照公式(1)可计算开关频率fs，计算公式为
Figure BDA0001622032600000061
其中Ibias是为了实现软开关的偏置电流，考虑到所选器件结电容较小，但为了满足在动态切载时依然可以保证软开关不丢失，偏置电流Ibias设计为2A。各个扇区的对应状态根据表一和表二确定。
步骤三、在数字控制器中调节载波频率为步骤二的计算开关频率fs，调制比不受开关频率fs影响。将所得的开关信号传递给驱动电路并驱动对应的开关管，死区时间设置为100ns，即通过全数字变频控制实现所有开关管宽范围软开关，在每个扇区都有一个开关管在约10度左右的区间无法实现软开关。
采用变频控制后，一个工频周期内的开关频率变化趋势如图3所示，可见频率连续光滑。在不同电压和负载情况下，工频周期内的最大和最小开关频率如图4所示，可以看出负载越轻，电压越高，开关频率越高。而且在任何条件下，开关频率变化范围只有约1.5倍。
图5展示了在一个工频周期内，350V直流输入，逆变模式下的波形。逆变器侧的电感电流有较高的电流脉动，但电网电流几乎没有脉动。而且在第一扇区(0到60度)，c相电流包络线固定为2A，与设计相符。c相所有开关管可完全实现软开关。而b相只有在约50到60度的区间内上管无法实现软开关，其他时间所有器件都可实现软开关。由于a相开关状态保持恒定，因此无需考虑其软开关实现情况。在其他扇区，三相之间的关系交替。所有开关的实现软开关的平均次数约占总开关次数的95.8％。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种实现三相逆变器软开关的变频控制方法，所述的三相逆变器包括直流电源、三相桥式电路和滤波器，每相桥式电路包括上下两组开关管，上下两组开关管的驱动信号互补，并且驱动信号含有一定的死区时间；三相逆变器需运行在单位功率因数逆变或整流模式；所述的三相逆变器作为三相逆变器控制***的主电路，所述的三相逆变器控制***还包括数字控制电路，采样电路和驱动电路；采样电路用于采样交流侧三相电压和电流瞬时值va,vb,vc,ia,ib,ic；其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、采样电网电压和电网电流滤除开关纹波后的瞬时值；采样三相电网电压和电流中的任意两相值，另外一相电压和电流通过其他两相求出；通过数字控制电路对电网电压相位进行实时跟踪；
步骤二、对三相电网电流进行d/q轴分解，采用并网电流闭环控制和五段式空间矢量调制；其中所述五段式空间矢量调制从以下两种方法中任选其一：第一种的零矢量为三相桥上管全部导通，第二种的零矢量为三相桥下管全部导通；利用数字控制器内部闭环控制得到的三相调制波信息ma,mb,mc，计算开关频率fs，计算公式为
Figure FDA0002224795270000011
其中Ibias是为了实现软开关的偏置电流，根据开关管的输出电容大小确定；对于第一种五段式空间矢量调制，各个扇区的状态如表一所示，
表一 第一种空间矢量的各相状态
扇区 1 2 3 4 5 6 x对应相 c c a a b b 开关状态不变相 a b b c c a 软开关部分丢失相 b a c b a c
对于第二种五段式空间矢量调制，各个扇区的状态如表二所示，
表二 第二种空间矢量的各相状态
扇区 1 2 3 4 5 6 x对应相 a b b c c a 开关状态不变相 c c a a b b 软开关部分丢失相 b a c b a c
步骤三、在数字控制电路的数字控制器中调节载波频率，所述载波频率为步骤二的计算开关频率fs，调制比不受开关频率fs影响；将所得的开关信号传递给驱动电路并驱动对应的开关管，即通过全数字变频控制实现所有开关管宽范围软开关；
滤波器为LCL结构，其中三相逆变器侧电感值为L1，电容值为C，交流侧电感值为L2。
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