CN104779830A - 一种死区时间可变的逆变控制方法 - Google Patents

Abstract

一种死区时间可变的逆变控制方法，涉及变流器的逆变控制。利用逆变器桥臂插入不同死区开关状态时引起换流而产生的各种死区状态等效电压矢量的规律，在每个控制周期里，综合选择最优死区开关状态，并计算死区状态等效电压矢量，然后通过动态调整死区状态等效电压矢量和本控制周期欲输出电压矢量的作用时间分配，实现每个控制周期中，从单电压矢量输出变为双电压矢量积分合成输出，在利用有限集模型预测控制的原理，构建有限个积分合成输出的最优选择策略，从而实现变流器高精度的逆变控制。转变了传统被动补偿死区误差的思路，积极主动利用换流时产生的死区状态等效电压矢量参与代价函数寻优，使得死区时间变成提高逆变精度的积极有利因素。

Description

一种死区时间可变的逆变控制方法

技术领域

本发明涉及变流器的逆变控制，尤其是涉及一种死区时间可变的逆变控制方法。

背景技术

逆变技术作为电力电子四种变换技术中的一种，被广泛应用于电机控制、光伏并网、有源电力滤波器、不间断工作电源、伺服控制器等。目前，主流的逆变器的控制方法主要有脉冲宽度调制法、滞环比较法、模型预测控制法等。通过比例积分控制器和脉冲宽度调制法实现逆变器的跟踪控制是目前最常用的方法。近几年研究较多的有限集模型预测控制(有限集模型预测控制英语表示为Finite Control Set‐Model Predictive Control,FCS‐MPC)是模型预测控制法的一种，该方法利用了逆变器开关状态组合个数有限的特点，简化了传统的模型预测控制法，根据逆变器预测模型方程，采用遍历法的形式计算出所有开关状态的组合，并分别作用于逆变器预测模型，从而预测出未来所有可能输出集合，然后通过既定的系统最优代价函数，从所有可能输出的集合中选出最优一组的开关状态作为下一时刻的输出，从而实现逆变控制，具有控制简单，动态响应速度快，鲁棒性强等优点，因而得到广泛关注。

变流器的逆变桥臂一般由上下功率开关管和续流二极管组成，两个开关管控制状态互补，即其中一个为导通状态另一个为关断状态。在同一个桥臂的上下两个开关管发生切换时，由于开关管的关断延时特性，会短时间内出现上下桥臂同时导通的现象，引起电源短路。因此在每个控制周期里，都需要在桥臂的上下开关管切换过程中插入死区开关状态，也就是让上下桥臂都同时关断一段时间后再控制需要打开的开关管导通。逆变桥插入死区开关状态会影响逆变器的控制精度，引起输出谐波的增加，使负载产生噪声和振动等问题。而且随着控制周期越来越短，死区时间所占控制周期的比重越来越大，引起的系统误差也随之增大。如常用的绝缘栅双极型晶体管开关切换过程中需要的死区时间约5us，若控制周期为100us，那死区开关状态带来的误差基本可以忽略，但随着逆变精度要求越来越高，控制周期越来越小，若用50us的控制周期，那么死区开关状态将带来更大的误差。

为了解决死区带来的控制误差问题，在脉冲宽度调制等逆变器控制方法中进行了大量的补偿算法研究，比如有死区对称补偿法、相角预测死区补偿法、分段同步调制死区补偿法等。这些补偿策略各有优劣，并在一定程度上提高了脉冲宽度调制法的控制精度。但这些补偿算法都是基于被动的去消除死区误差带来的负面影响，而没有利用死区状态自身的特点，主动提高逆变控制精度。

在开关切换中插入死区开关状态时会引起续流二极管的自然换流，而这个换流过程对系统来说可以等效为一个新的电压矢量输出，选择不同的死区开关状态可能等效出不同的死区等效电压矢量。死区时间内上下开关管均关断的桥臂，若电流方向为正(设定电流方向由逆变器流向负载时为正)，则下桥臂的二极管则处于导通状态，相当于输出电压为负；反之，若电流方向为负，则上桥臂的二极管处于导通状态，相当于输出电压为正。

