CN105226985A - 基于电流矢量等效的三电平死区补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流矢量等效的三电平死区补偿方法，目的是为解决三电平逆变器在采用SVPWM调制时，由于死区效应而导致的系统谐波增加、电压失真等现象。该补偿方法，通过判断三相电流方向，得到三相桥臂在状态切换时，由于功率器件导通延迟产生的误差电压，并在两相静止坐标系下合成，得到基于电流矢量等效的误差电压。在此基础上补偿一个与其等值反向的电压矢量，重构两相静止坐标系下的参考指令，抵消死区作用效果，实现了对SVPWM调制输出死区进行补偿，可有效提升系统的性能。

Description

基于电流矢量等效的三电平死区补偿方法

技术领域

本发明涉及电力电子与电力传动技术领域，具体涉及一种基于电流矢量等效的三电平死区补偿方法。

背景技术

三电平逆变器相较于传统的两电平逆变器，由于电平数目增多，使得输出电压谐波成分减少，开关管的电压开关应力降低，从而使系统损耗减少，在低压开关器件的应用更加广泛。为了防止逆变器直流侧直通，需要在功率器件驱动信号中加入死区时间。相比于一个开关周期，设置的死区时间相对较短，但是它的累积效应仍然会导致电压电流畸变、零电流箝位效应、系统性能降低，因此有必要对死区进行补偿。

目前的死区补偿方法，大体上分为两类：基于平均电压误差的补偿法和基于脉冲的补偿法。其中，平均电压误差法，比较一个周期内参考输出电压和实际输出电压的差值，然后根据各相电流极性将其加到指令电压中进行补偿，该方法易于实现，但补偿不够精确；基于脉冲补偿法，能够精确补偿死区时间，但对控制芯片的要求较高，往往会占用大量CPU资源。此外，死区补偿方法中电流极性的检测也非常重要，电流过零点判断不准确很可能导致误补偿。

申请号为201010200424.4的专利《一种用于电压源逆变器的死区补偿方法》，根据两个非零矢量在一个PWM周期内的作用时间以及初始死区时间，产生新的死区补偿时间，再叠加求得两个非零电压矢量在该PWM周期内新的作用时间，运行SVPWM调制。该方法没有考虑IGBT管压降对死区补偿的影响，且只适用于两电平逆变器的死区补偿；专利号为201010268342.3的《基于矢量作用等效的空间矢量脉宽调制输出的死区补偿方法》，将死区作用等效为基本空间矢量的作用效果，通过增减调制矢量所在扇区非零矢量作用时间的方式，抵消死区作用效果。该方法没有考虑IGBT的通断延迟仍然对电压造成影响，以及当脉冲趋于饱和后，不能对死区进行有效补偿。

发明内容

本发明的目的是为了解决三电平逆变器在采用SVPWM调制时，由于死区效应而导致的系统谐波增加、电压失真等现象，提出一种新颖、简单的基于电流矢量等效的死区补偿方法，以达到消除死区对输出电压的影响。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于电流矢量等效的三电平死区补偿方法，包括步骤：

根据三电平逆变器的拓扑结构，结合IGBT开关管完全开通、关断所需的延迟时间，设置死区时间T_d；

根据IGBT开关管、续流二极管开通、关断时的延迟对输出电压的影响，得出死区时间内产生的误差电压△V；

IGBT开关管在PON三种状态下切换，得出在不同相电流方向情况下产生的误差电压的通用表达式；

根据各相电流方向及时序状态，确定作用区间，得到基于电流矢量等效的误差电压补偿量V_△α、V_△β；

将计算得到的电压补偿量反馈到原参考电压矢量V_α、V_β，重新构建新的两相静止坐标系V^* _α＝V_α+V_△α、V^* _β＝V_β+V_△β，继续进行SVPWM调制，实现死区补偿。

本发明通过判断各相电流流向的方式，将由此导致的死区误差电压，等效为空间矢量的作用效果，通过补偿一个等值反向的电压矢量，抵消死区作用效果，可有效地对SVPWM调制输出死区进行补偿，大大提升逆变器的系统性能。优点在于控制简单，无需大量计算，能够节省CPU资源，没有直接对脉冲信号进行控制，抗干扰性好。

