CN106385196A - 一种基于电流纹波实时预测模型的三电平电压源变开关频率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流纹波实时预测模型的三电平电压源变开关频率的控制方法，该控制方法首先建立电流纹波实时预测模块及开关周期更新模块。并且以电流纹波峰值为控制对象，通过电流纹波实时预测模型，对逆变器开关周期进行实时更新。按照本发明的三电平电压源变开关频率的控制方法，逆变器开关频率实时变化，相对于固定开关频率的传统PWM控制算法，平均开关频率明显降低，大幅度降低了逆变器开关损耗；其次，由于逆变器开关频率变化范围大，频谱分布更加宽泛，有效地削减了谐波电流峰值，使得传导EMI得到有效改善。

Description

一种基于电流纹波实时预测模型的三电平电压源变开关频率 控制方法

技术领域

本发明属于电压源变开关频率领域，更具体地，涉及一种基于电流纹波实时预测模型的三电平电压源变开关频率控制方法。

背景技术

脉宽调制(PWM)技术是当前电力电子变换器实现电能转换与控制的主要调制策略，PWM通过数字脉冲实现参考模拟量的输出，单个开关周期内遵循伏秒平衡原则，具有很强的高频特性。然而电力电子变换器并非理想的电能转换装置，在实现电能转换的同时，面临如下问题：电力电子变换器存在开关过程与损耗，在高频的PWM方式下，怎样减小开关过程与损耗是一个关键性问题；电力电子变换器通过PWM技术产生了一系列脉冲波，并非连续的模拟源，由此产生的主要结果是输入输出的电流纹波；电力电子变换器的快速开关特性给系统带来了高频的电(压、流)激励，该激励以电磁干扰的方式传导模拟源和负载，由此带来了EMI问题。

当前电力电子变换器中最常用的PWM技术是空间矢量PWM(SVPWM)和载波比较PWM(CBPWM),传统的PWM技术开关频率是固定的，在现有的开发中，固定开关频率的方案被调整，通过随机PWM利用了开关频率的随机变化来改善EMI和听觉噪声等，但其依赖于统计效果，对损耗和电流纹波无法预测和控制。

最早在1980年IEEE工业应用年会上，日本长冈科技大学A.Nabae等人首次提出三电平中点钳位式结构；目前，三电平中点箝位式结构得到了广泛的应用，相对于传统两电平逆变器，三电平逆变器具有诸多优点：逆变侧输出电压波形谐波小，所需的滤波电感量小；开关损耗小，效率高；适用于高电压大功率场合等诸多优点，然而变开关频率在三电平电压源逆变器的应用上目前还处于空白。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于电流纹波实时预测模型的三电平电压源变开关频率控制方法，首先建立了三电平逆变器通用电流纹波实时预测模型，其目的在于基于电流纹波实时预测模型，以电流纹波峰值(i_{ripple_max})为控制对象，来降低逆变器开关损耗并减小EMI噪声峰值。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了基于电流纹波实时预测模型的三电平电压源变开关频率控制方法，其特征在于，该变开关频率控制方法包括如下步骤：

(1)实时计算开关周期内的电流纹波；

(2)依据所述步骤(1)中预测的电流纹波进行载波周期更新；

(3)重复所述步骤(1)～(2)由此实现所述开关频率的变化。

进一步地，所述步骤(1)还包括如下子步骤：

(1-1)对三相电压调制信号进行采样，得到三相采样值da,db,dc，判断每相采样值的占空比正负，若占空比为正，则和正载波比较，若占空比为负，则和负载波比较；比较后得到三相PWM波控制信号共有6个边沿变化，在所述整个载波周期内，将载波周期分成7段；

(1-2)计算每段作用时间内输出电感上的电压降，获得电流纹波斜率di/dt；

(1-3)由三相占空比和固定开关周期T_sN，分别求出每段实际作用时间ΔT；

(1-4)计算出此载波周期内，三相电流纹波各转折点

进一步地，所述步骤(2)包括如下步骤：

由所述步骤(1-4)中获得三相电流纹波峰值i_{ripple_max}，根据总的电流纹波峰值与开关周期成正比的关系，对开关周期进行更新:

$T_s=T_{sN}\×\frac{i_{ripple\_re}}{i_{ripple\_max}},$

其中T_s为更新开关周期，T_sN为固定开关周期，i_{ripple_re}为固定开关周期下电流纹波限定值，i_{ripple_max}为固定开关周期下单个载波周期内预测电流纹波峰值。

本发明还提供了一种基于电流纹波实时预测模型的三电平电压源变开关频率控制系统，其特征在于，该控制系统包括包括电流纹波实时预测模块2与开关周期更新模块3，所述控制器)实时根据采样信号4完成三相PWM波控制信号的采样，所述电流纹波实时预测模块2实时计算开关周期内的所述三相电流纹波，所述开关周期更新模块3依据由所述三相电流纹波最大值更新三角载波周期，所述比较器6通过对调制波和所述更新的三角载波比较，提供逆变器门极信号，所述采样信号4控制完整的三角载波周期更新过程。

