CN109039125A - 基于msogi-fll的t型三电平逆变器死区误差电压补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于MSOGI‑FLL的T型三电平逆变器死区误差电压补偿方法，通过检测T型三电平逆变器的三相输出电流，获取三相测量电流；通过CLARK变换模块将三相静止坐标系的三相测量电流变换到两相静止坐标系的测量电流；通过MSOGI‑FLL模块对两相静止坐标系的测量电流进行锁频并滤除谐波和高频噪声，获得基波电流信号；通过CLARK反变换模块将两相静止坐标系的基波电流信号变换为包含有准确电流极性信息的三相电流给定信号；三相电流给定信号、死区误差电压平均值及三相电压调制波同时输入调制波调整模块，获得幅值调整后的电压调制波，对死区误差电压进行补偿。本发明利用MSOGI‑FLL模块准确检测过零点处的电流极性，有效提高T型三电平逆变器的误区误差电压补偿精度。

Description

基于MSOGI-FLL的T型三电平逆变器死区误差电压补偿方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及逆变器死区补偿技术，具体地说，涉及一种基于MSOGI-FLL的T型三电平逆变器死区误差电压补偿方法。

背景技术

T型三电平逆变器通过电力电子开关器件的通断来实现直流电能到交流电能的转换。由于电力电子开关器件存在开通和关断延时，为防止T型三电平逆变器桥臂发生直通短路，必须在互补通断的电力电子开关器件的驱动信号加入一段死区时间，即互补通断的电力电子开关器件同时关断的一段时间。

死区时间的加入有效防止了T型三电平逆变器桥臂的直通短路故障，但同时会使T型逆变器产生与电流极性相关的误差电压。当电流流出T型逆变器时，产生负极性的误差电压脉冲；当电流流入T型逆变器时，产生正极性的误差电压脉冲。输出误差电压脉冲进而使输出电流发生畸变，产生5次、7次、11次、13次等低频电流谐波，严重影响了T型逆变器的输出效果。

电力电子开关器件的开关速度决定了添加的死区时间的长短。在T型三电平逆变器中，确定采用的电力电子器件后，死区时间即可固定。此时，死区产生的误差电压随开关频率的增加而线性增加。随着电力电子系统的高频化、小型化发展，死区产生的误差电压会严重影响T型三电平逆变器的输出电压、电流质量，会对电网造成严重的谐波污染或影响负载的正常运行。因此，必须采取有效措施补偿T型三电平逆变器的死区误差电压，提升输出电压、电流质量。

目前，T型三电平逆变器中最为常用的是基于电流极性的死区误差电压补偿方法。首先，根据设定的死区时间和开关频率计算死区产生的误差电压平均值；然后，判断T型三电平逆变器的输出电流极性；最后，根据电流极性在电压调制信号中补偿与误差电压相反电压平均值。这种方法易于理解和实现，但由于实际输出电流存在谐波和高频噪声，精确地判断电流过零点处的电流极性非常困难，导致该方法补偿精度低，甚至可能出现误补偿现象的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的补偿精度低、易出现误补偿现象等上述技术问题，提供一种补偿精度高、不会出现误补偿现象的基于MSOGI-FLL的T型三电平逆变器死区误差电压补偿方法。

本发明的技术方案是：一种基于MSOGI-FLL的T型三电平逆变器死区误差电压补偿方法，包括以下步骤：

检测T型三电平逆变器的三相输出电流，获取三相测量电流；

通过CLARK变换模块将三相静止坐标系的三相测量电流变换到两相静止坐标系的测量电流；

通过MSOGI-FLL模块对两相静止坐标系的测量电流进行锁频并滤除谐波和高频噪声，获得基波电流信号；

通过CLARK反变换模块将两相静止坐标系的基波电流信号变换为包含有准确电流极性信息的三相电流给定信号；

三相电流给定信号、死区误差电压平均值及三相电压调制波同时输入调制波调整模块，获得幅值调整后的电压调制波；

幅值调整后的电压调制波在调制及死区产生模块中与正极性三角波和负极性三角波比较并加入相应的死区时间，获得驱动T型三电平逆变器的驱动信号。

优选的是，所述T型三电平逆变器的主电路中，直流电压V_dc连接两只直流母线电容C_dc1和C_dc2，将直流母线电压V_dc分压为V_dc1和V_dc2，直流母线中点为O；所述T型三电平逆变器含有A、B、C三相桥臂，三相桥臂的输出分别为A、B、C三点，所述T型三电平逆变器的三相输出电流为i_a、i_b、i_c。

