CN113541522B - 一种实现三相逆变器四象限运行全范围软开关的控制方法 - Google Patents

一种实现三相逆变器四象限运行全范围软开关的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种实现三相逆变器四象限运行全范围软开关的控制方法，包括步骤一、搭建变换器***，变换器***包括三相逆变器拓扑、数字控制器、采样电路和驱动电路；步骤二、对负载相电流进行分解，得到d轴、q轴分量，用于电流闭环控制；采用DPWM调制，得到调制波；步骤三、对负载相电流、负载相电压和直流母线电压进行采样，数字控制器实时更新载波周期；驱动电路驱动相应的开关器件，实现所有开关器件全范围内的软开关。通过分析不同功率因数下开关器件实现软开关的临界开关频率曲线，将最小的临界开关频率曲线作为所有开关器件实现软开关的开关频率曲线，解决了三相逆变器在不同功率因数下运行时开关损耗大的问题，具有较高的开关频率。

Description

一种实现三相逆变器四象限运行全范围软开关的控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域的非隔离高频功率变换方向，具体涉及一种实现三相逆变器四象限运行全范围软开关的控制方法。
背景技术
三相逆变器被广泛应用于各类工业设备和民用装置中，如光伏***、静止无功发生器或交流异步电机等，在这些应用中大都需要消耗无功功率，因此要求三相逆变器能够具有产生或吸收无功功率的能力，也就是要求三相逆变器能够在非单位功率因数工况下工作。传统三相逆变器中由于一半的开关器件工作时处于硬开关状态，开关器件的开关损耗很大，因此开关器件的开关频率较低。由于开关器件的开关频率较低，无源元件的体积较大，因此逆变器的功率密度也较低。而软开关技术则可以使开关器件在更高频的环境中工作，从而大大降低无源元件的体积和重量，保证逆变器的效率、功率密度都能在较高的水平。
传统三相逆变器开关器件的软开关大多数是借助辅助网络来实现的，根据辅助网络位置的不同，可以分为谐振直流环(RDCL)和辅助谐振换流极(ARCP)。虽然借助于辅助网络可以实现主开关器件的零电压开通(ZVS)，但是由于辅助网络中无源元件、开关器件数量的增加，逆变器的控制策略会变得复杂并且整个逆变器的功率密度也不能保持在较高水平。对于实现同一桥臂上、下两个开关器件的软开关来说，最直接的方法是增大逆变器侧电感电流脉动，使得逆变器电感电流在一个开关周期内能双向流动，从而满足同一桥臂上、下两个开关器件的软开关要求，前述实现软开关的方法已经被学者用在单相逆变器或者功率因数校正(PFC)电路。对于三相逆变器而言，由于三相电流存在耦合并且每一相的电感电流脉动受其余两相的影响，因此实现三相逆变器开关器件的软开关较困难。
针对三相逆变器三相电流的耦合问题，有的学者提出将滤波电容的中性点与直流母线的中性点进行连接，从而实现了三相电流之间的解耦，但三相电流之和始终为零，因此还需采用特殊的调制策略，使得三相逆变器的控制更加容易。
《Critical-Conduction-Mode-Based Soft-Switching Modulation for Three-Phase PV Inverters With Reactive Power Transfer Capability》公开了一种基于电流临界导通模式下的三相光伏逆变器无功功率传输软开关技术，采用断续脉宽调制(DPWM)实现三相电流的解耦，通过CRM(临界导通模式)控制方法来实现开关器件的软开关，但开关频率的变化范围较宽；为了降低开关频率的变化范围，该文献采用频率同步(Fs sync)方法。由于三相逆变器侧电感电流过零时刻不是同步的，控制先过零相所对应的开关器件和后过零相对应的开关器件同时关断，在这种控制方式下虽然能够实现频率同步，但会导致电流出现断续。在非单位功率因数下的工况，该文献只分析了功率因数从超前0.8到滞后0.8，全功率因数范围下开关器件的软开关有待于实现。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种实现三相逆变器四象限运行全范围软开关的控制方法。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
一种实现三相逆变器四象限运行全范围软开关的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、搭建变换器***，变换器***包括三相逆变器拓扑、数字控制器、采样电路和驱动电路；三相逆变器拓扑包括直流母线电容、三相半桥式电路和LCL滤波器，每相桥臂包含两个驱动信号互补的开关器件；