本发明中所涉及的电流纹波预测算法的原理如下：在单个开关周期内，若给定各相占空比，则可分析各个时间段内，施加在输出电感上的电压降，并通过占空比计算出每个电压作用时间，结合电感参数，最终能预测出各相电流纹波轨迹，并能计算出总的电流纹波峰值。

本发明还提供了基于电流纹波峰值要求的开关周期更新方法，电流纹波峰值的大小是与实际开关周期成正比的，若要将实际电流纹波峰值降低，则需减小开关周期，即提高开关频率；反之亦然。电流纹波峰值实际限定值对应于固定开关频率，即基于变开关频率算法，以电流纹波峰值为控制目标，实际开关频率在固定开关频率以下按照一定规律变化。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)该电流纹波预测模型针对于三电平任意相电压源逆变器拓扑，由于预测过程基于简单的单相预测模型，参数少，理解简便，预测计算过程简单，可实时预测，实用性强；

(2)该变开关频率PWM(VSFPWM)控制方法基于实时电流纹波预测模型，可将三相电流纹波峰值均控制在限定值以内，相比于传统逆变器开关频率固定的缺点，VSFPWM开关周期可实时更新，并且各相电流纹波峰值要求仍满足CSFPWM的限定标准；

(3)该变开关频率PWM(VSFPWM)相比于CSFPWM，开关频率在固定开关频率以下按照一定规律变化，能有效的降低三电平逆变器平均开关频率，从而有效降低开关损耗；

(4)由于开关频率变化范围大，相应的电流谐波拥有更宽泛的频谱，从而该变开关频率PWM(VSFPWM)能明显的降低固定开关频率PWM(CSFPWM)EMI噪声峰值，改善逆变器性能。

附图说明

图1是按照本发明实现的三电平电压源逆变器的组成结构示意图；

图2是按照本发明实现的三电平电压源逆变器的单相电流纹波预测电路模型示意图；

图3是按照本发明实现的单个开关周期内的电流纹波实时预测流程示意图；

图4是按照本发明实现的单个开关周期内的对应时间段的划分示意图；

图5是按照本发明实现的变开关频率控制实现框图；

图6是按照本发明实现的载波周期更新模块组成结构示意图；

图7是按照本发明实现的在母线电压200V、调制比0.55、电感0.5mH实验条件下开关频率的效果比较示意图；

图8是按照本发明实现的在图7中所示的试验条件下的EMI结果比较示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

针对变开关频率在三电平电压源逆变器应用上的空白，本发明首先建立了三电平逆变器通用电流纹波实时预测模型，其目的是基于电流纹波实时预测模型，以电流纹波峰值i_{ripple_max}为控制对象，来降低逆变器开关损耗并减小EMI噪声峰值。

本发明的构思如下：变开关频率PWM(VSFPWM)与固定开关频率PWM(CSFPWM)有着相同的电流纹波限定值。VSFPWM相比于CSFPWM，开关频率是变化的，有着更宽的频谱分布，EMI噪声峰值更低，并且VSFPWM平均开关频率相比于CSFPWM固定开关频率降低了很多，因此开关损耗得到明显降低。

由此，本发明中率先提出了三电平变开关频率的应用，使得能够显著地降低开关损耗。

如图1所示，本发明是针对如图1所示的三电平电压源逆变器，如图1所示，每相输出电压V_BK相对于直流母线中点共有三个电压状态(V_dc/2,0,-V_dc/2),其中V_dc为直流母线电压。由此，建立了如图2所示的单相电流纹波预测电路模型。

如图2的模型中，单相电流纹波预测模型中，单个开关周期内，L为第K相电感，V_BK为第K相逆变器输出电压，包括(V_dc/2,0,-V_dc/2)，V_mK为平均输出电压，V_cm为n相逆变器输出电压引起的共模电压，V_{l_cm}为n相平均输出电压引起的共模电压。

其中，V_mK＝d_K×V_dc/2,(d_K为第K相占空比)，V_{l_cm}＝d_cm×V_dc/2(对于SVPWM：对于SPWM：d_cm＝0)。通过以上模型，在单个周期内读入n相占空比(d₁,d₂,d₃......d_n),通过公式可计算出单个开关周期内各个时间段内纹波电流斜率同时可通过n相占空比计算各小段的对应时间。通过以上计算方法，可以实时读入n相占空比，预测出该开关周期内电流纹波。

以三相三电平逆变器为例，其中具体的预测流程包括如下的步骤：

(1)读入三相采样值(da,db,dc)占空比后，首先，判断每相占空比正负，若某相占空比为正，则和正载波比较，若某相占空比为负，则和负载波比较；

(2)载波比较后的结果，对于三相PWM波共有6个边沿变化，所述整个载波周期内，上述的6个边沿变化将三相载波分成了7段；如图4所示，三相采样值占空比给定，随之对应7电压作用时间

