CN105529951B - 带电流过零区域控制的死区时间可变逆变控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
带电流过零区域控制的死区时间可变逆变控制方法及系统。控制系统设有逆变器主电路、等效负载、电流检测模块、电流过零区域检测模块、过零区域阀值设定模块、主控制器模块和功率开关管驱动电路；逆变器主电路的输出端与等效负载的前端相连；等效负载后端与电流检测模块相连；电流检测模块输出端与电流过零区域检测模块和主控制器模块连接；电流过零区域检测模块输出端接主控制器模块，电流过零区域检测模块输入端与过零区域阀值设定模块相连；电流运算器输入端接电流检测模块输出端，电流运算器输出端接电流阀值比较电路输入端，电流阀值比较电路输出端接电流过零区域检测模块的输入端；主控制器模块的算法运算器输出接逆变桥的驱动电路。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子逆变技术，尤其是涉及一种带电流过零区域控制的死区时间可变逆变控制方法及系统。
背景技术
逆变技术是电力电子技术中最重要的变流技术之一，主要应用于各种逆变器、变频器、UPS、电力系统的无功补偿、电力有源滤波器等，应用非常广泛。目前，主流的逆变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。逆变器模型预测控制算法将模型预测理论应用于逆变器控制的优化控制算法，它具有模型预测控制算法的一般特征，如基于预测模型、求解性能优化函数等。有限集模型预测控制FCS-MPC(Finite ControlSet Model Predictive Control)方法是逆变器模型预测控制方法最为重要而且易于实现的方法之一。FCS-MPC算法充分利用数字系统离散化的特点，使得模型预测控制方法在SoC芯片就能实现，具有算法简单、响应速度快等优点。相比于目前逆变控制方法应用中占统治地位的PWM调制方法，FCS-MPC控制方法是一种全新的方法，并越来越受到学者的关注，可能使逆变器的性能再上一个新的台阶。
在逆变器的控制过程中，为防止功率开关器件烧毁，逆变桥每一次开关切换都必须插入死区开关状态。死区开关状态会影响逆变控制精度，引起较大的谐波，带来振动和噪声。目前针对死区的研究基本都局限于通过死区开关状态补偿的方法来减少其带来的不利后果。但公告号为CN104779830A的专利对此问题给出了一种全新的解决思路和控制方法：即利用桥臂在开关切换时会形成自然换流的特点，将死区开关状态等效为死区状态等效电压矢量(为基本电压矢量中的一个)进行分析控制，将死区开关状态和死区时间进行了动态控制，实现单矢量变为双矢量的跟踪控制，从而将原本不利的死区开关状态转变为提高逆变控制精度的积极有利因素，由原来被动插入死区开关状态转变为积极主动插入死区状态实现更高的控制精度。从这个角度来说，这种控制方法下的死区开关状态已经不是传统意义上的死区，广义上可以认为是无死区的逆变控制方法。
由于感性负载的存在，在开关切换中插入死区开关状态时，会引起二极管的自然换流，正是由于自然换流状态的存在，死区开关状态才能等效为新的电压矢量。但是当电流在零点附近时，由于续流电流较小或为零，开关管的续流二极管会由导通状态切换为关断状态或者直接处于关断状态，自然换流过程停止，此时死区开关状态不能等效为相应的等效电压矢量，系统模型发生改变，如果还按照死区时间可变的逆变控制策略，在电流过零点区域，系统模型的变化会导致控制算法出现较大的误差，影响控制精度。
发明内容
本发明的目的在于针对死区时间可变的逆变控制方法在各桥臂电流过零附近时，由于系统模型的变化引起的控制误差等问题，提供一种可有效解决上述问题，并提高控制效果的带电流过零区域控制的死区时间可变逆变控制系统。
本发明的目的在于提供一种带电流过零区域控制的死区时间可变逆变控制方法。