步骤二、对负载相电流进行分解，得到d轴、q轴分量，用于电流闭环控制；采用DPWM调制，得到调制波；
步骤三、采样电路对负载相电流、负载相电压和直流母线电压进行采样，数字控制器根据式(14)实时更新载波周期；通过驱动电路驱动相应的开关器件，实现所有开关器件在任意功率因数下的全范围内的软开关；
Figure BDA0003174324440000021
其中，Vrms负载相电压的RMS值，M为调制比，Irms为负载相电流的RMS值，Ibias为偏置电流，L1为逆变器侧电感。
逆变器侧电感L1的表达式为：
Figure BDA0003174324440000022
式(15)中，fsmin为最小开关频率。
在DPWM调制中，一个工频周期包含六个扇区，每个扇区占60°，每一扇区的调制波由两部分组成，并以扇区中点为分界点；其中，第一扇区0～30°和30°～60°的调制波表达式分别为式(5)、(6)：
Figure BDA0003174324440000023
Figure BDA0003174324440000024
其中，ma、mc表示a、c相调制波，mb1、mb2表示0～30°和30°～60°时的b相调制波，sita1、sita2的取值分别为0～30°和30°～60°；
第一扇区0～30°和30°～60°时的三相临界开关频率表达式分别为式(8)、(9)：
Figure BDA0003174324440000031
Figure BDA0003174324440000032
式(8)、(9)中，fsa、fsc表示a、c相临界开关频率，fsb1、fsb2表示0～30°和30°～60°时的b相临界开关频率，Vdc为直流母线电压，va、vb、vc为负载相电压的瞬时值，ia2、ib2、ic2为负载相电流的瞬时值；
每种功率因数下的开关频率曲线在扇区的两端处都存在相同的极小值，将所有极小值中的最小值作为开关器件的开关频率，以满足任意功率因数下所有开关器件的软开关要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过基于电流脉动预测的软开关方法，在没有辅助网络的前提下，所有开关器件都能实现全范围的软开关。此外，在电流脉动预测软开关方法下，逆变器侧电感电流是双向流动的，因此电流脉动大，以保证开关器件能够实现软开关，且具有开关频率高的特点，降低了无源元件的体积和重量，使得三相逆变器的功率密度能够保持在较高水平。
2、为了确保所有开关器件都能实现全范围的软开关，本发明采用断续型五段式空间矢量调制，通过分析不同功率因数下开关器件实现软开关的临界开关频率曲线，并从中找到最小的临界开关频率曲线，将最低的临界开关频率曲线作为所有开关器件实现软开关的开关频率曲线，解决了三相逆变器在不同功率因数下运行时开关损耗大的问题，使得三相逆变器的效率保持在较高水平。
3、对于特定的工况(如直流母线电压、网侧相电压以及输出功率已经确定)，开关频率不会随着功率因数的切换而改变。具体来说，无论是感性负载下功率因数之间进行跳变(如功率因数从0.8切换到0.5)、容性负载下功率因数之间进行跳变(如功率因数从-0.8切换到-0.5)还是感性和容性负载下相互跳变(如功率因数从-0.8切换到0.5或0.5切换到-0.8)，开关频率都是恒定的。当直流母线电压、网侧相电压以及功率因数确定后，当进行不同功率等级下的切换时，开关频率会随着输出功率的增加而降低。
4、本发明不需要对逆变器侧电感电流进行采样，也不需要辅助网络实现软开关并且无源元件的体积也比较小，因此三相逆变器的成本较低。
附图说明
图1为本发明的三相逆变器的拓扑结构图；
图2为本发明的断续型五段式空间矢量调制的原理图；
图3为在单位功率因数下第一扇区内的开关频率曲线图；
图4为不同功率因数下第一扇区内的开关频率曲线图；
图5为功率因数为0.8第一扇区内的开关频率曲线图；
图6为不同功率因数下第一扇区内的临界开关频率曲线图；
图7为功率因数为0.8，一个工频周期内的三相逆变器侧电感电流波形图以及三相电网电流波形图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明的技术方案加以详细说明，但并不以此限定本申请的保护范围。
本发明为一种实现三相逆变器四象限运行全范围软开关的控制方法(简称方法)，该方法包括以下步骤：
步骤一、搭建控制***，控制***包括三相逆变器拓扑、数字控制器、采样电路和驱动电路；三相逆变器拓扑包括直流电源、三相半桥式电路和滤波器，每相半桥式电路包含驱动信号互补的两个开关器件；