发明内容

本发明的目的在于提供可提高逆变控制精度的一种死区时间可变的逆变控制方法。

本发明包括以下步骤：

1)根据被控变流器的拓扑结构及其负载，建立数学模型方程；

2)构建模型参数在线辨识算法，自动辨识并修正系统的参数；

在步骤2)中，所述参数包括但不限于电阻、电感、感应电势等。

3)在已建立的系统数学模型基础上，运用有限集模型预测控制方法，对被控变流器建立基本的电流预测跟踪控制，并根据功率开关管的延时特性，在每个开关状态切换过程中，插入固定的开关切换次数最少的死区开关状态和持续时间，防止逆变桥臂直通短路；

在步骤3)中，所述插入固定的开关切换次数最少的死区开关状态和持续时间，如绝缘栅双极型晶体管的死区时间一般为3～5μs。

4)建立前后控制周期内，每次开关状态切换过程中，允许插入的所有死区开关状态和插入死区前后开关状态的之间的函数关系式；

5)根据感性负载开关切换过程中，桥臂产生的自然换流规律，计算死区状态等效电压矢量；

6)根据开关管性能、电感、电阻、电流等参数计算每个控制周期中，死区状态等效电压矢量持续时间的上下限值；

7)构建死区等效电压矢量作用结束时跟踪误差和欲输出开关状态对应的电压矢量作用结束时跟踪误差的综合代价函数，利用综合代价函数，计算出每种开关状态组合下每个控制周期里插入死区开关状态的最优作用时间，并利用步骤6)计算出的时间上下限进行约束；

8)利用每个控制周期时间固定的原则，用固定的控制周期时间减去死区开关状态的作用时间求得欲切换的开关状态对应的电压矢量的作用时间；

9)将步骤7)计算的死区开关状态的作用时间，代回到该综合代价函数中，计算出综合跟踪控制误差值；

10)利用变流器开关状态有限的特点，将所有可能的开关状态作为欲切换的开关状态，并与步骤4)和5)计算出的所有允许插入的死区开关状态及死去状态等效电压矢量进行组合，用遍历法遍历所有组合，并代入步骤6)、7)和8)计算出相应的时间值，然后代入步骤9)中构建的综合代价函数中，从而预测出所有组合的综合跟踪控制误差值；

11)根据步骤10)预测出的所有组合的综合跟踪控制误差值，选取综合跟踪控制误差值最小的开关状态组合作为当前控制周期里插入的死区开关状态和欲输出的开关状态，根据步骤7)计算出当前控制周期里死区开关状态的作用时间，根据步骤8)计算出当前控制周期里欲输出的开关状态的作用时间；

12)在步骤3)中建立的基本有限集模型预测控制方法的基础上，用步骤11)计算出的死区开关状态及其作用时间代替原来的死区开关状态和固定的死区时间，从而动态调整死区状态等效电压矢量的作用时间，用步骤11)计算出的欲输出的开关状态及其作用时间作为插入死区开关状态之后欲输出的开关状态，输出控制变流器，然后进入下一个控制周期，如此循环，从而实现对变流器电流的高精度逆变控制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、在传统逆变器控制算法的基础上，对死区时间进行灵活调整，具有更高的逆变控制精度；

2、转变了传统被动补偿死区误差的思路，积极主动利用换流时产生的死区等效电压矢量参与代价函数寻优，使得死区时间变成提高逆变精度的积极有利因素。

附图说明

图1为三相两电平电压型逆变器带R-L负载拓扑结构图；

图2为死区状态等效电压矢量作用下的输出电流变化；

图3为基本的有限集模型预测控制方法的电流跟踪效果(无死区时间)；

图4为死区时间可变的有限集模型预测控制方法的电流跟踪效果。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

下面以被控对象为三相两电平电压型逆变器带阻感负载为例，基于有限集模型预测控制方法，对本发明涉及的一种死区时间可变的逆变器控制方法做出详细说明，其具体实施方法如下：

1、建立三相两电平电压型逆变器的数学模型。如图1为三相两电平电压型逆变器带阻感负载的拓扑结构图，U_dc表示直流侧电压，S₁～S₆表示带有反并联二极管的开关管，L和R表示三组参数相同的负载电阻和电感，S_A,S_B,S_C为三个桥臂的开关状态。根据逆变器的拓扑结构，建立系统的数学模型，并进行离散化以满足数字芯片的特点。暂不考虑死区时，三相逆变器的离散化模型方程可以表示为：