优选的是，所述T型三电平逆变器的每相桥臂含有4只IGBT电力电子开关器件，A相桥臂的4只IGBT开关器件为S_a1、S_a2、S_a3、S_a4，B相桥臂的4只IGBT开关器件为S_b1、S_b2、S_b3、S_b4，C相桥臂的4只IGBT开关器件为S_c1、S_c2、S_c3、S_c4。

优选的是，A相桥臂的A点输出依次连接电感负载L_a和电阻负载R_a，B相桥臂的B点输出依次连接电感负载L_b和电阻负载R_b，C相桥臂的C点输出依次连接电感负载L_c和电阻负载R_c；电阻负载R_a、电阻负载R_b、电阻负载R_c星形连接构成交流侧中性点N。

优选的是，所述MSOGI-FLL模块包括并联连接的5个二阶广义积分器SOGI和一个锁频环FLL；其中，所述二阶广义积分器SOGI用于对两相静止坐标系的测量电流进行滤波处理；所述锁频环FLL用于对两相静止坐标系的测量电流进行锁频处理。

优选的是，所述二阶广义积分器SOGI的传递函数为：

式中，SOGI(s)为二阶广义积分器的传递函数表达式，s为拉普拉斯变换算子，ω'为基波电流频率，k为阻尼系数，i为逆变器输出电流，i'为基波电流，εi为估计误差；

所述锁频环FLL的传递函数为：

ω′＝-Γ·∫ε_f(t)dt+ω₀ (2)

式中，t为时间，-Γ为积分器负增益，ω₀为基准频率，ε_f为ε_i与qi'的乘积，qi'为基波电流的正交分量。

优选的是，检测的三相输出电流为i_a、i_b、i_c，由检测的三相输出电流i_a、i_b、i_c获取三相测量电流分别为i_am、i_bm、i_cm，通过CLARK变换模块将三相静止坐标系的三相测量电流i_am、i_bm、i_cm变换到两相静止坐标系的测量电流i_αm、i_βm；通过MSOGI-FLL模块对i_αm、i_βm进行锁频并滤除谐波和高频噪声，获得基波电流信号i_α1'、i_β1'；通过CLARK反变换模块将两相静止坐标系的基波电流信号i_α1'、i_β1'变换为含有准确电流极性信息的三相电流给定信号i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*；三相电流给定信号i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*、死区误差电压平均值Δu和三相电压调制波u_a ^*、u_b ^*、u_c ^*同时输入调制波调整模块，获得幅值调整后的电压调制波u_a'、u_b'、u_c'，对死区误差电压进行补偿；u_a'、u_b'、u_c'在调制及死区产生模块中与正极性三角波Z_up和负极性三角波Z_lo比较并加入相应的死区时间，最终获得驱动T型三电平逆变器IGBT的12路驱动信号。

优选的是，通过CLARK变换模块将三相静止坐标系的三相测量电流i_am、i_bm、i_cm变换到两相静止坐标系的测量电流i_αm、i_βm的表达式为：

优选的是，通过CLARK反变换模块将两相静止坐标系的基波电流信号i_α1'、i_β1'变换为含有准确电流极性信息的三相电流给定信号i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*的表达式为：

优选的是，调制波调整模块获得电压调制波u_a'、u_b'、u_c'的表达式为：

本发明与现有技术相比的有益效果为：

(1)本发明采用MSOGI-FLL模块，既能实现对基波电流信号的锁相，又能有效滤除5次、7次、11次、13次电流谐波以及高频噪声。

(2)本发明采MSOGI-FLL模块进行滤波，其滤波效果明显优于通用的多阶滤波器，获得的电流极性不存在相移，不会出现误补偿现象，保证了T型三电平逆变器死区误差电压补偿的精度。

(3)本发明本质上是对传统死区误差电压补偿的改进，弥补了传统死区误差电压电流方向检测不准的缺陷，根据电流极性调整调制波幅值，易于理解，实现简单。

(4)本发明在两相静止坐标系中对电流谐波和高频电流谐波进行滤波，只需要采用两个MSOGI-FLL模块，相比在三相静止坐标系中需要三个MSOGI-FLL模块而言，可以简化逆变器控制系统，减小计算量。

附图说明

图1为本发明实施例所述基于MSOGI-FLL的T型三电平逆变器死区误差电压补偿方法的流程图；

图2为本发明实施例CLARK变换模块的结构示意图；

图3为本发明实施例MSOGI-FLL模块的结构示意图；

图4为本发明实施例二阶广义积分器SOGI的结构示意图；

图5为本发明实施例锁频环FLL的结构示意图；

图6为本发明实施例CLARK反变换模块的结构示意图；

图7为本发明实施例调制波调整模块的结构示意图；

图8为本发明实施例调制及死区生产模块的结构示意图；

图9为未采用本发明所述基于MSOGI-FLL的T型三电平逆变器死区误差电压补偿方法进行死区补偿时的三相输出电流波形；

图10为采用本发明所述基于MSOGI-FLL的T型三电平逆变器死区误差电压补偿方法进行死区补偿时的三相输出电流波形。

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。

本发明揭示了一种基于MSOGI-FLL的T型三电平逆变器死区误差电压补偿方法，能够有效滤除电流中的谐波和高频噪声，从而准确检测过零点处的电流极性，有效提高T型三电平逆变器的死区误差电压补偿精度。

