CN104917178B

CN104917178B - 一种减小三电平并联型有源电力滤波器死区效应的方法

Info

Publication number: CN104917178B
Application number: CN201510283606.5A
Authority: CN
Inventors: 孟润泉; 韩肖清; 陈娟; 武敏; 王磊; 刘翼肇
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2035-05-29
Also published as: CN104917178A

Abstract

本发明涉及电力电子装置控制技术领域，一种减小三电平并联型有源电力滤波器死区效应的方法，依据控制原理为电流设置四个不同的区间，通过电流所在区间的判断结果对脉冲信号进行修正，即电流在缓冲区外时，将不参与有效控制的开关管关断以彻底消除电流极性一定时的死区效应，减少开关管的通断次数，起到保护开关管和减小开关损耗的作用；电流在缓冲区内时，对可能造成直通现象中公共开关管进行适当控制，不仅可以大大降低对电流极性检测精度的要求，而且可以有效防止电流极性突变时直通现象的发生。

Description

一种减小三电平并联型有源电力滤波器死区效应的方法

技术领域

本发明涉及电力电子装置控制技术领域，具体涉及一种基于电流区间判断的死区效应削弱法，特别适合三电平并联型有源电力滤波器（APF）的谐波补偿性能优化。

背景技术

随着电网谐波问题的日益严重，作为补偿谐波及无功的APF得到了迅速发展，在工业生产中尤其在高压大功率交流电机变频调速领域，三电平并联型APF是较为理想的谐波补偿装置。但是，由于实际的电力电子开关器件存在一定的导通和关断时间，为防止直通现象的发生，通常会在各开关管导通前加入一段死区时间。死区时间的加入会造成驱动脉冲变窄甚至消失（上升和下降沿重叠），从而对APF的谐波补偿性能造成严重的影响，因此必须采用相应的措施对死区效应进行削弱。

为了减小死区效应对APF谐波补偿性能的影响，现有技术主要通过检测谐波电流极性来对开关管的通断时间或者载波进行修正，以达到死区效应补偿的目的，并且是在假设电平不变的前提下分析电流极性突变来提出死区效应补偿策略。事实上，电流极性的突变可能发生在任意时刻，其中，当电流极性突变与该相电压状态变化同时、同向进行时，仍存在直通的可能。因此，现有技术对死区效应的补偿是有限制的，并且对电流极性的检测精度要求较高，各开关管的通断较为频繁，另外，基于电流极性判断的死区效应补偿方法对APF的控制策略依赖性较大，延时较长且不具有通用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对采用NPC(Neutral Point Clamped,中点钳位)型功率电路的三电平并联型APF存在的死区效应和现有技术对该死区效应补偿效果的不足，提供一种用于减小死区效应的方法。

本发明所采用的技术方案是：一种减小三电平并联型有源电力滤波器死区效应的方法，所述的三电平并联型（APF）为采用NPC型功率电路的三电平并联型APF，按照如下的步骤进行：

步骤一、确定缓冲时间T_z：根据三电平并联型APF功率电路所采用的电力电子器件确定缓冲时间T_z，T_z=（T_off-T_on）×k，其中T_on、T_off分别为所用电力电子器件的开通时间和关断时间，1.1≤k≤1.3为安全系数；

步骤二、获取理想谐波补偿电流波形i_c0x：通过仿真获取三电平并联型APF理想控制模式下的谐波补偿电流波形i_c0x(x=a,b,c，分别对应a,b,c三相，下文同)；

步骤三、确定边界电流i_z：在步骤二所获取的谐波补偿电流波形i_c0x中，选择电流斜率最大的过零点，读取该过零点前后T_z/2时刻的电流值，绝对值较大者即为边界电流i_z；

步骤四、设置电流区间：在步骤三的基础上规定区间(i_z，+∞)为P区，区间[0，i_z]为缓冲P区，区间[-i_z，0)为缓冲N区，区间(-∞，-i_z)为N区；

步骤五、确定修正向量E_x：根据指令电流i_cx ^* (x=a,b,c，分别对应a,b,c三相)所在电流区间，确定用于修正输出信号的修正向量E_x(x=a,b,c，分别对应a,b,c三相)：当i_cx ^*之值落在P区时，E_x=[1,1,0,0] ；当i_cx ^*之值落在缓冲P区时，E_x=[1,0,0,0]；当i_cx ^* 之值落在缓冲N区时，E_x=[0,0,0,1]；当i_cx ^*之值落在N区时，E_x=[0,0,1,1]；