${I^p}_{(k+1)}(T_s,i\left(k\right),V\left(k\right))=i^p(k+1)=(1-\frac{{\mathrm{RT}}_s}{L})i\left(k\right)+\frac{T_s}{L}V\left(k\right)---1.1$

其中：i^p(k+1)为k+1时刻预测出电流矢量，T_s为控制周期。i(k)为k时刻采样到的电流矢量，V(k)为k时刻欲输出的电压矢量。

2、对逆变器的模型参数进行在线辨识，并自动修正电感、电阻等模型参数，为模型预测控制算法提高准确的模型参数。可以用最小二乘在线参数递归算法直接对系统模型进行参数辨识，辨识出逆变器负载的电感、电阻的实时准确值，并实时反馈修正第1步建立的模型方程中的模型参数。

3、在已建立的系统模型基础上，运用有限集模型预测控制方法，对三相两电平电压型逆变器进行基本的电流预测控制。根据常规输出时，逆变器桥臂的上下开关管状态互补原则，逆变器输出的开关状态共有2³＝8种情况，对应8个输出电压矢量U_s，三相两电平电压型逆变器的电压矢量表如表1所示。

表1

基本的有限集模型预测控制方法利用了逆变器仅含有限个开关状态的特点，采用遍历法的形式对8个开关状态进行分析，分别代入系统模型方程，从而预测出未来时刻逆变器所有可能输出集合，然后通过既定的系统最优代价函数，从所有可能输出的集合中选出最优的一组开关状态作为下一时刻的输出，然后进入下一个控制周期，如此循环，从而实现参考电流信号的跟踪控制。在每个开关状态切换的控制周期里插入固定的开关切换次数最少的死区开关状和死区时间3～5μs，防止逆变桥臂直通短路。

4、建立前后控制周期里，每次开关状态切换过程中，允许插入的所有死区开关状态和插入死区前后开关状态的之间的关系。对于三相两电平逆变器，每个桥臂插入死区开关状态的原则是保证，开关切换的前后，受到延时的影响也不会出现上下开关管同时导通的现象，从而防止短路。对于任意一个桥臂，若前后控制周期里开关状态发生了切换，如原来上开关管导通下开关管关断，切换到上开关管关断下开关管导通，则必须在这个桥臂的两次开关状态切换里插入一个3～5μs的上下开关管同时断开的时间，以保证即使出现关断延时，也不会出现两个开关管同时导通现象。若任意一个I桥臂前后控制周期里开关状态没有发生变化，则可以不用在这个桥臂插入死区状态，但也允许插入死区状态，只是会影响开关频率变化。因此只要根据前后控制周期的开关状态就可以确定允许插入的死区开关状态，而且可能不止一个，开关状态切换过程中可能的死区开关状态及死区状态等效电压矢量见表2。

表2

注：表2中示例为在A、B、C三相桥臂的电流方向为正、正、负时，A、B、C三个桥臂开关管状态由100(011)U₄切换至110(001)U₆情况下可能插入的死区开关状态及相应的死区状态等效电压矢量。

5、根据逆变器所带的阻感负载开关切换时，桥臂产生的自然换流的规律，计算死区状态等效电压矢量。在开关切换中插入死区时会引起续流二极管的自然换流，而这个换流过程对系统来说可以等效为一个新的电压矢量输出。三相逆变桥在死区开关状态的控制时间里，对于上下开光管均关断的桥臂，若插入死区前的电流方向为正(流向负载)，则下桥臂的二极管则处于续流导通状态，相当于输出电压为负；反之，若插入死区前的电流方向为负(流出负载)，则上桥臂的二极管则处于导通续流状态，相当于输出电压为正。根据以上死区状态下桥臂电流的自然换流规律，可得死区桥臂等效输出电压，并结合其他桥臂输出电压的情况，计算出死区状态等效电压矢量关于插入的死区开关状态、各桥臂电流方向，直流侧电压等参数的关系式，具体实现见表2。设此时刻三相桥臂的电流方向为正、正、负，根据死区换流的特点，当只关断一个桥臂时死区状态等效电压矢量为U₄，与前一个开关状态输出相同，当关断两个或两个以上桥臂时，死区换流可以等效输出U₀、U₆、U₁等不同死区状态等效电压矢量。图2为某个控制周期里，插入的其中一个死区状态等效电压矢量作用于逆变器的输出电流变化效果。