所述带电流过零区域控制的死区时间可变逆变控制系统设有逆变器主电路、等效负载、电流检测模块、电流过零区域检测模块、过零区域阀值设定模块、主控制器模块和功率开关管驱动电路；
所述逆变器主电路设有稳压电容和开关管，逆变器主电路的输入端与电压源相连，逆变器主电路的输出端通过导线与等效负载的前端相连；
所述等效负载包括电感、电阻和反电动势，等效负载的后端通过导线与电流检测模块相连；
所述电流检测模块采用电流传感器，电流检测模块用于实现逆变器各相输出电流快速采集和检测，电流检测模块的输出端与电流过零区域检测模块和主控制器模块连接；
所述电流过零区域检测模块的输出端接主控制器模块，电流过零区域检测模块的输入端与过零区域阀值设定模块相连；
所述过零区域阀值设定模块设有电流运算器、电流阀值比较电路、逻辑组合电路；电流运算器的输入端接电流检测模块的输出端，电流运算器的输出端接电流阀值比较电路输入端，电流阀值比较电路输出端接电流过零区域检测模块的输入端；
所述主控制器模块设有算法运算器、逻辑保护电路、电源电路；算法运算器用于运行带电流过零区域控制的死区时间可变的逆变控制算法，然后输出到逆变桥的驱动电路，控制功率开关管切换，从而实现参考信号的跟踪控制，逻辑保护电路用于硬件级别的过流过压保护；
所述功率开关管驱动电路用于将整体控制信号输出到逆变器主电路的各个开关管控制端，功率开关管驱动电路设有组合逻辑电路、光耦隔离电路、逆变桥功率开关管驱动电路、电源电路。
所述带电流过零区域控制的死区时间可变逆变控制方法，采用所述带电流过零区域控制的死区时间可变逆变控制系统，包括以下步骤：
1)系统上电并完成初始任务后，进入循环控制周期；首先通电流检测模块采集感性负载的电流，然后根据采集的电流在线辨识负载的等效参数，并在之后的每个控制周期不断修正该参数；每次参数辨识完成后，系统根据辨识的参数设定FCS-MPC的控制模型的参数，同时计算出最佳的过零检测阀值，并输出给过零区域阀值设定模块；
2)电流过零区域检测模块从电流检测模块获取负载的实时电流数据，从过零区域阀值设定模块获取最优的过零区域阀值，然后通过内部的绝对值比较电路和组合逻辑电路等判断出是否有某相电流在过零阀值区域范围内，若有，则使过零区间使能信号变为有效电平；否则为无效信号，并传送给主控制器模块；
3)主控制器模块内运行的控制程序在每个控制周期开始都检测过零区间使能信号是否有效，若有效，则该算法会立即禁用死区时间可变算法的控制程序，控制器运行在基本的FCS-MPC控制模式下，即根据系统模型遍历所有可能的输出开关状态，预测出下一时刻所有可能的输出电流，通过代价函数选择最优的一种开关状态作为下一个时刻的输出；逆变桥的死区时间都设定为开关管允许的最小死区时间，不对死区时间进行可变控制，每次开关切换时仅插入允许的最小死区时间；反之，若信号无效，则死区时间可变算法的控制程度会被启用，具体控制过程为：首先根据当前控制周期的输出开关状态S(k)计算出所有可能被插入的死区开关状态，然后根据当前的三相负载电流方向计算出所有死区状态的死区等效电压矢量，然后根据系统模型和构造的误差代价函数计算出每个控制周期里死区等效电压矢量作用时间和欲输出的所有开关状态作用时间的最优值Td，然后再根据计算出的最优时间值Td计算出所有组合中误差最小的一个组合的开关状态组合作为下一个控制周期的输出，两种开关状态分别作用时间根据该组合Td分配；
4)主控制器模块输出的逆变控制信号给功率开关管驱动电路，功率开关管驱动电路的主要功能是将整体控制信号输出到逆变器主电路的各个开关管控制端，该模块实现光耦隔离、功率管驱动等，控制功率管快速切换实现逆变电压的输出，使得负载电流跟踪上参考信号；
5)程序完成一个控制周期的控制后又自动回到新的控制周期的开始，重新采样负载电流，如此循环，直到停机。
本发明巧妙避开了电流在过零点附近时死区等效矢量失效的情况，利用分区控制的思想，不仅避免了采用死区时间可变逆变控制方法在电流过零时引起的预测控制模型错误问题，同时又可以有效提高逆变控制效果。
