CN103401450B - 一种死区补偿的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种死区补偿的方法，包括：检测电网的相电压信号过零点、且电网电流值等于预定的电流阈值时，确定电网电压的参数；当电网的相电压信号过零点时，检测当前电网的每相电压的参数；运算所述当前检测的每相电压的参数与所述确定的电网电压的参数的比值，将所述比值作为该相的补偿系数；采用每相的补偿系数确定该相电压的补偿值，用三相的补偿值对输出电压进行补偿。采用上述的补偿方式，补偿效果优于现有技术。补偿后的电流谐波含量减少，电压稳定，电流波动小。
Description
技术领域
本发明涉及电力控制领域，特别是指一种死区补偿的方法。
背景技术
现有技术中的变频器或逆变器等含有功率开关的电力设备，在工作过程中，存在控制开关管的开通或关断的情况。在开通或关断过程中，会存在死区时间，导致输出电压畸变的问题，下面以三相光伏并网逆变器为例说明。
参见图1中的三相光伏并网逆变器电气原理图，在同一桥臂的上下两个开关器件工作在互补状态。三相光伏并网逆变器采用三相全桥拓扑结构，K4，k5组成同一个桥臂，同理K6，k7，以及K8，k9分别组成一桥臂。因为各种开关器件在开通和关断时都有一定的开通时间和关断时间。为防止两桥臂切换瞬间发生直通短路的现象，一般采用时间延时的控制方法。在开关器件的开通关断时，关断信号正常发出，开通信号延迟延时一段时间开通，因此存在上下两桥臂同时关断的状态，形成一段控制死区。如图2中所示的td区间，在导通开关管时，延后ton的时间；在关断开关管时，提前toff时间。由于电感电流的存在，在死区时间内，开关器件工作在续流状态内，续流状态导致逆变器的输出电压畸变，并且对输出电压的影响随着电流方向改变而改变。
图2中示出了电感电流大于零时，逆变器的输出电压比理想的输出电压小；当电感电流小于零时，逆变器的输出电压比理想的输出电压大，从而导致逆变器输出电压畸变，造成输出的电压波动。
现有技术为防止控制输出电压畸变，对死区时间段内的电压进行补偿。首先计算死区补偿值U_compensate，可根据逆变器控制开关周期Ts和死区设置值td，IGBT的开通时间ton、关断时间toff、导通压降Usat和直流母线电压Udc，以上所有变量均为已知量，死区补偿值由以下公式可得：
Ucompensate=(Udc*(td+ton-toff)+Usat*Ton+Udc*Toff)/Ts；
补偿方式通过检测电网的电流，按照以下公式计算三相的电压补偿值U_compensate；
U_compensateA=U_compensate*K1_dead_(a)；
U_compensateB=U_compensate*K1_dead_(b)；
U_compensateC=U_compensate*K1_dead_(c)；
上述的计算过程中，在并网电流大于零时，每相补偿系数K1_dead为1，在并网电流小于零时，补偿系数K1_dead为-1。
通过三相电压的补偿值U_compensateA，U_compensateB，U_compensateC运算三相电压的模型值Va_modul、Vb_modul和Vc_modul；其中，
Va_modul=Va_modul+Ka_dead*U_compensateA；当正向/反向过零点时，Ka_dead为1或-1；
Vb_modul和Vc_modul的计算过程相同；
采用计算后的Va_modul、Vb_modul和Vc_modul，确定出补偿的控制值Ud，通过Ud控制设备输出相应的补偿后的电压值。
现有技术，一般是通过判断电感电流的正负进行相应的死区补偿，在电流大于零时，逆变器的死区补偿值为正；在电流小于零时，逆变器的死区补偿值为负值；但是由于逆变器的电流含有高频分量和噪声的影响，会导致电感电流多次过零点，因此可能导致引起误差或者死区补偿的震荡，补偿效果差。
发明内容
本发明目的在于提供一种死区补偿的方法，以解决现有的存在死区时间的开关器件，电压补偿效果较差的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种死区补偿的方法，包括：
（1）检测电网的相电压信号过零点、且电网电流值等于预定的电流阈值时，确定电网电压的参数；
（2）当电网的相电压信号过零点时，检测当前电网的每相电压的参数；
（3）运算所述当前检测的每相电压的参数与所述确定的电网电压的参数的比值，将所述比值作为该相的补偿系数；