6、根据开关管性能、电感L、电阻R、电流等参数计算每个控制周期中，死区状态等效电压矢量的可持续时间的上下限值。要将传统方法中插入固定的死区时间变成动态调整的死区时间，首先要确定其允许调整的上下限，因为死区时间是受功率器件的性能限制，而死区状态等效电压矢量受储能性负载能量释放时间约束的。对于死区时间下限直接根据功率开关管的性能要求确定为3～5μs。死区时间上限则根据死区换流的持续时间确定，直接通过求解系统的模型方程(式1.1),令输出电流为零则可以得到关于负载的感值、阻值等参数和桥臂电流的函数。

7、计算每个控制周期插入死区开关状态的时间最优值，以保证插入的死区开关状态与欲输出开关状态输出组合的跟踪控制误差最小。寻找死区开关状态最优输出时间也就是计算死区状态等效电压矢量的作用时间与本控制周期欲输出的电压矢量作用时间的最优解是本发明的关键点之一。根据有限集模型预测控制策略的特点，在一个采样控制周期T_s里，设死区换流等效电压矢量的作用时间为T₁，本控制周期欲输出的电压矢量作用时间为T₂，并根据第6步计算得的约束对其进行约束：T₁∈(T_down,T_up)，T₂∈(T_s-T_up,T_s-T_down)，则

T_s＝T₁+T₂   1.2

将死区换流的等效电压矢量V_dead(k)及其作用时间T₁代入系统模型方程式可得：

$i_{\mathrm{dead}}^p(k+1)=I_{(k+1)}^p(T_1,i\left(k\right),V_{\mathrm{dead}}\left(k\right))---1.3$

再以T₁为时间基点，将K时刻欲输出的电压矢量V(k)及其作用时间T₂代入系统模型方程式可得：

$i^p(k+1)=I_{(k+1)}^p(T_2,i_{\mathrm{deadp}}^p(k+1),V\left(k\right))---1.4$

在每个控制周期里，要使得预测电流较好的跟踪参考电流，根据有限集模型预测控制原理，构建死区状态等效电压矢量作用结束时跟踪误差和欲输出开关状态对应的电压矢量作用结束时跟踪控制误差的综合代价函数，式1.5，其中λ₁和λ₂分别为每个周期的T₁时刻和T₂时刻作用的误差权重因子，考虑到末状态会直接影响下一个控制周期的控制的跟踪精度，一般设置为λ₂＞λ₁。

$\begin{array}{c}{H}_{(k+1)}(T_1,T_s-T_1,i\left(k\right),V_{\mathrm{dead}}\left(k\right),V\left(k\right),i_{\mathrm{ref}}(k+1))=\\ =\left|\right|{\mathrm{\ΔE}}_{\mathrm{itotal}}(k+1)\left|\right|={\mathrm{\λ}}_1\left|\right|\mathrm{\Δ}{E}_i(k+1)\left|\right|+{\mathrm{\λ}}_2\left|\right|{\mathrm{\ΔE}}_i^{\mathrm{dead}}(k+1)\left|\right|\\ ={\mathrm{\λ}}_1\left|\right|i_{\mathrm{ref}}(k+1)-i^p(k+1)\left|\right|+{\mathrm{\λ}}_2\left|\right|i_{\mathrm{ref}}(k+1){-i}_{\mathrm{dead}}^p(k+1)\left|\right|\end{array}---\left(1.5\right)$

将式1.2代入式1.5中，消去T₂，并对T₁求偏导值，当偏导值为0时，则可以求出ΔE_itotal(k+1)最小值：

$\frac{{\∂H}_{(k+1)}(T_1,T_s-T_1,i\left(k\right),V_{\mathrm{dead}}\left(k\right),V\left(k\right),i_{\mathrm{ref}}(k+1))}{\∂\left(T_1\right)}=0---1.6$