本发明充分考虑了逆变桥臂中电流在过零点附近时，自然换流截止，死区等效电压模型出现错误而导致控制精度受影响的情况，提出了一种带电流过零区域控制的死区时间可变的逆变控制方法及系统，解决此问题，近一步提高了该控制策略的控制精度。
附图说明
图1为本发明系统电气结构图。在图1中，各标记为：1、逆变器主电路，2、等效负载，3、电流检测模块，4、电流过零区域检测模块，5、过零区域阀值设定模块，6、主控制器模块，7、功率开关管驱动电路。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明做进一步的说明。
参见图1，本发明所述带电流过零区域控制的死区时间可变逆变控制系统实施例设有逆变器主电路1、等效负载2、电流检测模块3、电流过零区域检测模块4、过零区域阀值设定模块5、主控制器模块6以及功率开关管驱动电路7；
所述逆变器主电路1实现逆变器的主要拓扑结构。逆变器主电路1设有稳压电容和开关管等，逆变器主电路输入端与电压源相连，逆变器主电路输出端通过导线与等效负载2的前端相连。
等效负载2为负载的典型等效电路，包括电感L、电阻R和反电动势e。等效负载2的后端通过导线与电流检测模块3相连。其由于本负载为典型负载电路，对于没有全部包含R、L、e的负载，本发明同样适用。
电流检测模块3由电流传感器等组成，电流检测模块3用于实现逆变器各相输出电流快速采集和检测。电流检测模块3的输出端连接至电流过零区域检测模块4及主控制器模块6。
电流过零区域检测模块4主要由若干个绝对值比较器和逻辑门电路组成，每个相电流的输入信号都设置有一个绝对值比较器，绝对值比较器的阀值输入信号通过过零区域阀值设定模块设置。当绝对值比较器检测到任何一相电流信号在零点的正负阀值范围内时，会通过逻辑门电路输出有效信号至主控制器模块6。其输入端与过零区域阀值设定模块5相连。
过零区域阀值设定模块5主要由电流运算器、电流阀值比较电路、逻辑组合电路等组成。电流运算器根据电流传感器采集到的数据和电流和为零的原理可以计算出全部相的电流大小，从而可以少采集其中一相的电流，减少电流传感器的数量。计算出的各相电流大小的标准信号被传送至电流阀值比较电路进行下一步的处理。过零区域阀值设定模块5的输出与电流过零区域检测模块4的输入端相连。
主控制器模块6主要由算法运算器、逻辑保护电路、电源电路等组成。算法运算器负责运行本发明涉及的带电流过零区域控制的死区时间可变的逆变控制算法，然后输出到逆变桥的驱动电路，控制功率开关管切换，从而实现参考信号的跟踪控制，逻辑保护电路实现硬件级别的过流过压等保护。本发明所涉及的带电流过零区域控制的死区时间可变的逆变控制算法主要由FCS-MPC算法、死区时间可变算法、过流区域监控算法、负载模型参数在线识别算法、防过流过压保护控制算法以及输入输出控制算法组成。过零区域监控算法根据负载参数自动计算设置电流过零区域检测模块最优的过零检测阀值，并实时监测传来的过零逻辑信号，当检测到过零逻辑信号有效时，该算法会立即禁用死区时间可变算法，使得逆变桥的死区时间都设定为开关管允许的最小死区时间，算法控制器运行在基本的FCS-MPC控制模式下，不对死区时间进行可变控制，每次开关切换时仅插入允许的最小死区时间。当检测到过零逻辑信号无效时，过零区域监控算法会立即启用死区时间可变算法，并根据换流规律，自动计算死区等效电压矢量，插入最优的死区状态和死区时间，进入正常的死区时间可变逆变控制算法，控制逆变器准确跟踪上参考信号。负载模型参数在线辨识算法能够快速辨识出负载的电阻、电感、感应电势等参数，为FCS-MPC算法和过零区域监控算法提供负载模型参数。防过流、过压保护控制算法实现对逆变器的软件级保护，输入输出控制算法实现输入信号的滤波、标定和输出接口逻辑控制，为功率开关管驱动电路7提供控制信号。
功率开关管驱动电路7主要实现将整体控制信号输出到逆变器主电路1的各个开关管控制端。其主要由组合逻辑电路、光耦隔离电路、逆变桥功率开关管驱动电路、电源电路等组成。
所述带电流过零区域控制的死区时间可变逆变控制方法，采用所述带电流过零区域控制的死区时间可变逆变控制系统，包括以下步骤：