附图说明

图1为本发明基于电流矢量等效的三电平死区补偿方法的流程示意图；

图2为三电平逆变器的拓扑结构；

图3为不同电流流向下，P至O状态时的开关管通断时序，图3(a)电流为正开关管时序，图3(b)电流为负开关管时序，图3(c)A相从P至O转换时开关管时序；

图4为空间矢量调制法示意图，图4(a)空间矢量第一区间划分，图4(b)一区一部A相开关管时序；

图5为基于电流矢量等效的误差电压；

图6为基于电流矢量等效的补偿控制原理；

图7为两相静止坐标系下误差电压的空间矢量；

图8为基于电流矢量等效死区补偿方法的仿真波形，图8(a)为死区补偿前与补偿后的调制波形；图8(b)死区补偿前与补偿后的相电流波形；

图9为不同情况下的谐波比较，图9(a)死区时间T_d＝0时的电流频谱；图9(b)死区时间T_d＝4us，未加死区补偿时的电流频谱；图9(c)死区时间T_d＝4us，加上死区补偿时的电流频谱。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

本发明基于电流矢量等效的三电平死区补偿方法，如图1所示，包括：

步骤1、根据三电平逆变器的拓扑结构，结合IGBT开关管完全开通、关断所需的延迟时间，设置死区时间T_d；

步骤2、根据IGBT开关管、续流二极管开通、关断时的延迟对输出电压的影响，得出死区时间内产生的误差电压△V；

步骤3、IGBT开关管在PON三种状态下切换，得出在不同相电流方向情况下产生的误差电压的通用表达式；

步骤4、根据各相电流方向及时序状态，确定作用区间，得到基于电流矢量等效的误差电压补偿量V_△α、V_△β；

步骤5、将计算得到的电压补偿量反馈到原参考电压矢量V_α、V_β，重新构建新的两相静止坐标系V^* _α＝V_α+V_△α、V^* _β＝V_β+V_△β，继续进行SVPWM调制，实现死区补偿。

本发明的工作原理是：三电平逆变器在进行SVPWM调制时，由于死区效应产生误差电压，而根据各相电流的流动方向，可以得到误差电压在静止坐标系下的矢量，这一矢量使两相静止坐标系下的参考指令偏移，造成谐波增加、电压失真，因此需对其进行补偿抵消。根据电流方向可以确定各作用区间的误差电压矢量，在此基础上补偿一个与其等值反向的电压矢量，产生新的两相静止坐标系下的参考指令，即可抵消误差电压对系统的扰动，消除死区对输出电压的影响。

图2为三电平逆变器的主电路拓扑结构图，包括A、B、C三相桥臂，每相桥臂由4个开关管、4个续流二极管和两个箝位二极管组成。Sa1、Sa2、Sa3、Sa4表示A相的4个开关管，Da1和Da2表示箝位二极管。以A相桥臂为例，三电平的每相桥臂有三种状态[P,O,N]，对应的开关管状态为：

$P:S_{a1}=1,S_{a2}=1,S_{a3}=0,S_{a4}=0,V=\frac{U_{dc}}{2}$

O:S_a1＝0,S_a2＝1,S_a3＝1,S_a4＝0,V＝0

$N:S_{a1}=0,S_{a2}=0,S_{a3}=1,S_{a4}=1,V=-\frac{U_{dc}}{2}$

开关管在每一个开关周期只能是相邻两个状态之间切换，即P状态和O状态切换或者O状态和N状态之间切换。

以图3为例，分析开关管在P至O切换过程中的死区效应，图3(a)电流为正时，桥臂状态从P至O，由于Sa1立即关断，改为由Da1、Sa2续流，并没有延迟，因此没有产生误差电压；图3(b)电流为负时，电流仍然通过Sa1续流二极管，桥臂没有立即切换成O而是维持在P状态，由于转换延迟，导致在箝位二极管上产生了一个误差电压V_err。图3(c)为A相从P至O转换时开关管时序图，由上面的分析可知，由死区效应产生的误差电压可根据电流流向以及开关管状态决定。当电流i_x<0，开关管有一个下降沿时，将产生正误差电压；当电流i_x>0，开关管有一个上升沿时，将产生负误差电压。误差电压可表示为：