步骤六、生成输出指令向量D_x：将不设死区而得到的用于驱动电力电子开关器件的理想指令向量F_x(x=a,b,c，分别对应a,b,c三相)与步骤五得到的修正向量E_x按位相“与”，得到最终驱动电力电子开关器件的输出指令向量D_x(x=a,b,c，分别对应a,b,c三相)。

本发明的有益效果是首先，本发明提供的方法避免了当补偿电流极性突变与该相电压状态变化同时、同向进行时直通故障的发生；其次，本发明在有效减小死区效应的同时，省去了不必要的开关动作，从而大大减少了开关器件的开关次数及开通时间，减少了开关损耗和干扰、延长了电力电子器件寿命；再次，本发明通过设置电流区间克服了因电流流向检测不精确而引发的控制信号错误及输出电流畸变；该方法操作简单、易于实现，且不依赖于APF所采用的控制策略，具有通用性，适用于所有采用NPC型功率电路的三电平并联型APF的性能优化。

附图说明

图1为NPC型三电平并联型APF的拓扑结构图；

图2为现有技术中电流流向突变时发生直通现象的的驱动脉冲信号波形；

(a) u_a ^*在0，P电平间转换；

(b) u_a ^*在0，N电平间转换；

图3为本发明的逻辑控制流程图；

图4为开关管的开关过程波形；

图5为理想谐波补偿电流波形；

图6为获取边界电流i_z原理图；

图7为电流流向一定时经本发明修正后的驱动脉冲信号波形；

图7 (a)为u_a ^*在0，P电平间转换；

图7 (b)为u_a ^*在0，N电平间转换；

图8为电流流向变化时经本发明修正后的驱动脉冲信号波形；

图8 (a) u_a ^*在0，P电平间转换；

图8 (b) u_a ^*在0，N电平间转换；

图9为发明实施前NPC型三电平并联型APF的补偿效果图；

图10为发明实施后NPC型三电平并联型APF的补偿效果图。

具体实施方式

为使本发明的技术特征及优势更加明了，下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明提供一种减小三电平并联型APF死区效应的方法，所述三电平并联型APF具体指NPC型三电平并联型APF，拓扑结构如图1所示。Q_x1, Q_x2，Q_x3及Q_x4为构成x(x=a,b,c，分别对应a,b,c三相，下文同)桥臂的四个开关管；x相的理想输出电压和实际输出电压分别用u_x ^*及u_x表示, 理想输出电流及实际输出电流分别用i_cx ^*及i_cx表示，规定流出APF的电流方向为正，流入APF的方向为负；电容C₁、C₂将直流侧分为三个电平，即正电平P、零电平0及负电平N。下面将以a相为例加以说明，b、c两相与a相类同。

理想情况下，a桥臂上四个开关管Q_a1~Q_a4的开关状态如表1所示，表中1和0分别表示开关管处于导通和关断状态。为减小死区效应对APF谐波补偿性能的影响，从控制效果出发将各开关管的开关状态由表1等效为表2。

表1 a桥臂上四个开关管的理想开关状态

u_a ^*	P	0	N
				i_ca ^*>0	[1,1,0,0]	[0,1,1,0]	[0,0,1,1]
i_ca ^*<0	[1,1,0,0]	[0,1,1,0]	[0,0,1,1]

表2 a桥臂上四个开关管的有效工作状态

u_a ^*	P	0	N
				i_ca ^*>0	[1,1,0,0]	[0,1,0,0]	[0,0,0,0]
i_ca ^*<0	[0,0,0,0]	[0,0,1,0]	[0,0,1,1]

由表2可知，当u_a ^*在0，P电平间转换时，若电流由负向正的突变恰好发生在u_a ^*由0向P转换的瞬间，或电流由正向负的突变恰好发生在u_a ^*由P向0转换的瞬间时，Q_a1、Q_a2及Q_a3同时动作从而造成桥臂直通，如图2(a)所示；u_a ^*在0，N电平间转换时，若电流由负向正的突变恰好发生在u_a ^*由N向0转换的瞬间，或电流由正向负的突变恰好发生在u_a ^*由0向N转换的瞬间时，Q_a2、Q_a3及Q_a4同时动作，也会导致直通现象发生，如图2(b)所示。

为解决电流过零时可能存在的直通问题，理论上只需在电压状态及电流极性同时、同向变化时加入死区即可最大限度地削弱死区效应，然而，该方法的实现需要同时对电压、电流两个信号进行检测及处理，控制复杂，延时严重，并且对电流极性检测精度要求较高，不适用于工程实际。