(3)通过计算每段作用在输出电感上的电压，求出电流纹波斜率(di/dt)；

(4)由三相占空比和固定开关周期(T_sN)，可分别求出每段实际作用时间(ΔT)；

(5)计算出此载波周期内，电流纹波各转折点

其次，基于以上单相电流纹波实时预测模型，可以开始展开变开关频率PWM(VSFPWM)在三电平电压源逆变器中的应用。

在本发明中，主要是针对三相三电平逆变器，控制器实现框图如图5所示，电流纹波实时预测模块接收到采样信号后，对控制器三相电压调制信号进行采样，采样得到的占空比为电流纹波实时预测模块输入参数，即可预测出总的电流纹波峰值，将其送入开关周期更新模块，对载波周期进行更新，当一个完整的载波比较完成后，立即发出采样信号，进行下一个开关周期的预测更新。

控制器的模块实现上，主要包括：该控制系统包括电流纹波实时预测模块2与开关周期更新模块3，控制器实时根据采样信号4完成三相PWM波控制信号的采样，电流纹波实时预测模块2实时计算开关周期内的所述三相PWM波控制信号的电流纹波，开关周期更新模块3依据电流纹波限定值更新三角载波周期，比较器6通过对调制波和更新的三角载波比较，提供逆变器门极信号，采样信号4控制完整的三角载波周期更新过程。

其中，载波更新模块详细流程见图6所示，首先读入三相电流纹波预测峰值，为了让三相都能满足电流纹波峰值要求，选取三相电流纹波最大峰值i_{ripple_max}，然后利用电流纹波峰值与开关周期成正比的关系，更新开关周期其中，i_{ripple_re}为三相电流纹波限定值，T_sN为电流纹波限定值对应的固定开关周期。

如图7和8所示，是按照本发明实现的开关频率在VSFPWM以及CSFPWM的开关频率的比较，CSFPWM对应于固定开关频率10KHz,在满足相同三相电流纹波限定值i_{ripple_re}的条件下，VSFPWM开关频率在3K和10K之间变化，平均开关频率明显降低，开关损耗则明显降低。

另外，图8所示是在实验条件下对EMI的效果的比较，由于VSFPWM电流谐波具有更宽泛的频率分布，而CSFPWM电流谐波只能分布在固定开关频率附近，则VSFPWM能有效地削低CSFPWM的EMI噪声峰值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于电流纹波实时预测模型的三电平电压源变开关频率控制方法，其特征在于，该变开关频率控制方法包括如下步骤：

(1)实时计算开关周期内的电流纹波；

(2)依据所述步骤(1)中获得的电流纹波进行载波周期更新；

(3)重复所述步骤(1)～(2)由此实现所述开关频率的变化。

2.如权利要求1所述的基于电流纹波实时预测模型的三电平电压源变开关频率控制方法，其特征在于，所述步骤(1)还包括如下子步骤：

(1-1)对三相电压调制信号进行规则采样，得到三相采样值da,db,dc，判断每相采样值的占空比正负，若占空比为正，则和正载波比较，若占空比为负，则和负载波比较；比较后得到三相PWM控制信号共有6个边沿变化，在所述整个开关周期内，将载波周期分成7段；

(1-2)计算每段作用在输出电感上的电压，获得电流纹波斜率di/dt；

(1-3)由三相占空比和固定开关周期T_sN，分别求出每段实际作用时间ΔT；

(1-4)计算出此载波周期内，三相电流纹波各转折点

3.如权利要求2所述的基于电流纹波实时预测模型的三电平电压源变开关频率控制方法，其特征在于，所述步骤(2)包括如下步骤：

由所述步骤(1-4)中获得三相电流纹波峰值i_{ripple_max}，根据总的电流纹波峰值与开关周期成正比的关系，对开关周期进行更新:

$T_s=T_{sN}\×\frac{i_{ripple\_re}}{i_{ripple\_max}},$

其中T_s为更新开关周期，T_sN为固定开关周期，i_{ripple_re}为固定开关周期对应的电流纹波限定值，i_{ripple_max}为固定开关周期下实时电流纹波预测峰值。

4.一种基于电流纹波实时预测模型的三电平电压源开关频率控制系统，其特征在于，该控制系统包括电流纹波实时预测模块(2)与开关周期更新模块(3)，所述控制器(1)实时采样三相占空比，所述电流纹波实时预测模块(2)实时计算固定开关周期内三相电流纹波，所述开关周期更新模块(3)依据所述电流纹波限定值更新三角载波周期，所述比较器(6)通过对调制波和所述更新的三角载波比较，提供逆变器门极信号，新的三角载波发生完成瞬间触发采样信号(4)，所述采样信号(4)控制完整的三角载波周期更新过程。