$V_{err}=k\&times;\mathrm{\&Delta;}V=k\&times;\mathrm{\&Delta;}d\&times;\frac{U_{dc}}{2}$

其中，△d＝T_d/T_pwm，T_d是设置的死区时间，T_pwm为一个开关周期时间，k是常数，其正、负、零情况根据电流流向及开关管状态决定，U_dc为直流电压。

图4为三电平SVPWM空间矢量调制法示意图，将坐标系划分为6个大区间，图4(a)为空间矢量第一区间，为了降低开关管导通频率，又将一区间划分为4个部分，图4(b)为一区一部A相开关管驱动信号。

分析三相电流导致的误差电压，①i_a>0，A由O→P→O，产生的V_err-a＝-△V；②i_b<0，B由N→O→N，V_err-b＝△V；③i_c<0，C由N→O→N，V_err-c＝△V；其他区间的误差电压可依此类推。得到三电平逆变器在[P,O,N]状态间切换时，产生的误差电压通用表达式为：

1、 $P\&RightArrow;O:\left\{\begin{array}{c}{V}_{err}=0,k=0(i_x>0)\\ V_{err}=\mathrm{\&Delta;}V,k=1(i_x<0)\end{array}\right.$ 2、 $O\&RightArrow;N:\left\{\begin{array}{c}{V}_{err}=0,k=0(i_x>0)\\ V_{err}=\mathrm{\&Delta;}V,k=1(i_x<0)\end{array}\right.$

3、 $N\&RightArrow;O:\left\{\begin{array}{c}{V}_{err}=-\mathrm{\&Delta;}V,k=-1(i_x>0)\\ V_{err}=0,k=0(i_x<0)\end{array}\right.$ 4、 $O\&RightArrow;P:\left\{\begin{array}{c}{V}_{err}=-\mathrm{\&Delta;}V,k=-1(i_x>0)\\ V_{err}=0,k=0(i_x<0)\end{array}\right.$

根据三相电流流向，得到误差电压，在坐标系上进行矢量合成，得到基于电流矢量等效的误差电压矢量，如图5所示。

以一区一部为例，i_a>0，i_b<0，i_c<0，产生的误差电压V_err-a＝-△V，V_err-b＝△V，V_err-c＝△V，矢量如图5(c)所示，其在两相静止坐标系下的值：V_err-α＝-2△V，V_err-β＝0。

图6为基于电流矢量等效的补偿控制原理，其中两相静止坐标系下的参考指令V_ref，受到死区效应产生的误差电压V_err的影响，形成V_ref1使得参考指令偏移，造成谐波增加、电压失真，因此需对其进行补偿，产生新的参考指令V_ref2，从而抵消死区影响。

图7为两相静止坐标系下误差电压的空间矢量图，通过三相电流即可判断误差电压所属区间，其中一区一部属于+--区间。

根据各作用区间的误差电压矢量，在此基础上补偿一个与其等值反向的电压矢量，产生新的两相静止坐标系下的参考指令V_ref2，即可抵消误差电压对系统的扰动，消除死区对输出电压的影响。

以一区一部为例，死区误差电压V_err-α＝-2△V，V_err-β＝0，采用基于电流矢量等效的补偿控制，得到电压补偿量V_△α＝2△V、V_△β＝0，得到新的参考指令在两相静止坐标系下表示为：V^* _α＝V_α+2△V，V^* _β＝V_β。