（4）采用每相的补偿系数确定该相电压的补偿值，用三相的补偿值对输出电压进行补偿。
所述电网电压的参数和当前电网的每相电压的参数均为电压值，所述补偿系数为Ui/Um；
其中，i为a、b或c，代表a、b或c三相；所述Ui为当前电网的每相电压值，所述Um为电网电流值等于预定的电流阈值时，确定的电网电压值。
所述电网电压的参数和当前电网的每相电压的参数均为相位角的余弦值，所述补偿系数为cosθi/cosθm；
其中，i为a、b或c，代表a、b或c三相；所述cosθi为采用锁相环检测的当前电网的每相电压的相位角的余弦值；所述cosθm为电网电流值等于预定的电流阈值时，采用锁相环确定的电网电压的相位角的余弦值。
根据电网中含有功率开关的电力传输设备的功率确定所述电流阈值。
所述电力传输设备的功率不大于50千瓦，所述电流阈值为0.5A；或，所述电力传输设备的功率不小于100千瓦，所述电流阈值为2A。
所述电流阈值为正/负电流阈值的绝对值；
所述确定该相电压的补偿值的过程包括以下之一：
判断到当前电网的电流值不小于所述正电流阈值，则该相电压的补偿值为预先设定的正补偿值；
判断到当前电网的电流值不大于所述负电流阈值，则该相电压的补偿值为预先设定的负补偿值；
判断到当前电网的电流值介于所述正、负电流阈值之间，则执行所述采用补偿系数确定该相电压的补偿值的步骤确定补偿值。
对功率因数为1的设备的输出电压进行补偿。
所述功率因数为1的设备为三相光伏逆变器或逆变电源。
采用上述的补偿方式，可准确测量电压过零点时刻，通过检测电网的相电压信号过零点、且电网电流值等于预定的电流阈值时，确定电网电压的参数；检测当前电网的每相电压的参数，将两者比值作为每相的补偿系数；采用每相的补偿系数确定该相电压的补偿值，对输出电压进行补偿，补偿效果优于现有技术，补偿后的电流谐波含量减少，电压稳定，电流波动小。
附图说明
图1示出了三相光伏并网逆变器电气原理图；
图2示出了控制死区的波形示意图；
图3示出了实施例一的流程图；
图4示出了实施例二的流程图；
图5示出了实施例三的流程图；
图6示出了实施例四的流程图；
图7示出了实施例中的三相光伏并网逆变器死区补偿的框图；
图8示出了实施例中现有补偿方式补偿后的波形示意图；
图9示出了实施例中本发明补偿方式补偿后的波形示意图。
具体实施方式
为清楚说明本发明中的方案，下面结合实施例和附图详细说明。
参见图3所述的实施例一的流程图，实施例包括以下步骤：
S11：检测电网的相电压信号过零点、且电网电流值等于预定的电流阈值时，确定电网电压的参数；
S12：当电网的相电压信号过零点时，检测当前电网的每相电压的参数；
S13：运算所述当前检测的每相电压的参数与所述确定的电压的参数的比值，将所述比值作为该相的补偿系数；
S14：采用每相的补偿系数确定该相电压的补偿值，用三相的补偿值对输出电压进行补偿。
实施例中的步骤，补偿系数通过电网的每相电压的参数确定，补偿电压的补偿效果优于相对于现有技术的补偿方式；补偿后的电流所含的谐波分量少，电流稳定，波动小。
通过电压检测过零点的过程包括：通过电网电压传感器分别检测电网的相电压Ua，Ub，Uc，通过调理电路分别对相电压Ua，Ub，Uc进行滤波，限幅处理，然后将相电压Ua，Ub，Uc信号调理为方波信号Uan，Ubn，Ucn，分别进入DSP28335的捕获端口进行过零点的检测。
在补偿过程中，可采用多种电压的参数，如电网的电压值或相位角等，通过这些参数，确定补偿系数。下面分别通过以下两个实施例详细说明。这两个实施例，一个实施例以检测的电压值确定补偿系数，补偿输出电压；另一个实施例以检测的电压的相位角确定补偿系数，补偿输出电压。
参见图4所示的实施例二的流程图，以检测的电压值确定补偿系数来详细说明补偿过程。包括以下步骤：
S21：检测电网的相电压信号过零点、且电网电流值等于预定的电流阈值时，确定电网的电压值；
S22：当电网的相电压信号过零点时，检测当前电网的每相的电压值；
S23：运算所述当前检测的每相的电压值与所述确定的每相的电压值的比值，将所述比值作为该相的补偿系数；
在本实施例中，所述补偿系数为K1_dead=Ui/Um；
其中，i为a、b或c，代表a、b或c三相；所述Ui为当前电网每相的电压值，所述Um为电网电流值等于预定的电流阈值时，确定的电压值。
S24：采用每相的补偿系数确定该相电压的补偿值，采用三相的补偿值对输出电压进行补偿。
