CN108155823A - 基于sogi-fll的无死区半周调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于SOGI‑FLL的无死区半周调制方法，通过传感器检测获取变流器电流信号；通过SOGI‑FLL模块对变流器电流信号进行滤波处理，得到一定频率的基波电流信号及其正交信号；在半周调制模块中，对电压调制信号与载波信号进行比较处理，获得初始驱动信号；根据基波电流信号的极性分配获得的初始驱动信号，得到可随基波电流信号的极性交替使能的无死区半周驱动信号；通过无死区半周驱动信号控制变流器实现无死区半周调制。本发明的优点是：可灵活嵌入到变流器闭环控制系统中，精准判断电流极性，并根据电流极性来分配驱动信号，从根本上解决变流器的死区效应问题。

Description

基于SOGI-FLL的无死区半周调制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体的说，涉及一种基于SOGI-FLL的无死区半周调制方法。
背景技术
在针对两电平变流器的传统调制方法中，在上管和下管驱动信号切换时需要设置死区，以防止变流器发生直通短路。但死区效应会导致变流器存在电压损失，产生低频电流谐波，还会降低直流电压利用率。现有的无死区半周调制方法中，上管和下管驱动信号分别在半个周期内根据电流极性交替使能，不需要设置死区，不会产生误差电压而引起输出电流畸变，同时也降低了变流器直通短路的风险。
虽然无死区半周调制可以避免死区效应，但其实现需要精准判断电流极性，如下两个问题限制了其推广应用：第一，由于需要电流极性来分配驱动信号，无死区半周调制往往是嵌入到某个复杂的闭环系统中实现的，不能相对独立的工作；第二，输出电流含有的谐波导致电流过零点处的电流极性判断困难。若电流极性判断不准确，会引起严重的电流过零点畸变。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种基于SOGI-FLL的无死区半周调制方法，可作为独立的调制模块灵活嵌入到变流器闭环控制系统，同时精准获得的电流基波信号用于无死区半周调制，极大地减小电流过零点畸变。
本发明的技术方案是：一种基于SOGI-FLL的无死区半周调制方法，包括以下步骤：
获取变流器输出电流；
通过SOGI-FLL模块对所述变流器输出电流进行滤波锁频处理，得到一定频率的基波电流信号及其正交信号；
在半周调制模块中，对电压调制信号与载波信号进行比较处理，获得初始驱动信号；
根据所述基波电流信号的电流极性分配获得的初始驱动信号，得到可随所述基波电流信号的电流极性交替使能的无死区半周驱动信号；
通过所述无死区半周驱动信号控制变流器实现无死区半周调制。
优选的是，在根据所述基波电流信号的电流极性分配所述初始驱动信号步骤中，具体极性分配原则为：在所述基波电流信号大于零时，变流器开关管上管驱动信号使能；在所述基波电流信号小于零时，变流器开关管下管驱动信号使能；即上管驱动信号与下管驱动信号随所述基波电流信号的电流极性交替使能控制变流器实现无死区半周调制。
优选的是，所述SOGI-FLL模块包括二阶广义积分器SOGI和锁频环FLL；其中，所述二阶广义积分器SOGI用于对所述变流器输出电流进行滤波处理；所述锁频环FLL用于对所述变流器输出电流进行锁频处理。
优选的是，所述二阶广义积分器SOGI的传递函数为：
公式(1.1)～公式(1.3)中，SOGI(s)为二阶广义积分器的传递函数表达式；D(s)为带通滤波器形式的的传递函数表达式；Q(s)为低通滤波器形式的传递函数表达式；s为拉普拉斯变换算子；ω'为SOGI(s)的中心频率；k为阻尼系数；i为变流器输出电流；i'为基波电流信号；qi'为i'的正交信号；εi为估计误差。
优选的是，所述锁频环FLL的传递函数为：
ω′＝-Γ·∫εf(t)dt+ωff 公式(1.4)
公式(1.4)中，t为时间；-Γ为积分器负增益；ωff为基准频率；εf为εi与qi'的乘积。
