CN106253727B - 基于误差变化量的多电平滞环控制方法 - Google Patents

基于误差变化量的多电平滞环控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于误差变化量的多电平滞环控制方法，以参考电压与测量电压间的误差变化量作为控制对象，引入正负阈值，采用滞环比较器确定开关动作时刻，并依据误差变化量的变化趋势及开关动作前的输出电平选择动作后的输出电平。该方法在传统的三电平滞环控制的基础上，减小了误差，降低了开关频率，设计简单，并易拓展至多电平。

Description

基于误差变化量的多电平滞环控制方法
技术领域
本发明涉及多电平逆变器的控制。
背景技术
在高功率应用场合，多电平逆变器以提供良好的大电压大电流，正成为主流选择。相比于两电平逆变器，多电平逆变器器件应力小，有效提升功率等级，同时在相同开关频率下，减小了谐波畸变率、提高了输出波形质量。目前已有载波调制、空间矢量控制、预测控制、滞环控制等方法完成多电平逆变器控制实现。前三种方法频率固定，但载波调制需要多个线性控制器，空间矢量调制算法复杂，预测控制计算量大。尽管频率不固定，滞环控制因易实现、动态特性好、自动的峰值限制、不受负载参数影响和稳定性好等优势得到广泛应用。
传统的三电平滞环控制将误差沿着坐标轴划分为3个区域，当误差进入哪个区域则输出对应电平。误差较大，开关频率较高，也不易拓展至更高电平。
滞环控制最早应用于两电平逆变器，仅依靠参考电压与实际电压间的跟踪误差来确定开关状态，两电平滞环控制开关逻辑如式(1)所示：
其中，ε＝Vref-Vo为跟踪误差，u为Vo对应的输出电平。在两电平的基础上，增加零电平开关状态则变成三电平滞环控制。三电平滞环控制开关逻辑必须保证u在+1、0、-1间连续跳变，而不能直接从+1跳到-1或者从-1跳到+1，否则变成两电平滞环控制。传统的三电平滞环控制开关逻辑如式(2)所示。
传统的三电平滞环控制实质是把误差所在的坐标轴划分为多个区间，每个区间对应于一个电平，当误差进入哪个区间输出对应电平。(-∞,+h]、[-σ,+σ]、[+h,+∞)分别对应-1、0、+1电平，(-h,-σ)、(+σ,+h)分别为-1与0电平、0与+1电平的交集区间。为避免u在+1与-1间直接切换，特意设定死区σ大于0，若σ等于0则(2)与(1)等同，即变为两电平开关逻辑。死区σ的存在确保u在正负电平间来回切换时，必定经过零电平。式(1)、(2)的开关逻辑可用图1(a)、(b)表示。将(1)和(2)应用于两电平逆变器和二极管钳位型三电平逆变器得到的波形图如图1(c)、(d)。由图1(d)可知，对于传统的三电平滞环控制：越大输出稳态误差越大，σ越小输出稳态误差越小；越大输出开关频率越小，h越小开关频率越小；半个周期内的平均误差最大的开关频率为fmax＝Vin/4(h-σ)L。
发明内容
本发明的目的是解决多电平逆变器的控制问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于误差变化量的多电平滞环控制方法，包括以下步骤:
1)当前时刻为Ti，多电平逆变器在距Ti时刻最近一次发生电平跳变的时刻为tj，i＝1、2、……，j＝1、2、……；
记录多电平逆变器在tj时刻跳变前的参考电压与测量电压间的误差
记录多电平逆变器在tj时刻跳变后的输出电平utj；
2)获取三电平逆变器当前时刻Ti的参考电压与测量电压间的误差εTi；
3)计算误差变化量ΔεTi，并设定阈值h(h由多电平逆变器设计指标中的稳态误差决定，其小于或等于稳态误差)：
4)若ΔεT＝0，间隔时间t后(1/fmax≤t≤1/fmin，fmax和fmin分别为多电平逆变器设计指标中纹波频率的最大值和最小值)，多电平逆变器输出电压不跳变；令utj+1＝utj，跳转到第1)步，以Ti+1来更新Ti，以tj+1来更新tj，以utj+1来更新utj；之后，重新获取来更新和ΔεTi；
若ΔεT＝+h，多电平逆变器输出电压跳变为utj+1＝utj+1；跳转到第1)步，间隔时间t后，以Ti+1来更新Ti，以tj+1来更新tj，以utj+1来更新utj；之后，重新获取来更新和ΔεTi；
若ΔεT＝-h，多电平逆变器输出电压跳变为utj+1＝utj-1；跳转到第1)步，间隔时间t后，以Ti+1来更新Ti，以tj+1来更新tj，以utj+1来更新utj；之后，重新获取来更新和ΔεTi。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，以参考电压与测量电压间的误差变化量作为控制对象，引入正负阈值，采用滞环比较器确定开关动作时刻，并依据误差变化量的变化趋势及开关动作前的输出电平选择动作后的输出电平，可拓展至2N+1电平的逆变器(N大于或等于1)。