通过式1.6求出在K+1时刻跟踪误差最小时，T₁的最优解。式1.6的理论控制方程，直接求解较困难，在实际应用中通过微处理芯片实现时，可以根据系统特点进行相应简化并快速求解。

8、用控制周期时间T_s，减去第7步计算的死区开关状态的作用时间T₁，求得欲切换的开关状态对应的电压矢量的作用时间T₂；

9、将第7步计算的死区开关状态作用时间T₁，代回到综合代价函数式1.5中，计算出综合跟踪控制误差值||ΔE_itotal(k+1)||；

10、选取最优组合作为逆变器本控制周期的输出。三相两电平逆变器桥臂的开关状态共有8个，利用有限集模型预测控制原理，在每个控制周期里，从当前开关状态切换到这8个开关状态进行遍历预测。根据第4步和第5步计算出所有可能插入的死区开关状态与欲输出开关状态的组合，也就是所有插入的死区状态等效电压矢量与欲输出电压矢量的组合，然后通过第7步计算出所有组合里，在每个控制周期里使得跟踪控制误差最小的时间最优分配。接着再将计算出来的每个组合的最优分配时间分别通过第8步算出所有的综合跟踪控制误差值||ΔE_itotal(k+1)||。

11、根据第10步预测出的所有组合的综合跟踪控制误差值||ΔE_itotal(k+1)||，选取综合跟踪控制误差值最小的开关状态组合作为当前控制周期里插入的死区开关状态和欲输出的开关状态，根据第7步计算出当前控制周期里死区开关状态的作用时间T₁，根据第8步计算出当前控制周期里欲输出的开关状态的作用时间T₂；

12、在第3步中建立的基本有限集模型预测控制方法的基础上，用第11步计算出的每个控制周期的死区开关状态及其作用时间代替原来的死区状态和固定的死区作用时间，从而动态调整死区开关状态等效电压矢量的作用时间。用第11步计算出的欲输出的开关状态及其作用时间，输出控制变流器。然后进入下一个控制周期，如此循环，从而实现对变流器的高精度逆变控制。

本发明涉及一种死区时间可变的逆变控制方法，与基本的有限集模型预测控制方法的比较如图3和图4所示。图3为基本的有限集模型预测控制法下电流的跟踪情况(在死区时间远小于控制周期时，死区作用的效果可以忽略)。设开关管导通时为1，断开时为0，对于m桥臂逆变器开关管的组合状态共有2^m个，开关状态的检索序号S_index＝0,1…n，n＝2^m-1。

I^* _(t)为电流参考信号，T_s为控制周期时间，t_K时刻输出电流为I(t_K)，控制算法遍历所有的开关状态,通过建立的模型方程预测出本控制周期结束时所有可能的输出电流S_index＝0,1…n，并与电流参考信号I^* _(t)比较，通过代价函数计算出每种开关状态下的控制误差，选择其中跟踪误差最小的开关状态作为本控制周期的输出状态输出控制变流器，然后进入下一个控制周期，如此循环实现变流器预测控制。图4为本发明涉及的一种死区时间可变的逆变控制方法的原理示意图，该方法在基本有限集模型预测控制方法的基础上，利用桥臂插入死区时自然换流的规律，动态调整了死区开关状态的作用时间，从而动态调整了死区状态等效电压矢量的作用时间，如图中S_dead表示死区状态等效电压矢量(图中未画出每两个开关状态切换中所有允许插入的死区开关状态，只简化示意出其中一个，图2为死区状态等效电压矢量作用时输出电流的变化情况)，通过计算和最优选择死区开关状态和欲输出开关状态组合，及其分别作用时间，使得每个控制周期里由原来的单电压矢量输出变为双电压矢量的最优积分合成输出，并通过综合误差代价函数保证选择的输出合成矢量为最优组合。由于合成矢量曲线相比于单矢量直线更容易逼近参考信号，因此具有更小的控制误差，从而实现高精度的逆变控制。