1、系统上电并完成初始任务后，进入循环控制周期。首先通电流检测模块3采集感性负载的电流，然后根据采集的电流在线辨识负载的等效参数，并在之后的每个控制周期不断修正该参数。每次参数辨识完成后，系统根据辨识的参数设定FCS-MPC的控制模型的参数，同时计算出最佳的过零检测阀值，并输出给过零区域阀值设定模块5；
2、电流过零区域检测模块4从电流检测模块3获取负载的实时电流数据，从过零区域阀值设定模块5获取最优的过零区域阀值，然后通过内部的绝对值比较电路和组合逻辑电路等判断出是否有某相电流在过零阀值区域范围内，有则使过零区间使能信号变为有效电平，否则为无效信号，并传送给主控制器模块6；
3、主控制器模块内运行的控制程序在每个控制周期开始都检测过零区间使能信号是否有效，有效则该算法会立即禁用死区时间可变算法的控制程序，控制器运行在基本的FCS-MPC控制模式下，即根据系统模型遍历所有可能的输出开关状态，预测出下一时刻所有可能的输出电流，通过代价函数选择最优的一种开关状态作为下一个时刻的输出。逆变桥的死区时间都设定为开关管允许的最小死区时间，不对死区时间进行可变控制，每次开关切换时仅插入允许的最小死区时间。反之，如果信号无效，则死区时间可变算法的控制程度会被启用，具体控制过程为：首先根据当前控制周期的输出开关状态S(k)计算出所有可能被插入的死区开关状态，然后根据当前的三相负载电流方向计算出所有死区状态的死区等效电压矢量，然后根据系统模型和构造的误差代价函数计算出每个控制周期里死区等效电压矢量作用时间和欲输出的所有开关状态作用时间的最优值Td，然后再根据计算出的最优时间值Td计算出所有组合中误差最小的一个组合的开关状态组合作为下一个控制周期的输出，两种开关状态分别作用时间根据该组合Td分配。
4、软件和硬件上都设有防过流、过压保护，实现对逆变器的双重保护。
5、主控制器模块6输出的逆变控制信号给功率开关管驱动电路7，功率开关管驱动电路7的主要功能是将整体控制信号输出到逆变器主电路1的各个开关管控制端，该模块实现光耦隔离、功率管驱动等，控制功率管快速切换实现逆变电压的输出，使得负载电流跟踪上参考信号。
6、程序完成一个控制周期的控制后又自动回到新的控制周期的开始，重新采样负载电流，如此循环，直到停机。
本发明巧妙避开了电流在过零点附近时死区等效矢量失效的情况，利用分区控制的思想，不仅避免了采用死区时间可变逆变控制方法在电流过零时引起的预测控制模型错误问题，同时又可以有效提高逆变控制效果。
Claims (2)
1.带电流过零区域控制的死区时间可变逆变控制系统，其特征在于设有逆变器主电路、等效负载、电流检测模块、电流过零区域检测模块、过零区域阀值设定模块、主控制器模块和功率开关管驱动电路；
所述逆变器主电路设有稳压电容和开关管，逆变器主电路的输入端与电压源相连，逆变器主电路的输出端通过导线与等效负载的前端相连；
所述等效负载包括电感、电阻和反电动势，等效负载的后端通过导线与电流检测模块相连；
所述电流检测模块采用电流传感器，电流检测模块用于实现逆变器各相输出电流快速采集和检测，电流检测模块的输出端与电流过零区域检测模块和主控制器模块连接；
所述电流过零区域检测模块的输出端接主控制器模块，电流过零区域检测模块的输入端与过零区域阀值设定模块相连；
所述过零区域阀值设定模块设有电流运算器、电流阀值比较电路、逻辑组合电路；电流运算器的输入端接电流检测模块的输出端，电流运算器的输出端接电流阀值比较电路输入端，电流阀值比较电路输出端接电流过零区域检测模块的输入端；