附图说明
图1传统的两电平、三电平滞环控制原理；
图2基于误差变化量的三电平滞环控制；
图3基于误差变化量的五电平滞环控制策略。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
一种基于误差变化量的三电平滞环控制方法，包括以下步骤:
1)当前时刻为Ti，多电平逆变器在距Ti时刻最近一次发生电平跳变的时刻为tj，i＝1、2、……，j＝1、2、……；
记录多电平逆变器在tj时刻跳变前的参考电压与测量电压间的误差
记录多电平逆变器在tj时刻跳变后的输出电平utj；
2)获取三电平逆变器当前时刻Ti的参考电压与测量电压间的误差εTi；
3)计算误差变化量ΔεTi，并设定阈值h：
4)若ΔεT＝0，多电平逆变器输出电压不跳变；令utj+1＝utj，跳转到第1)步，以Ti+1来更新Ti，以tj+1来更新tj，以utj+1来更新utj；若ΔεT＝+h，多电平逆变器输出电压跳变为utj+1＝utj+1；跳转到第1)步，以Ti+1来更新Ti，以tj+1来更新tj，以utj+1来更新utj，；
若ΔεT＝-h，多电平逆变器输出电压跳变为utj+1＝utj-1；跳转到第1)步，以Ti+1来更新Ti，以tj+1来更新tj，以utj+1来更新utj。
值得说明的是，每次跳变后误差变化量变为0，输出电平在之后的一段时间“t”内维持不变，可以认为此时的误差是在设计范围内。若误差变化量从0变化至正负阈值时，误差即将超过提前设定的跟踪误差范围，因此，必须转换开关状态限制跟踪误差。
本实施例的逻辑可用图2表示。A、b、c、d组成滞环H1，a、e、f、g组成滞环H2，H1和H2构成误差的运动轨迹集。逆变器正常工作时，误差在运动轨迹集内沿着逆时针方向循环运动。假定初始时刻误差、误差变化量均为0，即位于a点输出0电平。经过一段时间误差变化量从0增大至+h，输出跳变为+1电平，紧接着误差变化量开始由0减小至-h，输出跳变为0电平。若误差变化量继续从0减小至-h，输出跳变为-1电平……。
由图2可知基于误差变化量的三电平滞环控制半个周期的平均误差为最大的开关频率为fmax＝Vin/4hL。与传统的三电平滞环相比，减小了误差，降低了开关频率。
采用两个滞环比较器H1、H2来实现基于误差变化量的三电平滞环控制策略，依据H1、H2输出波形建立各开关管控制信号与H1、H2的逻辑关系，即完成了基于误差变化量的三电平滞环控制策略的实现。
H1、H2的定义为：
表1给出了二极管钳位型三电平逆变器输出与开关管的对应关系，式(6)给出最后的结果为
表1输出电压与开关状态间的关系
实施例2：
本实施例将实施例1的三电平滞环控制方法拓展至2N+1电平(N＝1,2……)。2N+1电平的滞环控制策略误差变化量的定义及开关逻辑仍同三电平滞环控制一样。
滞环比较器的设置方法同图2一样，由于2N+1电平的滞环控制策略增加了2N-2个电平，则需要增加2N-2个滞环比较器。增加的滞环比较器在图2的基础上对称排列，且滞环宽度均为h。
以五电平逆变器为例：与三电平滞环控制相比，五电平滞环控制增加了+2和-2电平状态，即增加了两个滞环比较器，如图3所示。假定逆变器最近一次跳变为0时刻，且跳变后输出电平u＝0，ΔεT＝0，此后若ΔεT由0增大，并在时刻T1满足ΔεT＝+h，则输出电平跳变，跳变后u＝0+1＝1。若此后ΔεT仍然由0增大，并在时刻T2满足ΔεT＝+h，则输出电平跳变，跳变后u＝1+1＝2。若此后ΔεT由0开始减小，并在时刻T3满足ΔεT＝-h，则输出跳变，跳变后U＝2-1＝1……。

Claims (1)

1.一种基于误差变化量的多电平滞环控制方法，其特征在于，包括以下步骤:
1)当前时刻为Ti，多电平逆变器在距Ti时刻最近一次发生电平跳变的时刻为tj，i＝1、2、……，j＝1、2、……；
记录多电平逆变器在tj时刻跳变前的参考电压与测量电压间的误差
记录多电平逆变器在tj时刻跳变后的输出电平utj；
2)获取三电平逆变器当前时刻Ti的参考电压与测量电压间的误差εTi；
3)计算误差变化量ΔεTi，并设定阈值h：
4)若ΔεTi＝0，多电平逆变器输出电压不跳变；令utj+1＝utj，跳转到第1)步，以Ti+1来更新Ti，以tj+1来更新tj，以utj+1来更新utj；
若ΔεTi＝+h，多电平逆变器输出电压跳变为utj+1＝utj+1；跳转到第1)步，以Ti+1来更新Ti，以tj+1来更新tj，以utj+1来更新utj，；
若ΔεTi＝-h，多电平逆变器输出电压跳变为utj+1＝utj-1；跳转到第1)步，以Ti+1来更新Ti，以tj+1来更新tj，以utj+1来更新utj。
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