补偿后的电流谐波含量减少，电压稳定，电流波动小。效果优于现有技术的补偿方式。
在实施例中，补偿系数为K1_dead=Ui/Um；a、b、c三相的补偿系数K1_dead分别为：
K1_dead_A=Ua/Um；
K1_dead_B=Ub/Um；
K1_dead_C=Uc/Um；
相应的，a、b、c三相的补偿值分别为：
U_compensateA=U_compensateA*K1_dead_A；
U_compensateB=U_compensateB*K1_dead_B；
U_compensateC=U_compensateC*K1_dead_C；
然后，通过三相的补偿值，进一步确定各相的模型补偿值Va_modul、Vb_modul、Vc_modul；确定出控制值Ud，控制电力传输设备输出相应的补偿后的电压值。
在本发明的各个实施例中，补偿值U_compensate可采用现有的技术来确定。例如，通过设备手册或技术手册等。
实施例二中以检测的电压值确定补偿系数，获得补偿的电压值；本发明的实施例三以检测的电压的相位角确定补偿系数，获得补偿的电压值。
参见图5，实施例三的步骤包括：
S31：检测电网的相电压信号过零点、且电网电流值等于预定的电流阈值时，确定电网的每相电压的相位角的余弦值；
S32：当电网的相电压信号过零点时，检测当前电网电压的相位角的余弦值；
S33：运算所述当前检测的每相电压的相位角的余弦值与所述确定的电压相位角的余弦值的比值，将所述比值作为该相的补偿系数；
在本实施例中，所述补偿系数为K1_dead=cosθi/cosθm；
其中，i为a、b或c，代表a、b或c三相；所述cosθi为当前电网的每相电压的相位角的余弦值，所述cosθm为电网电流值等于预定的电流阈值时，确定的电压的相位角的余弦值。
S34：采用每相的补偿系数确定该相电压的补偿值，用三相的补偿值对输出电压进行补偿。
在实施例中，补偿系数为K1_dead=cosθi/cosθm；i分别为a、b、c；cosθa=cosθ；cosθb=cos(θ-120°)；cosθc=cos(θ+120°)。相位角θ可通过锁相环的软件或电路确定。
补偿系数K1_dead分别为：
K1_dead_A=cosθ/cosθm；
K1_dead_B=cos(θ-120°)/cosθm；
K1_dead_C=cos(θ+120°)/cosθm；
相应的，a、b、c三相的补偿值分别为：
U_compensateA=U_compensateA*K1_dead_A；
U_compensateB=U_compensateB*K1_dead_B；
U_compensateC=U_compensateC*K1_dead_C；
然后，通过三相的补偿值，进一步确定各相的模型补偿值Va_modul、Vb_modul、Vc_modul；确定出控制值Ud，控制设备输出相应的电压补偿值。
在本发明的各个实施例中，补偿值U_compensate可采用现有的技术来确定。例如，通过设备手册或技术手册等确定。
补偿后的电流谐波含量减少，电压稳定，电流波动小。效果优于现有技术的补偿方式。
优选地，根据电网中含有功率开关的电力传输设备的功率确定所述电流阈值。例如对不同功率的逆变器或逆变电源等设备设置电流阈值。
对于所述电力传输设备的功率不大于30千瓦，所述电流阈值设置为0.5A；
对于所述电力传输设备的功率不小于100千瓦，所述电流阈值设置为2A。
优选地，所述电流阈值为正/负电流阈值的绝对值。在补偿之前，还可预先判断当前电网的电流值的范围，从而确定不同的补偿值，下面通过实施例四详细说明，参见图6，包括以下步骤：
S41：当电网的相电压信号过零点时，判断当前电网的电流值是否不小于正电流阈值，如果是，则执行S42，否则执行S43。
S42：将该相电压的补偿值设置为预先设定的正补偿值；即Ka_dead=1，正补偿值为1*U_compensate；
S43：判断到当前电网的电流值是否不大于负电流阈值，如果是，则执行S44，否则执行S45。
S44：将该相电压的补偿值设置为预先设定的负补偿值；即Ka_dead=-1，正补偿值为-1*U_compensate；
S45：按照上述实施例中的步骤，确定补偿系数K1_dead，补偿值为U_compensate=U_compensate*K1_dead。
该实施例中，按照不同的电流值范围，分别补偿，可获得更为准确的补偿结果。