本发明的基于MSOGI-FLL的T型三电平逆变器死区误差电压补偿方法包括以下方法步骤：

检测T型三电平逆变器的三相输出电流，获取三相测量电流；通过CLARK变换模块将三相静止坐标系的三相测量电流变换到两相静止坐标系的测量电流；通过MSOGI-FLL模块对两相静止坐标系的测量电流进行锁频并滤除谐波和高频噪声，获得基波电流信号；通过CLARK反变换模块将两相静止坐标系的基波电流信号变换为包含有准确电流极性信息的三相电流给定信号；三相电流给定信号、死区误差电压平均值及三相电压调制波同时输入调制波调整模块，获得幅值调整后的电压调制波；幅值调整后的电压调制波在调制及死区产生模块中与正极性三角波和负极性三角波比较并加入相应的死区时间，获得驱动T型三电平逆变器的驱动信号。

本发明利用MSOGI-FLL模块准确检测过零点处的电流极性，根据电流极性调整调制波幅值，对死区误差电压进行补偿，有效提高T型三电平逆变器的死区误差电压补偿精度。还通过CLARK变换和CLARK反变换进行三相静止坐标系和两相静止坐标系的电流变换，在两相静止坐标系中对电流谐波和高频电流谐波进行滤波，有效简化逆变器控制系统。

参见图1，在T型三电平逆变器的主电路中，直流电压V_dc连接两只直流母线电容C_dc1和C_dc2，将直流母线电压V_dc分压为V_dc1和V_dc2，直流母线中点为O；所述T型三电平逆变器含有A、B、C三相桥臂，三相桥臂的输出分别为A、B、C三点，T型三电平逆变器的三相输出电流为i_a、i_b、i_c。T型三电平逆变器的每相桥臂含有4只IGBT电力电子开关器件，A相桥臂的4只IGBT开关器件为S_a1、S_a2、S_a3、S_a4，A相桥臂的A点输出依次连接电感负载L_a和电阻负载R_a；B相桥臂的4只IGBT开关器件为S_b1、S_b2、S_b3、S_b4，B相桥臂的B点输出依次连接电感负载L_b和电阻负载R_b；C相桥臂的4只IGBT开关器件为S_c1、S_c2、S_c3、S_c4，C相桥臂的C点输出依次连接电感负载L_c和电阻负载R_c；电阻负载R_a、电阻负载R_b、电阻负载R_c星形连接构成交流侧中性点N。

继续参见图1，进行死区误差电压补偿时，检测三电平逆变器的输出电流，获得三相输出电流为i_a、i_b、i_c，由检测的三相输出电流i_a、i_b、i_c获取三相测量电流分别为i_am、i_bm、i_cm，通过CLARK变换模块将三相静止坐标系的三相测量电流i_am、i_bm、i_cm变换到两相静止坐标系的测量电流i_αm、i_βm；通过MSOGI-FLL模块对i_αm、i_βm进行锁频并滤除谐波和高频噪声，获得基波电流信号i_α1'、i_β1'，所述高频噪声为频率大于逆变器开关频率的噪声，例如，开关频率为20kHz，则高频噪声为频率大于20kHz的噪声；通过CLARK反变换模块将两相静止坐标系的基波电流信号i_α1'、i_β1'变换为含有准确电流极性信息的三相电流给定信号i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*；三相电流给定信号i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*、死区误差电压平均值Δu和三相电压调制波u_a ^*、u_b ^*、u_c ^*同时输入调制波调整模块，获得幅值调整后的电压调制波u_a'、u_b'、u_c'，对死区误差电压进行补偿；u_a'、u_b'、u_c'在调制及死区产生模块中与正极性三角波Z_up和负极性三角波Z_lo比较并加入相应的死区时间，最终获得驱动T型三电平逆变器IGBT的12路驱动信号。

参见图3，MSOGI-FLL模块包括并联连接的5个二阶广义积分器SOGI和一个锁频环FLL；其中，所述二阶广义积分器SOGI用于对两相静止坐标系的测量电流进行滤波处理；所述锁频环FLL用于对两相静止坐标系的测量电流进行锁频处理。继续参见图3，MSOGI-FLL模块中，ω'为基波电流频率，ε_i为输入电流信号与输出电流信号的跟踪误差，i_m为测量电流，i为逆变器输出电流，i'为基波电流，qi'为基波电流i'的正交分量，i₁'为基波电流，qi₁'为基波电流i₁'的正交分量，i₅'、i₇'、i₁₁'、i₁₃'分别为5次、7次、11次、13次谐波电流。