本发明的控制思想在于预先设置电流区间，然后根据指令电流所处区间不同而生成相应的修正向量，进而对不设死区所得理想指令向量修正，最终获得所需脉冲信号，逻辑控制流程图如图3所示，一种用于减小三电平并联型APF死区效应的方法，实施步骤如下：

步骤一、确定缓冲时间T_z：根据三电平并联型APF功率电路所采用的电力电子器件确定缓冲时间T_z，T_z=（T_off-T_on）×k，其中1.1≤k≤1.3为安全系数，T_on、T_off分别为所用电力电子器件的开通时间和关断时间，开关管的开关过程波形及T_on、T_off定义如图4所示；

步骤二、获取理想谐波补偿电流波形i_c0a、i_c0b及i_c0c：通过仿真获取三电平并联型APF理想控制模式下的谐波补偿电流波形i_c0a、i_c0b、i_c0c如图5所示；

步骤三、确定边界电流i_z：确定i_z的原理如图6所示，即在步骤二所得如图5所示补偿电流i_c0a、i_c0b、i_c0c中，选择电流斜率最大的过零点，读取该过零点前后T_z/2时刻的电流值，绝对值较大者即为边界电流i_z；

步骤四、设置电流区间：在步骤三基础上规定区间(i_z，+∞)为P区，区间[0，i_z]为缓冲P区，区间[-i_z，0)为缓冲N区，区间(-∞，-i_z)为N区，如图8所示；

步骤五、确定修正向量E_a：根据指令电流i_ca ^*所在电流分区，确定用于修正输出信号的修正向量E_a，即，当i_ca ^* 之值属于P区时，E_a=[1,1,0,0]；当i_ca ^*之值属于缓冲P区时，E_a=[1,0,0,0]；当i_ca ^*之值属于缓冲N区时，E_a=[0,0,0,1]；当i_ca ^*之值属于N区时，E_a=[0,0,1,1]；

步骤六、生成输出指令向量D_a：将不设死区而得到的用于驱动a相桥臂4个电力电子开关器件的理想指令向量F_a与步骤五得到的修正向量E_a按位相“与”，得到最终控制电力电子开关器件的输出指令向量D_a；例如，若已确定E_a=[1,1,0,0]，当F_a=[f_a1,f_a2,f_a3,f_a4]时，D_a=E_a∙F_a =[f_a1,f_a2,0,0]，即不管理想指令中f_a3,f_a4为何值，经修正后器件Q_a3、Q_a4将被强行关断。

当i_ca ^*流向一定时(对应P区或N区)，按上述实施方案修正后a桥臂上各开关管Q_a1~Q_a4的驱动脉冲信号S₁~S₄分别如图7(a)、(b)所示；当i_ca ^*流向变化时(对应缓冲P区或缓冲N区)，按上述实施方案修正后a桥臂上各开关管Q_a1~Q_a4的驱动脉冲信号S₁~S₄分别如图8(a)、(b)所示。

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，图9为本发明实施前三电平并联型APF的谐波补偿效果图，图10为本发明实施后三电平并联型APF的谐波补偿效果图。对比图9、图10可见，本发明实施前，由于死区效应的影响，系统电流的谐波含量较大，畸变明显，并联型APF的谐波补偿性能较差；本发明实施后系统电流的谐波含量大大降低，谐波补偿效果得到了明显改善，使并联型APF的谐波补偿性能得到了优化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种减小三电平并联型有源电力滤波器死区效应的方法，其特征在于按照如下的步骤进行：

步骤一、确定缓冲时间T_z：根据三电平并联型有源电力滤波器功率电路所采用的电力电子器件确定缓冲时间T_z，T_z=（T_off-T_on）×k，其中T_on、T_off分别为所用电力电子器件的开通时间和关断时间，1.1≤k≤1.3为安全系数；

步骤二、获取理想谐波补偿电流波形i_c0x：通过仿真获取三电平并联型有源电力滤波器理想控制模式下的谐波补偿电流波形i_c0x；

步骤五、确定修正向量E_x：根据指令电流i_cx ^*所在电流区间，确定用于修正输出信号的修正向量E_x：当i_cx ^*之值落在P区时，E_x=[1,1,0,0] ；当i_cx ^*之值落在缓冲P区时，E_x=[1,0,0,0]；当i_cx ^* 之值落在缓冲N区时，E_x=[0,0,0,1]；当i_cx ^*之值落在N区时，E_x=[0,0,1,1]；

步骤六、生成输出指令向量D_x：将不设死区而得到的用于驱动电力电子开关器件的理想指令向量F_x与步骤五得到的修正向量E_x按位相“与”，得到最终驱动电力电子开关器件的输出指令向量D_x。