根据以上分析，得到重构的两相静止坐标系下指令参考值如下：

1、 $\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\&alpha;}}^{*}=V_{\mathrm{\&alpha;}}+\mathrm{\&Delta;}V\\ V_{\mathrm{\&beta;}}^{*}=V_{\mathrm{\&beta;}}+\frac{2\mathrm{\&Delta;}V}{\sqrt{3}}\end{array}\right.,\left(i_a>0,i_b>0,i_c<0\right)$ 2、 $\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\&alpha;}}^{*}=V_{\mathrm{\&alpha;}}+\mathrm{\&Delta;}V\\ V_{\mathrm{\&beta;}}^{*}=V_{\mathrm{\&beta;}}-\frac{2\mathrm{\&Delta;}V}{\sqrt{3}}\end{array}\right.,\left(i_a>0,i_b<0,i_c>0\right)$

3、 $\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\&alpha;}}^{*}=V_{\mathrm{\&alpha;}}+2\mathrm{\&Delta;}V\\ V_{\mathrm{\&beta;}}^{*}=V_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right.,\left(i_a>0,i_b<0,i_c<0\right)$ 4、 $\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\&alpha;}}^{*}=V_{\mathrm{\&alpha;}}-2\mathrm{\&Delta;}V\\ V_{\mathrm{\&beta;}}^{*}=V_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right.,\left(i_a<0,i_b>0,i_c>0\right)$

5、 $\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\&alpha;}}^{*}=V_{\mathrm{\&alpha;}}-\mathrm{\&Delta;}V\\ V_{\mathrm{\&beta;}}^{*}=V_{\mathrm{\&beta;}}+\frac{2\mathrm{\&Delta;}V}{\sqrt{3}}\end{array}\right.,\left(i_a<0,i_b>0,i_c<0\right)$ 6、 $\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\&alpha;}}^{*}=V_{\mathrm{\&alpha;}}-\mathrm{\&Delta;}V\\ V_{\mathrm{\&beta;}}^{*}=V_{\mathrm{\&beta;}}-\frac{2\mathrm{\&Delta;}V}{\sqrt{3}}\end{array}\right.,\left(i_a<0,i_b<0,i_c>0\right)$

综上所述，本实施例的死区控制策略如下：通过采集三相电流，判断各相电流方向及时序状态，确定作用区间，得到基于电流矢量等效的电压补偿量V_△α、V_△β，反馈到原参考电压矢量V_α、V_β，重新构建新的两相静止坐标系V^* _α＝V_α+V_△α、V^* _β＝V_β+V_△β，继续进行SVPWM调制策略的运算，最终得到驱动信号，用以消除死区的影响。

对本例实施的基于电流矢量等效的死区补偿方法进行仿真，图8(a)为死区补偿前与补偿后的调制波形，0.5s时开始加入补偿控制，死区时间T_d＝4us，开关频率5kHZ；图8(b)为死区补偿前与补偿后的三相电流波形。

图9为不同情况下的谐波比较，图9(a)为无死区时间T_d＝0时，三电平输出的电流频谱，此时THD＝1.60％；图9(b)为加上死区时间T_d＝4us，而未加死区补偿的电流频谱，THD＝2.45％，说明死区时间引起波形失真；图9(c)为死区时间T_d＝4us，加上死区补偿后的电流频谱，总谐波畸变率从2.45％降到1.67％，并且与无死区时的THD值相近，取得了较好的补偿效果，证明了其方法的正确和有效性。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (4)

1.一种基于电流矢量等效的三电平死区补偿方法，其特征在于，包括步骤：

根据三电平逆变器的拓扑结构，结合IGBT开关管完全开通、关断所需的延迟时间，设置死区时间T_d；

根据IGBT开关管、续流二极管开通、关断时的延迟对输出电压的影响，得出死区时间内产生的误差电压△V；

IGBT开关管在PON三种状态下切换，得出在不同相电流方向情况下产生的误差电压的通用表达式；

根据各相电流方向及时序状态，确定作用区间，得到基于电流矢量等效的误差电压补偿量V_△α、V_△β；

将计算得到的电压补偿量反馈到原参考电压矢量V_α、V_β，重新构建新的两相静止坐标系V^* _α＝V_α+V_△α、V^* _β＝V_β+V_△β，继续进行SVPWM调制，实现死区补偿。

