CN106549591A

CN106549591A - 一种三电平t型逆变器死区消去及死区补偿联合方法

Info

Publication number: CN106549591A
Application number: CN201611136992.6A
Authority: CN
Inventors: 康龙云; 冯腾; 胡毕华; 吴璟玥; 王则沣; 冯元彬
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2036-12-12
Also published as: CN106549591B

Abstract

本发明公开了一种三电平T型逆变器死区消去及死区补偿联合方法，根据相电流的两个不同阶段分别采用不同的控制策略：当相电流大于设定的界限值，采用死区消去策略，只需通过修改其中一个开关管开关状态即可改变输出相电压；当相电流过零点附近小于界限值时，此时采用死区补偿策略，即在开关时序过程中插入死区时间，然后调整相应的矢量作用时间，以此消除死区带来的电压差和谐波影响。相比于传统空间矢量调制方法，本发明的方法计算量小，实现简单，且不会影响闭环控制；不需要增加额外的硬件电路；死区补偿速度快；两种控制方式转换过程稳定。使用本方法可进一步减小输出电压差，明显降低总电流谐波畸变率，且不会减小调制指数。

Description

一种三电平T型逆变器死区消去及死区补偿联合方法

技术领域

本发明涉及光伏并网逆变技术领域，特别涉及一种三电平T型逆变器死区消去及死区补偿联合方法。

背景技术

随着分布式电源、储能系统、电动汽车等领域的迅速发展，对电能质量和系统效率的要求也越来越高。三电平逆变器相比于传统的两电平逆变器具有谐波少、开关管电压应力小、耐压高、电磁干扰小等优点。T型逆变器相比于其他三电平中点钳位型逆变器，有两个主要的优点：当输出相电压为直流母线电压和零的时候，只有一个开关被导通，减少了开通损耗；流过每一个开关管的电流均值相等，每个开关管产生相同的热量。因此，近年来三电平T型逆变器受到企业和高校的广泛关注，前景十分广阔。

然而，当T型逆变器采用传统成对的开关控制方式时，为了避免功率开关管短路，需要在开关管转换过程中插入死区时间，但是与此同时，死区的增加将会恶化逆变器的性能，增大逆变器谐波和输出的电压差。

因此，消去开关管死区时间或者对死区时间进行补偿至关重要。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述问题，提出一种三电平T型逆变器死区消去和死区补偿联合方法，减小T型逆变器工作的输出谐波和降低逆变器输出的电压差，改善逆变器性能。

为了实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现：

一种三电平T型逆变器死区消去和死区补偿联合方法，基于空间矢量调制算法，根据相电流与相电流界限值I_th的大小分为两种情况：

第一种情况，当相电流大于相电流界限值I_th时，采用死区消去策略；

第二种情况，当相电流小于或等于相电流界限值I_th时，采用死区补偿策略。

所述的三电平T型逆变器的空间矢量调制的具体方法如下：

三电平T型逆变器每一相的输出电平都有三种状态：输出电压等于直流母线电压，输出电压等于直流母线电压的一半，输出电压等于0，分别设为P、O、N；因此共有27种工作状态，即有27种基础矢量分别为：NNN、NNO、NNP、NON、NOO、NOP、NPN、NPO、NPP、ONN、ONO、ONP、OON、OOO、OOP、OPN、OPO、OPP、PNN、PNO、PNP、PON、POO、POP、PPN、PPO、PPP。

进一步地，首先经过坐标变换得到目标参考电压矢量，然后从27种矢量中选择相应的七个基础矢量合成得到参考矢量，每个矢量作用时间分别为t₁、t₂、t₃、t₄、t₃、t₂、t₁。

所述相电流不同阶段的分段方法为：首先，实际相电流通过截止频率为1/2开关频率的低通滤波器滤除开关频率带来的相电流纹波得到期望电流然后，将期望电流(x＝a,b,c:a、b、c分别为三电平T型逆变器的a相、b相、c相)与设定电流界限值I_th相比较，以此将相电流分为不同阶段，I_th设为最大电流纹波的两倍。