优选的是，所述变流器为单相变流器，通过SOGI-FLL模块对单相变流器输出电流进行滤波锁频处理，得到一定频率的基波电流信号及其正交信号；同时，在半周调制模块中，对正弦电压调制信号与三角载波信号进行比较处理，获得初始驱动信号；根据基波电流信号的极性分配获得的初始驱动信号，得到可随基波电流信号的极性交替使能的无死区半周驱动信号。
优选的是，所述变流器为平衡系统的三相变流器，通过SOGI-FLL模块对三相变流器输出电流进行滤波锁频处理，得到一定频率的基波电流信号及其正交信号，将基波电流信号及其正交信号进行克拉克反变换，使相互正交的基波电流信号及其正交信号变换成三相电流信号；同时，在半周调制模块中，对三相电压调制信号与三相载波信号进行比较处理，获得初始驱动信号；根据三相电流信号的极性分配获得的初始驱动信号，得到可随三相电流信号的极性交替使能的无死区半周驱动信号。
本发明与现有技术相比的有益效果为：
1)利用二阶广义积分器—锁频环SOGI-FLL模块的幅值频率自适应性功能和滤波功能，准确获得基波电流信号及其正交信号，反馈用于分配无死区半周调制驱动信号，实现基于SOGI-FLL模块的无死区半周调制过程；
2)可作为一个相对独立的调制模块，灵活嵌入到单相变流器以及三相变流器的闭环控制系统中，实现单相变流器以及三相变流器的无死区半周调制；
3)用SOGI-FLL模块准获得电流基波信号，不存在延时、相位角无偏移，电流极性准确。获得的电流基波信号用于无死区半周调制，可以极大地减小电流过零点畸变。
附图说明
图1为SOGI-FLL模块的结构示意图；
图2为无死区半周调制原理波形图；
图3为单相变流器中基于SOGI-FLL的无死区半周调制结构示意图；
图4为三相变流器中基于SOGI-FLL的无死区半周调制结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明公开一种基于SOGI-FLL的无死区半周调制方法，可灵活嵌入到变流器闭环控制系统中，精准判断电流极性，并根据电流极性来分配驱动信号，从根本上解决变流器的死区效应问题。
本发明的无死区半周调制方法包括以下方法步骤：
通过传感器检测获取变流器输出电流；通过SOGI-FLL模块对变流器输出电流进行滤波锁频处理，得到一定频率的基波电流信号及其正交信号；在半周调制模块中，对电压调制信号与载波信号进行比较处理，获得初始驱动信号；根据基波电流信号的极性分配获得的初始驱动信号，得到可随基波电流信号的极性交替使能的无死区半周驱动信号；通过无死区半周驱动信号控制变流器实现无死区半周调制。
从无死区半周调制的原理可知，精确地获取电流极性是减小电流过零点畸变的关键。若检测的电流极性存在误差，不能及时在电流过零点处对开关管驱动信号进行切换，则会造成电流过零点严重畸变。本发明利用SOGI-FLL模块提取变流器输出电流的基波电流信号，并将基波电流信号反馈的电流极性信息用于无死区半周调制。
参见图1，SOGI-FLL模块包括二阶广义积分器SOGI和锁频环FLL。
二阶广义积分器SOGI的传递函数为：
锁频环的传递函数为：
ω′＝-Γ·∫εf(t)dt+ωff 公式(1.4)
公式(1.1)～公式(1.4)中，SOGI(s)为二阶广义积分器的传递函数表达式；D(s)为带通滤波器形式的传递函数表达式；Q(s)为低通滤波器形式的传递函数表达式；s为拉普拉斯变换算子；ω'为SOGI(s)的中心频率；k为阻尼系数；i为变流器输出电流；i'为基波电流信号；qi'为i'的正交信号；εi为估计误差；t为时间；-Γ为积分器负增益；ωff为基准频率；εf为εi与qi'的乘积。
其中，二阶广义积分器SOGI用于准确获得频率为ω'的基波电流信号i'及其正交信号qi'，SOGI(s)在中心频率ω'处具有无穷大增益，可以对频率为ω'的正弦信号进行无静差跟踪。具有带通滤波器形式的D(s)和低通滤波器形式的Q(s)，可抑制输入电流中的高频谐波。阻尼系数k决定了上述滤波器的调节时间和超调量。