所述主控制器模块设有算法运算器、逻辑保护电路、电源电路；算法运算器用于运行带电流过零区域控制的死区时间可变的逆变控制算法，带电流过零区域控制的死区时间可变的逆变控制算法主要由FCS-MPC算法、死区时间可变算法、过流区域监控算法、负载模型参数在线识别算法、防过流过压保护控制算法以及输入输出控制算法组成；过零区域监控算法根据负载参数自动计算设置电流过零区域检测模块最优的过零检测阀值，并实时监测传来的过零逻辑信号，当检测到过零逻辑信号有效时，该算法会立即禁用死区时间可变算法，使得逆变桥的死区时间都设定为开关管允许的最小死区时间，算法控制器运行在基本的FCS-MPC控制模式下，不对死区时间进行可变控制，每次开关切换时仅插入允许的最小死区时间；当检测到过零逻辑信号无效时，过零区域监控算法会立即启用死区时间可变算法，并根据换流规律，自动计算死区等效电压矢量，插入最优的死区状态和死区时间，进入正常的死区时间可变逆变控制算法，控制逆变器准确跟踪上参考信号；然后输出到逆变桥的驱动电路，控制功率开关管切换，从而实现参考信号的跟踪控制，逻辑保护电路用于硬件级别的过流过压保护；
所述功率开关管驱动电路用于将整体控制信号输出到逆变器主电路的各个开关管控制端，功率开关管驱动电路设有组合逻辑电路、光耦隔离电路、逆变桥功率开关管驱动电路、电源电路。
2.带电流过零区域控制的死区时间可变逆变控制方法，其特征在于采用如权利要求1所述带电流过零区域控制的死区时间可变逆变控制系统，所述方法包括以下步骤：
1)系统上电并完成初始任务后，进入循环控制周期；首先通电流检测模块采集感性负载的电流，然后根据采集的电流在线辨识负载的等效参数，并在之后的每个控制周期不断修正该参数；每次参数辨识完成后，系统根据辨识的参数设定FCS-MPC的控制模型的参数，同时计算出最佳的过零检测阀值，并输出给过零区域阀值设定模块；
2)电流过零区域检测模块从电流检测模块获取负载的实时电流数据，从过零区域阀值设定模块获取最优的过零区域阀值，然后通过内部的绝对值比较电路和组合逻辑电路判断出是否有某相电流在过零阀值区域范围内，若有，则使过零区间使能信号变为有效电平；否则为无效信号，并传送给主控制器模块；
3)主控制器模块内运行的控制程序在每个控制周期开始都检测过零区间使能信号是否有效，若有效，则算法会立即禁用死区时间可变算法的控制程序，控制器运行在基本的FCS-MPC控制模式下，即根据系统模型遍历所有可能的输出开关状态，预测出下一时刻所有可能的输出电流，通过代价函数选择最优的一种开关状态作为下一个时刻的输出；逆变桥的死区时间都设定为开关管允许的最小死区时间，不对死区时间进行可变控制，每次开关切换时仅插入允许的最小死区时间；反之，若信号无效，则死区时间可变算法的控制程度会被启用，具体控制过程为：首先根据当前控制周期的输出开关状态S(k)计算出所有可能被插入的死区开关状态，然后根据当前的三相负载电流方向计算出所有死区状态的死区等效电压矢量，然后根据系统模型和构造的误差代价函数计算出每个控制周期里死区等效电压矢量作用时间和欲输出的所有开关状态作用时间的最优值Td，然后再根据计算出的最优时间值Td计算出所有组合中误差最小的一个组合的开关状态组合作为下一个控制周期的输出，两种开关状态分别作用时间根据组合Td分配；
4)主控制器模块输出的逆变控制信号给功率开关管驱动电路，功率开关管驱动电路的主要功能是将整体控制信号输出到逆变器主电路的各个开关管控制端，该模块实现光耦隔离、功率管驱动，控制功率管快速切换实现逆变电压的输出，使得负载电流跟踪上参考信号；
5)程序完成一个控制周期的控制后又自动回到新的控制周期的开始，重新采样负载电流，如此循环，直到停机。
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| CN103296916A (zh) * | 2013-05-10 | 2013-09-11 | 上海大学 | 一种基于逆变器无效开关的死区消除方法 |
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| 基于LabView FPGA模块的三相逆变器电流预测控制;薛文东等;《第三十一届中国控制会议论文集》;20120727;第4250-4255页 * |
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