所述相电流的第一种情况，当相电流大于界限值I_th时，采用死区消去策略，无需增加死区保护。采用死区消去策略时的具体方法为：

当相电流为正方向，所需相电平为P时对应开关管状态分别为S_x1＝1,S_x2＝1,S_x3＝0,S_x4＝0；

当相电流为正方向，所需相电平为O时对应开关管状态分别为S_x1＝0,S_x2＝1,S_x3＝0,S_x4＝0；

当相电流为正方向，所需相电平为N时对应开关管状态分别为S_x1＝0,S_x2＝0,S_x3＝0,S_x4＝0；

当相电流为反方向，所需相电平为P时对应开关管状态分别为S_x1＝0,S_x2＝0,S_x3＝0,S_x4＝0；

当相电流为反方向，所需相电平为O时对应开关管状态分别为S_x1＝0,S_x2＝0,S_x3＝1,S_x4＝0；

当相电流为反方向，所需相电平为N时对应开关管状态分别为S_x1＝0,S_x2＝0,S_x3＝1,S_x4＝1。

其中，S_x1、S_x2、S_x3、S_x4(x＝a,b,c，)分别为相桥臂上开关管状态、相桥臂中点串联的反方向开关管状态；相桥臂中点串联的正方向开关管状态、相桥臂下开关管状态；1代表开通，0表示关断。a、b、c分别为三电平T型逆变器的a相、b相、c相。

所述相电流的第二种情况，当相电流过零点附近，相电流小于界限值I_th时，采用死区补偿策略。死区补偿策略具体方法如下：

第一步：各相电平对应的开关管状态分别如下：

所需相电平为P时对应开关管状态分别为S_x1＝1,S_x2＝1,S_x3＝0,S_x4＝0；

所需相电平为O时对应开关管状态分别为S_x1＝0,S_x2＝1,S_x3＝1,S_x4＝0；

所需相电平为N时对应开关管状态分别为S_x1＝0,S_x2＝0,S_x3＝1,S_x4＝1；

第二步：由空间矢量调制方法确定基础矢量顺序，插入死区t_d并对死区进行补偿：

(1)当期望电流(x＝a,b,c:a、b、c分别为三电平T型逆变器的a相、b相、c相)大于0时，相电平从N变到O、相电平从O变到P的补偿方法为：

相电平从O变到N、相电平从P变到O时，无需补偿。

(2)当期望电流小于0时，相电平从O变到N，相电平从P变到O的补偿方法为：

相电平从N变到O、相电平从O变到P时，无需补偿。

其中，t_A、t_B分别是补偿前的转换之前和转换之后的电平时间，t′_A、t′_B分别为补偿后的转换之前和转换之后的电平时间。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

相比于传统空间矢量调制方法，本发明的方法计算量小，实现简单，且不会影响闭环控制；不需要增加额外的硬件电路；死区补偿速度快；两种控制方式转换过程稳定。使用本方法可进一步减小输出电压差，明显降低总电流谐波畸变率，且不会减小调制指数。

附图说明

图1是三电平T型逆变器结构图。

图2是三电平T型逆变器的空间矢量图。

图3是相电流过零点时的期望电流与实际电流图。

图4是参考电压位于第二大扇区第四小扇区且A相电流过零点时的开关序列图。

图5是本发明方法与传统方法的相电流对比图。

图6是本发明方法与传统方法的电流总谐波畸变率的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明的具体实施方式作详细说明。

图1给出了三电平T型逆变器结构图，包括并联的三个桥臂，每相桥臂包括两个串联的IGBT开关管，各相桥臂的中点一侧串联两个方向不同的IGBT管，另一侧与负载连接；在并联的各桥臂端接入同一台直流电压源；输入电压源并联的两个中点箝位电容的中点连接各相桥臂的两个方向不同的IGBT管的一端；各个IGBT管均由控制电路驱动。

一种三电平T型逆变器死区消去及死区补偿联合方法，该方法基于空间矢量调制算法，根据相电流界限值I_th分为两个不同阶段，分别采用以下两种控制方法：第一种情况，当相电流大于界限值时，电流方向不受电流纹波干扰，采用死区消去策略，只需通过修改其中一个开关管开关状态即可改变输出相电压，无需增加死区保护；第二种情况，当相电流小于界限值时，电流方向易受电流纹波干扰，死区消去策略失效，此时采用死区补偿策略，即在开关时序过程中插入死区时间，然后调整相应的矢量作用时间进行死区补偿，以此消除死区带来的电压差和谐波影响。