本发明所述的一种死区时间可变的逆变控制方法，其主要控制策略是，在每个控制周期里，通过综合选择最优的死区开关状态，并计算死区等效电压矢量，然后通过动态调整死区状态等效电压矢量和本控制周期欲输出电压矢量的作用时间分配，实现每个控制周期中，从单电压矢量输出变为双电压矢量积分合成输出，在利用有限集模型预测控制的原理，构建有限个积分合成输出的最优选择策略，从而实现变流器高精度的逆变控制。该方法的特点在于转变了传统被动补偿死区误差的思路，积极主动利用换流时产生的死区状态等效电压矢量参与代价函数寻优，使得死区时间变成提高逆变精度的积极有利因素。

本发明涉及一种死区时间可变的逆变控制方法。该方法利用逆变器桥臂插入不同死区开关状态时引起换流而产生的各种死区状态等效电压矢量的规律，在每个控制周期里，综合选择最优死区开关状态，并计算死区状态等效电压矢量，然后通过动态调整死区状态等效电压矢量和本控制周期欲输出电压矢量的作用时间分配，实现每个控制周期中，从单电压矢量输出变为双电压矢量积分合成输出，在利用有限集模型预测控制的原理，构建有限个积分合成输出的最优选择策略，从而实现变流器高精度的逆变控制。该方法转变了传统被动补偿死区误差的思路，积极主动利用换流时产生的死区状态等效电压矢量参与代价函数寻优，使得死区时间变成提高逆变精度的积极有利因素。

Claims (2)

1.一种死区时间可变的逆变控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据被控变流器的拓扑结构及其负载，建立数学模型方程；

2)构建模型参数在线辨识算法，自动辨识并修正系统的参数；

3)在已建立的系统数学模型基础上，运用有限集模型预测控制方法，对被控变流器建立基本的电流预测跟踪控制，并根据功率开关管的延时特性，在每个开关状态切换过程中，插入固定的开关切换次数最少的死区开关状态和持续时间，防止逆变桥臂直通短路；

4)建立前后控制周期内，每次开关状态切换过程中，允许插入的所有死区开关状态和插入死区前后开关状态的之间的函数关系式；

5)根据感性负载开关切换过程中，桥臂产生的自然换流规律，计算死区状态等效电压矢量；

6)根据开关管性能、电感、电阻、电流等参数计算每个控制周期中，死区状态等效电压矢量持续时间的上下限值；

7)构建死区等效电压矢量作用结束时跟踪误差和欲输出开关状态对应的电压矢量作用结束时跟踪误差的综合代价函数，利用综合代价函数，计算出每种开关状态组合下每个控制周期里插入死区开关状态的最优作用时间，并利用步骤6)计算出的时间上下限进行约束；

8)利用每个控制周期时间固定的原则，用固定的控制周期时间减去死区开关状态的作用时间求得欲切换的开关状态对应的电压矢量的作用时间；

9)将步骤7)计算的死区开关状态的作用时间，代回到该综合代价函数中，计算出综合跟踪控制误差值；

10)利用变流器开关状态有限的特点，将所有可能的开关状态作为欲切换的开关状态，并与步骤4)和5)计算出的所有允许插入的死区开关状态及死去状态等效电压矢量进行组合，用遍历法遍历所有组合，并代入步骤6)、7)和8)计算出相应的时间值，然后代入步骤9)中构建的综合代价函数中，从而预测出所有组合的综合跟踪控制误差值；

11)根据步骤10)预测出的所有组合的综合跟踪控制误差值，选取综合跟踪控制误差值最小的开关状态组合作为当前控制周期里插入的死区开关状态和欲输出的开关状态，根据步骤7)计算出当前控制周期里死区开关状态的作用时间，根据步骤8)计算出当前控制周期里欲输出的开关状态的作用时间；

12)在步骤3)中建立的基本有限集模型预测控制方法的基础上，用步骤11)计算出的死区开关状态及其作用时间代替原来的死区开关状态和固定的死区时间，从而动态调整死区状态等效电压矢量的作用时间，用步骤11)计算出的欲输出的开关状态及其作用时间作为插入死区开关状态之后欲输出的开关状态，输出控制变流器，然后进入下一个控制周期，如此循环，从而实现对变流器电流的高精度逆变控制。

2.如权利要求1所述一种死区时间可变的逆变控制方法，其特征在于在步骤2)中，所述参数包括但不限于电阻、电感、感应电势。