上述的实施例中，可应用于三相光伏并网逆变器。三相光伏并网逆变器的控制方式采用电流前馈解耦双环控制方式，控制框图如图7所示，通过该框图调节计算出Uq，Ud，然后通过两相旋转坐标系转换为静止三相坐标系，分别计算出逆变器输出电压Va_modul，Vb_modul，Vc_modul。
可根据技术手册等确定死区设置值td，IGBT的开通时间ton、关断时间toff、中断时间TS、导通压降Usat和直流母线电压Udc，补偿值Ucompensate由以下公式可得：
Ucompensate=(Udc*(td+ton-toff)+Usat*ton+Udc*toff)/Ts；
优选地，实施例中，对于由于采用了电压检测过零点，进行死区补偿，相对于电流检测过零点的死区补偿方式，并网电流的谐波含量明显减少。
例如：以16kW光伏并网逆变器的死区补偿为例，逆变器直流母线额定电压为700V，使用的IGBT模块为三菱的IPM，型号为PM75RLA120，td为3us，ton=1us，toff=2us，Usat=1.9V，Ts=1/10k,代入下式：
Ucompensate=(Udc*(td+ton-toff)+Usat*ton+Udc*toff)/Ts；
计算可得：Ucompensate=28V
确定Um=20V或者cosθm=0.01，对16kW光伏并网逆变器进行对比仿真，仿真波形具体参见图8所示的电流检测过零点，补偿后并网的电流波形，以及图9所示的电压检测过零点，补偿后并网的电流波形。根据仿真结果显示。在相同的仿真试验条件下，电流检测死区补偿并网电流实验波形，谐波含量为1.03%，电压检测死区补偿并网电流实验波形，谐波含量为0.82%，后者的谐波含量明显减小。特别是对于功率因数为1的并网设备或电源设备，效果更佳。
对于本发明各个实施例中所阐述的方法，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种死区补偿的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)检测电网的相电压信号过零点、且电网电流值等于预定的电流阈值时，确定电网电压的参数；
(2)当电网的相电压信号过零点时，检测当前电网的每相电压的参数；
(3)运算所述当前检测的每相电压的参数与所述确定的电网电压的参数的比值，将所述比值作为该相的补偿系数；
(4)采用每相的补偿系数确定该相电压的补偿值，用三相的补偿值对输出电压进行补偿。
2.根据权利要求1所述的死区补偿的方法，其特征在于，所述电网电压的参数和当前电网的每相电压的参数均为电压值，所述补偿系数为Ui/Um；
其中，i为a、b或c，代表a、b或c三相；所述Ui为当前电网的每相电压值，所述Um为电网电流值等于预定的电流阈值时，确定的电网电压值。
3.根据权利要求1所述的死区补偿的方法，其特征在于，所述电网电压的参数和当前电网的每相电压的参数均为相位角的余弦值，所述补偿系数为cosθi/cosθm；
其中，i为a、b或c，代表a、b或c三相；所述cosθi为采用锁相环检测的当前电网的每相电压的相位角的余弦值；所述cosθm为电网电流值等于预定的电流阈值时，采用锁相环确定的电网电压的相位角的余弦值。
4.根据权利要求2或3所述的死区补偿的方法，其特征在于，根据电网中含有功率开关的电力传输设备的功率确定所述电流阈值。
5.根据权利要求4所述的死区补偿的方法，其特征在于，所述电力传输设备的功率不大于50千瓦，所述电流阈值为0.5A；或，所述电力传输设备的功率不小于100千瓦，所述电流阈值为2A。
6.根据权利要求1所述的死区补偿的方法，其特征在于，所述电流阈值为正/负电流阈值的绝对值；
所述确定该相电压的补偿值的过程包括以下之一：
判断到当前电网的电流值不小于所述正电流阈值，则该相电压的补偿值为预先设定的正补偿值；
判断到当前电网的电流值不大于所述负电流阈值，则该相电压的补偿值为预先设定的负补偿值；
判断到当前电网的电流值介于所述正、负电流阈值之间，则执行所述采用补偿系数确定该相电压的补偿值的步骤确定补偿值。
7.根据权利要求1所述的死区补偿的方法，其特征在于，对功率因数为1的设备的输出电压进行补偿。
8.根据权利要求7所述的死区补偿的方法，其特征在于，所述功率因数为1的设备为三相光伏逆变器。
9.根据权利要求7所述的死区补偿的方法，其特征在于，所述功率因数为1的设备为逆变电源。
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