所述空间矢量调制方法，其具体方法如下：三电平T型逆变器每一相的输出电平都有三种状态：第一种状态是输出电压等于直流母线电压，设为P；第二种状态是输出电压等于直流母线电压的一半，设为O；第三种状态是输出电压等于0，设为N；因此共有27种工作状态，即有27种基础矢量分别为：NNN、NNO、NNP、NON、NOO、NOP、NPN、NPO、NPP、ONN、ONO、ONP、OON、OOO、OOP、OPN、OPO、OPP、PNN、PNO、PNP、PON、POO、POP、PPN、PPO、PPP，根据矢量大小的不同可分为12个基础小矢量，6个基础中矢量，6个基础大矢量和3个基础零矢量，其中，12个基础小矢量又可分为六对小矢量，每对小矢量重合；三个零矢量重合。

图2为27个基础矢量构成的矢量图，分为六个大扇区，每个大扇区又可分为四个小扇区。进一步地，根据空间矢量调制算法思想，首先经过坐标变换得到目标参考电压矢量，然后从27种矢量中选择相应的七个基础矢量合成得到参考矢量，每个矢量作用时间分别为t₁、t₂、t₃、t₄、t₃、t₂、t₁。

图3为相电流过零点时的期望电流与实际电流图，据图定义相电流不同阶段的分段方法为：第一步，实际相电流通过截止频率为1/2开关频率的低通滤波器滤除开关频率带来的相电流纹波得到期望电流第二步，将期望电流与设定电流界限值I_th相比较，以此将相电流分为不同阶段，I_th设为最大电流纹波的两倍。

其中，S_x1、S_x2、S_x3、S_x4(x＝a,b,c)分别为相桥臂上开关管状态、相桥臂中点串联的反方向开关管状态；相桥臂中点串联的正方向开关管状态、相桥臂下开关管状态；1代表开通，0表示关断。

第一步：各相电平对应的开关管状态分别如下：

第二步：由空间矢量调制方法确定基础矢量顺序后，插入死区t_d并对死区进行补偿。

对死区进行补偿的方法为：

(1)当期望电流大于0时，相电平从N变到O、相电平从O变到P的补偿方法为：

相电平从O变到N、相电平从P变到O时，无需补偿。

相电平从N变到O、相电平从O变到P时，无需补偿。

图4给出了当参考电压位于第二大扇区，第四小扇区时，且A相电流过零点附近时的开关序列图，为NON-NPN-OPN-OPO-OPN-NPN-NON，时间分别为：t₁、t₂、t₃、t₄、t₃、t₂、t₁。由于NON和NPN之间B相电流大于I_th，OPN和OPO之间C相电流大于I_th，因此两者可采用死区消去策略；由于NPN和OPN之间A相电流小于I_th，采用死区补偿策略：

图5为本发明方法与传统方法的相电流对比图，通过比较可以看出，本发明方法增大了相电流，即增大了输出电压。

图6是本发明方法与传统方法的电流总谐波畸变率的对比图，可以看出，在不同调制指数下，本发明方法下逆变器电流总谐波畸变率始终小于传统方法下的电流总谐波畸变率。

仿真结果充分证明了本发明的实用性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种三电平T型逆变器死区消去及死区补偿联合方法，其特征在于，该方法基于空间矢量调制算法，根据相电流的两个不同阶段分别采用不同的控制策略：当相电流大于设定的相电流界限值I_th，电流方向不受纹波影响时，采用死区消去策略，只需通过修改其中一个开关管开关状态即可改变输出相电压，无需增加死区保护；当相电流过零点附近小于相电流界限值I_th时，电流方向受到纹波干扰时，死区消去策略失效，此时采用死区补偿策略，即在开关时序过程中插入死区时间，然后调整相应的矢量作用时间，以此消除死区带来的电压差和谐波影响。