步骤二、对负载相电流进行分解；为了实现三相电流解耦，采用断续型五段式空间矢量(DPWM)调制；
利用式(1)计算负载相电流的d轴、q轴分量；
Figure BDA0003174324440000041
其中，γ为负载相电压的相位角；iα、iβ为负载相电流的α轴、β轴分量，满足式(2)：
Figure BDA0003174324440000042
式(2)中，负载相电流的瞬时值ia2、ib2、ic2的表达式为：
Figure BDA0003174324440000043
其中，θ为扇区角度，
Figure BDA0003174324440000044
为负载相电压与负载相电流之间的相位差；Irms为负载相电流的RMS(均方根)值，其表达式为：
Figure BDA0003174324440000045
式(4)中，S为输出功率，Vrms负载相电压的RMS值；
如图2所示，一个工频周期包含六个扇区，每个扇区占60°，每一扇区的调制波由两部分组成，并以扇区中点为分界点；在任意时刻都有一相调制波的幅值为0或1，因此只需要对另外两相开关器件进行控制即可；以第一扇区为例，在第一扇区的0～30°，a相的调制波固定为零，故a相两个开关管的开关状态恒定；在第一扇区的30°～60°，c相的调制波固定为1，故c相两个开关管的开关状态恒定；除去相序的变化，其他扇区调制波的特点和第一扇区类似，不再赘述；
第一扇区0～30°和30°～60°的调制波表达式分别为式(5)、(6)：
Figure BDA0003174324440000051
Figure BDA0003174324440000052
其中，ma、mc表示a、c相调制波，mb1、mb2表示0～30°和30°～60°时的b相调制波，sita1、sita2的取值分别为0～30°和30°～60°；M为调制比，其表达式为：
Figure BDA0003174324440000053
其中，Vdc为直流母线电压；
第一扇区0～30°和30°～60°时的三相临界开关频率表达式分别为式(8)、(9)：
Figure BDA0003174324440000054
Figure BDA0003174324440000055
式(8)、(9)中，fsa、fsc表示a、c相临界开关频率，fsb1、fsb2表示0～30°和30°～60°时的b相临界开关频率；Ibias为偏置电流，根据开关管的输出电容大小确定；va、vb、vc为负载相电压的瞬时值，其表达式为：
Figure BDA0003174324440000056
同理，可以得到其余扇区的调制波，属于本领域的常规技术手段，在此不再赘述。
步骤三、利用采样电路对负载相电流、负载相电压和直流母线电压进行采样，数字控制器更新载波周期；
对于公式(8)～(9)既适用于单位功率因数，也适用于非单位功率因数；图3为在电流脉动预测软开关方法下的单位功率因数下得到的第一扇区三相开关频率曲线图，图中存在一条频率较低的临界开关频率曲线，且此临界开关频率曲线的频率在整个扇区始终是最小的，因此将此临界开关频率曲线作为开关频率曲线即可实现所有开关器件全范围的软开关；
如图4所示，通过对不同功率因数下每相桥臂实现软开关，第一扇区内的开关频率曲线进行分析可知，非单位功率因数下的开关频率曲线不再关于中点对称，但是每条开关频率曲线在扇区的两端点处都存在相同的极小值，不同功率因数下的极小值不同；为满足任意功率因数下所有开关器件的软开关要求，将所有极小值中的最小值作为开关器件的开关频率。图5为功率因数为0.8第一扇区内的开关频率曲线图，与单位功率因数下的开关频率曲线类似，非单位功率因数下第一扇区内的开关频率曲线图中也存在由fsb1和fsa构成的临界开关频率曲线，图6为不同功率因数下第一扇区内的临界开关频率曲线图；
从图6可知，当功率因数为0.5时，开关频率极小值中有最小值，此时θ、sita1的取值均为零，
Figure BDA0003174324440000067
的取值为60°；将sita1＝0代入式(5)mb1的表达式，则有：
Figure BDA0003174324440000061
将θ＝0，
Figure BDA0003174324440000062
代入式(3)ib2的表达式，则有：
Figure BDA0003174324440000063
将θ＝0代入式(10)vb的表达式，则有：
Figure BDA0003174324440000064
将式(11)～(13)代入式(8)的fsb1表达式，经过化简得到如式(14)的开关频率通式：
Figure BDA0003174324440000065
式(14)中，L1为逆变器侧电感，其表达式为：