继续参见图1，锁频环FLL用于锁定变流器输出电流的频率ω获得SOGI(s)的中心频率ω'，以此作为二阶广义积分器SOGI的输入。同时，二阶广义积分器SOGI中的估计误差εi和正交信号qi'的乘积εf又作为锁频环FLL的输入。
在锁频环FLL中，当变流器输出电流i的频率ω＜中心频率ω'时，估计误差εi与正交信号qi'同相位，两者乘积εf＞0；当变流器输出电流i的频率ω＞中心频率ω'时，估计误差εi与正交信号qi'反相位，两者乘积εf＜0；当变流器输出电流i的频率ω＝中心频率ω'时，εf＝0。由此可知，εf极性正好与中心频率ω'需要调整的方向相反，由此在锁频环FLL中引入具有负增益-Γ的积分器对εf进行积分逐渐调整SOGI(s)的中心频率ω'，最终使中心频率ω'等于变流器输出电流i的频率ω。为加快初始锁频速度，在锁频环FLL加入基准频率ωff。
二阶广义积分器SOGI与锁频环FLL两者相互配合工作，获得的输出电流信号相对于输入电流信号无延时、无幅值衰减，适合用于无死区半周调制的驱动信号分配。采用SOGI-FLL模块获得的电流极性精确，从而可以减小无死区半周变流器的电流过零点畸变。
图2为本发明无死区半周调制方法的调制原理波形图。图2中，基波电流信号Ⅲ为经SOGI-FLL模块滤波锁频处理后的电流信号，该信号与变流器输出电流相比，不存在延时、相位角无偏移，电流极性准确。变流器开关管的初始驱动信号由载波信号Ⅰ与电压调制信号Ⅱ比较后产生，根据获得的基波电流信号Ⅲ极性分配上述初始驱动信号，具体分配原则为：在基波电流信号Ⅲ大于零时，上管驱动信号Ⅳ使能；在基波电流信号Ⅲ小于零时，下管驱动信号Ⅴ使能。
继续参见图2，该半周调制方式与含死区的调制方式不同之处在于，上管驱动信号Ⅳ与下管驱动信号Ⅴ分别在半个周期内根据基波电流信号Ⅲ的电流极性交替使能。例如：当变流器输出电流的电流极性大于零时，仅上管驱动信号Ⅳ使能，输出负值电压由二极管续流产生，以满足调制中的冲量等效原理；当变流器输出电流的电流极性小于零时，仅下管驱动信号Ⅴ使能。即在上述半周调制中不需要设置死区，不会产生误差电压而引起输出电流畸变，同时也降低了变流器直通短路的风险。
本发明无死区半周调制方法可适用于单相变流器或三相变流器的无死区半周调制，具体过程如下：
参见图3，对于单相变流器，通过SOGI-FLL模块对单相变流器输出电流i进行滤波锁频处理，得到一定频率的基波电流信号i'及其正交信号qi'；同时，在半周调制模块中，对正弦电压调制信号v*与三角载波信号进行比较处理，获得初始驱动信号；根据基波电流信号i'的极性分配获得的初始驱动信号，得到可随基波电流信号i'的电流极性交替使能的无死区半周驱动信号。其中，基波电流信号i'的电流极性与驱动信号的分配关系为，基波电流信号i'＞0时，开关管Q1和开关管Q4的驱动信号被使能，开关管Q2和开关管Q3的驱动信号被禁止；基波电流信号i'＜0时，开关管Q2和开关管Q3的驱动信号被使能，开关管Q1和开关管Q4的驱动信号被禁止。即根据基波电流信号i'的电流极性分配驱动信号，以实现单相变流器的无死区半周调制。
参见图4，对于平衡系统的三相变流器，通过SOGI-FLL模块对三相变流器输出电流ia、ib、ic进行滤波锁频处理，得到一定频率的基波电流信号i'及其正交信号qi'，将基波电流信号i'及其正交信号qi'进行克拉克反变换，使相互正交的基波电流信号i'及其正交信号qi'变换成三相电流信号ia *、ib *、ic *，表达式为：
同时，在半周调制模块中，对三相电压调制信号va *、vb *、vc *与三相载波信号进行比较处理，获得初始驱动信号；根据三相电流信号ia *、ib *、ic *的电流极性分配获得的初始驱动信号，得到可随三相电流信号的极性交替使能的无死区半周驱动信号，用以实现三相变流器开关管的无死区半周调制。