2.根据权利要求1所述的基于电流矢量等效的三电平死区补偿方法，其特征在于：

在前两个步骤中，由于开关管延时导通、关断的死区效应产生的误差电压为：

$V_{err}=k\&times;\mathrm{\&Delta;}V=k\&times;\mathrm{\&Delta;}d\&times;\frac{U_{dc}}{2}$

其中，△d＝T_d/T_pwm，T_d为死区时间，T_pwm为开关周期，k是常数，其正、负、零情况根据电流流向及开关管状态决定，U_dc为直流电压。

3.根据权利要求1所述的基于电流矢量等效的三电平死区补偿方法，其特征在于：

在第三个步骤中，三电平逆变器在[P,O,N]状态间切换时产生的误差电压通用表达式为：

$1,P\&RightArrow;O:\left\{\begin{array}{c}{V}_{err}=0,k=0(i_x>0)\\ V_{err}=\mathrm{\&Delta;}V,k=1(i_x<0)\end{array}\right.$ $2,O\&RightArrow;N:\left\{\begin{array}{c}{V}_{err}=0,k=0(i_x>0)\\ V_{err}=\mathrm{\&Delta;}V,k=1(i_x<0)\end{array}\right.$

$3,N\&RightArrow;O:\left\{\begin{array}{c}{V}_{err}=-\mathrm{\&Delta;}V,k=-1(i_x>0)\\ V_{err}=0,k=0(i_x<0)\end{array}\right.$ $4,O\&RightArrow;P:\left\{\begin{array}{c}{V}_{err}=-\mathrm{\&Delta;}V,k=-1(i_x>0)\\ V_{err}=0,k=0(i_x<0)\end{array}\right.$

其中，i_x表示电流。

4.根据权利要求1所述的基于电流矢量等效的三电平死区补偿方法，其特征在于：

在第五个步骤中，将基于电流矢量等效的电压补偿量V_△α、V_△β，反馈到原参考电压矢量V_α、V_β，得到重构的两相静止坐标系指令参考值如下：

$1,\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\&alpha;}}^{*}=V_{\mathrm{\&alpha;}}+\mathrm{\&Delta;}V\\ V_{\mathrm{\&beta;}}^{*}=V_{\mathrm{\&beta;}}+\frac{2\mathrm{\&Delta;}V}{\sqrt{3}}\end{array}\right.,(i_a>0,i_b>0,i_c<0)$ $2,\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\&alpha;}}^{*}=V_{\mathrm{\&alpha;}}+\mathrm{\&Delta;}V\\ V_{\mathrm{\&beta;}}^{*}=V_{\mathrm{\&beta;}}-\frac{2\mathrm{\&Delta;}V}{\sqrt{3}}\end{array}\right.,(i_a>0,i_b<0,i_c>0)$

$3,\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\&alpha;}}^{*}=V_{\mathrm{\&alpha;}}+2\mathrm{\&Delta;}V\\ V_{\mathrm{\&beta;}}^{*}=V_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right.,(i_a>0,i_b<0,i_c<0)$ $4,\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\&alpha;}}^{*}=V_{\mathrm{\&alpha;}}-2\mathrm{\&Delta;}V\\ V_{\mathrm{\&beta;}}^{*}=V_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right.,(i_a<0,i_b>0,i_c>0)$

$5,\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\&alpha;}}^{*}=V_{\mathrm{\&alpha;}}-\mathrm{\&Delta;}V\\ V_{\mathrm{\&beta;}}^{*}=V_{\mathrm{\&beta;}}+\frac{2\mathrm{\&Delta;}V}{\sqrt{3}}\end{array}\right.,(i_a<0,i_b>0,i_c<0)$ $6,\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\&alpha;}}^{*}=V_{\mathrm{\&alpha;}}-\mathrm{\&Delta;}V\\ V_{\mathrm{\&beta;}}^{*}=V_{\mathrm{\&beta;}}-\frac{2\mathrm{\&Delta;}V}{\sqrt{3}}\end{array}\right.,(i_a<0,i_b<0,i_c>0)$

将所述补偿后的指令参考值V^* _α、V^* _β进行SVPWM调制，得到驱动信号，最终实现死区补偿。