Figure BDA0003174324440000066
式(15)中，fsmin为最小开关频率；
采样电路实时采集负载相电压、负载相电流和直流母线电压输入到数字控制器中，数字控制器根据式(14)实时更新载波周期，通过驱动电路驱动相应的开关器件，实现所有开关器件全范围内的软开关。
实施例1
如图1所示，本实施例选用两电平三相电压源逆变器拓扑，滤波器为LCL滤波器；开关器件选用SiC MOSFET，型号为C3M0060065k；采用蓄电池作为三相逆变器的直流电源，直流母线电压Vdc为400V；负载为电网，负载相电压的RMS值Vrms为110V，额定功率3300VA，最小开关频率fsmin为100kHz。当三相逆变器在非单位功率因数工况时，感性负载和容性负载下的分析是类似的，以感性负载为例进行说明。
LCL滤波器的滤波电容为C，交流侧电感为L2，偏置电流Ibias取2A，通过式(15)计算得到逆变器侧电感L1为10μH；对于滤波电容C，控制流过滤波电容C的无功电流小于2％的有功电流，滤波电容C取值为4.7μH。综合考虑交流侧电感L2的压降以及逆变器侧和交流侧电感电流脉动，交流侧电感L2取值为25μH，数字控制器的型号为TMS320F28379S。
在上述所有参数条件下对三相逆变器的运行结构进行仿真，得到如图7所示的功率因数为0.8，一个工频周期内的三相逆变器侧电感电流波形图以及三相电网电流(交流侧电流)波形图。从图中可知，无论是三相逆变器侧电感电流还是交流侧电流，除去相位差，三相的波形都是相同的，逆变器侧电感电流脉动大约是交流侧电流峰值的2到3倍，逆变器侧电感电流脉动大，能够实现开关管软开关。在任意时刻，逆变器侧电感电流都大于偏置电流(2A)，此外在动态切换前后逆变器侧电感电流均大于所设置的偏置电流，因此所有开关管都可以实现全范围的软开关。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种实现三相逆变器四象限运行全范围软开关的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、搭建变换器***，变换器***包括三相逆变器拓扑、数字控制器、采样电路和驱动电路；三相逆变器拓扑包括直流母线电容、三相半桥式电路和LCL滤波器，每相桥臂包含两个驱动信号互补的开关器件；
步骤二、对负载相电流进行分解，得到d轴、q轴分量，用于电流闭环控制；采用DPWM调制，得到调制波；
步骤三、采样电路对负载相电流、负载相电压和直流母线电压进行采样，数字控制器根据式(14)实时更新载波周期；通过驱动电路驱动相应的开关器件，实现所有开关器件全范围内的软开关；
Figure FDA0003174324430000011
其中，Vrms负载相电压的RMS值，M为调制比，Irms为负载相电流的RMS值，Ibias为偏置电流，L1为逆变器侧电感。
2.根据权利要求1所述的实现三相逆变器四象限运行全范围软开关的控制方法，其特征在于，逆变器侧电感L1的表达式为：
Figure FDA0003174324430000012
式(15)中，fsmin为最小开关频率。
3.根据权利要求1所述的实现三相逆变器四象限运行全范围软开关的控制方法，其特征在于，在DPWM调制中，一个工频周期包含六个扇区，每个扇区占60°，每一扇区的调制波由两部分组成，并以扇区中点为分界点；其中，第一扇区0～30°和30°～60°的调制波表达式分别为式(5)、(6)：
Figure FDA0003174324430000013
Figure FDA0003174324430000014
其中，ma、mc表示a、c相调制波，mb1、mb2表示0～30°和30°～60°时的b相调制波，sita1、sita2的取值分别为0～30°和30°～60°；
第一扇区0～30°和30°～60°时的三相临界开关频率表达式分别为式(8)、(9)：
Figure FDA0003174324430000021
Figure FDA0003174324430000022
式(8)、(9)中，fsa、fsc表示a、c相临界开关频率，fsb1、fsb2表示0～30°和30°～60°时的b相临界开关频率，Vdc为直流母线电压，va、vb、vc为负载相电压的瞬时值，ia2、ib2、ic2为负载相电流的瞬时值；
每种功率因数下的开关频率曲线在扇区的两端处都存在相同的极小值，将所有极小值中的最小值作为开关器件的开关频率，以满足任意功率因数下所有开关器件的软开关要求。
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