其中，三相电流信号ia *、ib *、ic *分别被用于分配ABC三相的开关管Qa1、Qa2、Qb1、Qb2、Qc1、Qc2驱动信号。以A相为例，电流信号ia *＞0时，Qa1的驱动信号被使能，Qa2的驱动信号被禁止；反之，当电流信号ia *＜0时，Qa2的驱动信号被使能，Qa1的驱动信号被禁止。在B和C相中，驱动信号的分配与A相类似，不再赘述。
本发明涉及的基于SOGI-FLL的无死区半周调制方法，可应用于单相变流器以及平衡系统的三相变流器。可作为一个相对独立的调制模块，灵活嵌入到常用的变流器闭环控制系统，例如，采用PI控制器的dq坐标系闭环控制系统、以及采用PR控制的αβ坐标系闭环控制系统。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其进行限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.基于SOGI-FLL的无死区半周调制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
获取变流器输出电流；
通过SOGI-FLL模块对所述变流器电流进行滤波锁频处理，得到一定频率的基波电流信号及其正交信号；
在半周调制模块中，对电压调制信号与载波信号进行比较处理，获得初始驱动信号；
根据所述基波电流信号的电流极性分配获得的初始驱动信号，得到可随所述基波电流信号的电流极性交替使能的无死区半周驱动信号；
通过所述无死区半周驱动信号控制变流器实现无死区半周调制。
2.根据权利要求1所述的无死区半周调制方法，其特征在于：在根据所述基波电流信号的电流极性分配所述初始驱动信号步骤中，具体极性分配原则为：在所述基波电流信号大于零时，变流器开关管上管驱动信号使能；在所述基波电流信号小于零时，变流器开关管下管驱动信号使能；即上管驱动信号与下管驱动信号随所述基波电流信号的电流极性交替使能控制变流器实现无死区半周调制。
3.根据权利要求1所述的无死区半周调制方法，其特征在于：所述SOGI-FLL模块包括二阶广义积分器SOGI和锁频环FLL；其中，所述二阶广义积分器SOGI用于对所述变流器输出电流进行滤波处理；所述锁频环FLL用于对所述变流器输出电流进行锁频处理。
4.根据权利要求3所述的无死区半周调制方法，其特征在于：所述二阶广义积分器SOGI的传递函数为：
公式(1.1)～公式(1.3)中，SOGI(s)为二阶广义积分器的传递函数表达式；D(s)为带通滤波器形式的传递函数表达式；Q(s)为低通滤波器形式的传递函数表达式；s为拉普拉斯变换算子；ω'为SOGI(s)的中心频率；k为阻尼系数；i为变流器输出电流；i'为基波电流信号；qi'为i'的正交信号；εi为估计误差。
5.根据权利要求4所述的无死区半周调制方法，其特征在于：所述锁频环FLL的传递函数为：
公式(1.4)中，t为时间；-Γ为积分器负增益；ωff为基准频率；εf为εi与qi'的乘积。
6.根据权利要求1-5任一项所述的无死区半周调制方法，其特征在于：所述变流器为单相变流器，通过SOGI-FLL模块对单相变流器输出电流进行滤波锁频处理，得到一定频率的基波电流信号及其正交信号；同时，在半周调制模块中，对正弦电压调制信号与三角载波信号进行比较处理，获得初始驱动信号；根据基波电流信号的极性分配获得的初始驱动信号，得到可随基波电流信号的极性交替使能的无死区半周驱动信号。
7.根据权利要求1-5任一项所述的无死区半周调制方法，其特征在于：所述变流器为平衡系统的三相变流器，通过SOGI-FLL模块对三相变流器输出电流进行滤波锁频处理，得到一定频率的基波电流信号及其正交信号，将基波电流信号及其正交信号进行克拉克反变换，使相互正交的基波电流信号及其正交信号变换成三相电流信号；同时，在半周调制模块中，对三相电压调制信号与三相载波信号进行比较处理，获得初始驱动信号；根据三相电流信号的极性分配获得的初始驱动信号，得到可随三相电流信号的极性交替使能的无死区半周驱动信号。
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