2.根据权利要求1所述三电平T型逆变器死区消去及死区补偿联合方法，其特征在于，所述基于空间矢量调制算法，具体如下：

三电平T型逆变器每一相的输出电平共有三种状态：输出电压等于直流母线电压，输出电压等于直流母线电压的一半，输出电压等于0，分别设为P、O、N；因此共有27种工作状态，即有27种基础矢量分别为：NNN、NNO、NNP、NON、NOO、NOP、NPN、NPO、NPP、ONN、ONO、ONP、OON、OOO、OOP、OPN、OPO、OPP、PNN、PNO、PNP、PON、POO、POP、PPN、PPO、PPP；

首先经过坐标变换得到目标参考电压矢量，然后从27种矢量中选择相应的七个基础矢量合成得到参考矢量，每个矢量作用时间分别为t₁、t₂、t₃、t₄、t₃、t₂、t₁。

3.根据权利要求1所述三电平T型逆变器死区消去及死区补偿联合方法，其特征在于，所述相电流两个不同阶段的分段方法为：

第一步，实际相电流通过截止频率为1/2开关频率的低通滤波器滤除开关频率带来的相电流纹波得到期望电流其中x＝a,b,c；a、b、c分别为三电平T型逆变器的a相、b相、c相；

第二步，将期望电流与设定相电流界限值I_th相比较，以此将相电流分为相电流大于相电流界限值I_th和相电流小于相电流界限值I_th两个不同阶段。

4.根据权利要求1所述三电平T型逆变器死区消去及死区补偿联合方法，其特征在于，所述采用死区消去策略，具体为：

当相电流为反方向，所需相电平为N时对应开关管状态分别为S_x1＝0,S_x2＝0,S_x3＝1,S_x4＝1；

其中，S_x1、S_x2、S_x3、S_x4分别为相桥臂上开关管状态、相桥臂中点串联的反方向开关管状态、相桥臂中点串联的正方向开关管状态、相桥臂下开关管状态；1代表开通，0表示关断；其中x＝a,b,c；a、b、c分别为三电平T型逆变器的a相、b相、c相；相电平为P表示输出电压等于直流母线电压，相电平为O表示输出电压等于直流母线电压的一半，相电平为N表示输出电压等于0。

5.根据权利要求1所述三电平T型逆变器死区消去及死区补偿联合方法，其特征在于，所述死区补偿策略，具体如下：

第一步：各相电平对应的开关管状态分别如下：

其中，S_x1、S_x2、S_x3、S_x4分别为相桥臂上开关管状态、相桥臂中点串联的反方向开关管状态、相桥臂中点串联的正方向开关管状态、相桥臂下开关管状态；1代表开通，0表示关断；其中x＝a,b,c；a、b、c分别为三电平T型逆变器的a相、b相、c相；相电平为P表示输出电压等于直流母线电压，相电平为O表示输出电压等于直流母线电压的一半，相电平为N表示输出电压等于0；

第二步：由空间矢量调制方法确定基础矢量顺序后，插入死区t_d并对死区t_d进行补偿。

6.根据权利要求5所述三电平T型逆变器死区消去及死区补偿联合方法，其特征在于，第二步中，所述对死区t_d进行补偿，具体为：

(1)当期望电流大于0时，其中x＝a,b,c；相电平从N变到O、相电平从O变到P的补偿方法为：

t_{A}^{'} = t_{A} - \frac{t_{d}}{2}, t_{B}^{'} = t_{B} + \frac{t_{d}}{2}, {\overset{&OverBar;}{i}}_{x} > 0;

相电平从O变到N、相电平从P变到O时，无需补偿；

(2)当期望电流小于0时，其中x＝a,b,c；相电平从O变到N，相电平从P变到O的补偿方法为：

t_{A}^{'} = t_{A} + \frac{t_{d}}{2}, t_{B}^{'} = t_{B} - \frac{t_{d}}{2}, {\overset{&OverBar;}{i}}_{x} < 0;

相电平从N变到O、相电平从O变到P时，无需补偿；

7.根据权利要求1至6任一权利要求所述三电平T型逆变器死区消去及死区补偿联合方法，其特征在于，所述相电流界限值I_th设为最大电流纹波的两倍。