参见图4，在二阶广义积分器SOGI中，i为逆变器输出电流，i'为基波电流，qi'为基波电流i'的正交分量，1/s为积分模块，二阶广义积分器SOGI的传递函数为：

式中，SOGI(s)为二阶广义积分器的传递函数表达式，s为拉普拉斯变换算子，ω'为基波电流频率，k为阻尼系数，ε_i为输入电流信号与输出电流信号的跟踪误差。

参见图5，在锁频环FLL中，1/s为积分模块，kω'/[(i₁')²+(qi₁')²]为FLL增益幺化模块，i₁'为基波电流，qi₁'为基波电流的正交分量；锁频环FLL的传递函数为：

ω′＝-Γ·∫ε_f(t)dt+ω₀ (2)

式中，t为时间；Γ为积分器增益；ω₀为基准频率；ε_f为ε_i与qi₁'的乘积。

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，电流极性不存在相移，获得的电流极性准确，不会出现误补偿现象。

参见图2，通过CLARK变换模块将三相静止坐标系的三相测量电流i_am、i_bm、i_cm变换到两相静止坐标系的测量电流i_αm、i_βm，其表达式为：

参见图6，通过CLARK反变换模块将两相静止坐标系的基波电流信号i_α1'、i_β1'变换为含有准确电流极性信息的三相电流给定信号i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*，其表达式为：

参见图7，三相电流给定信号i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*以及死区误差电压平均值Δu和三相电压调制波u_a ^*、u_b ^*、u_c ^*同时输入调制波调整模块，获得幅值调整后的电压调制波u_a'、u_b'、u_c'，对死区误差电压进行补偿。sign(i_a ^*)、sign(i_b ^*)、sign(i_c ^*)分别为三相电流给定信号i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*的电流极性。以A相为例，当i_a ^*的电流极性为正时，u_a'在u_a ^*的基础上增加Δu，从而补偿死区产生的负误差电压。调制波调整模块获得电压调制波u_a'、u_b'、u_c'的表达式为：

参见图8，在调制及死区产生模块的调制部分，幅值调整后的电压调制波u_a'、u_b'、u_c'在调制及死区产生模块中与正极性三角波Z_up和负极性三角波Z_lo比较大小，获得信号P_a1'和P_a2'、P_b1'和P_b2'、P_c1'和P_c2'，经过“NOT”逻辑取反模块，获得信号P_a3'和P_a4'、P_b3'和P_b4'、P_c3'和P_c4'。

继续参见图8，在调制及死区产生模块的死区产生部分，P_a1'和P_a3'、P_a2'和P_a4'、P_b1'和P_b3'、P_b2'和P_b4'、P_c1'和P_c3'、P_c2'和P_c4'分别经过“On Delay”开通延时模块加入一定的死区时间，获得T型三电平逆变器A相、B相、C相桥臂IGBT的12路驱动信号P_a1和P_a3、P_a2和P_a4、P_b1和P_b3、P_b2和P_b4、P_c1和P_c3、P_c2和P_c4。

为了进一步说明本发明基于MSOGI-FLL的T型三电平逆变器死区误差电压补偿方法的效果，以下以一个具体的实施例进行说明。

在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型。开关频率为20kHz，死区时间为2μs，调制度为0.866，直流母线电压V_dc为600V，负载电感L_a、L_b、L_c为3mH，负载电阻R_a、R_b、R_c为24Ω。

参见图9，未采用本发明基于MSOGI-FLL的T型三电平逆变器死区误差电压补偿方法进行补偿时，由于死区产生了较大的误差电压，导致三相输出电流畸变明显。参见图10，采用本发明基于MSOGI-FLL的T型三电平逆变器死区误差电压补偿方法进行补偿时，由于本发明利用MSOGI-FLL模块准确检测过零点处的电流极性，根据电流极性调整调制波幅值，对死区误差电压进行补偿，有效提高T型三电平逆变器的死区误差电压补偿精度，三相输出电流畸变明显减小，正弦度显著提高。由此可以说明，本发明提供的基于MSOGI-FLL的T型三电平逆变器死区误差电压补偿方法对死区误差电压补偿的有效性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于MSOGI-FLL的T型三电平逆变器死区误差电压补偿方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

检测T型三电平逆变器的三相输出电流，获取三相测量电流；

通过CLARK变换模块将三相静止坐标系的三相测量电流变换到两相静止坐标系的测量电流；

通过MSOGI-FLL模块对两相静止坐标系的测量电流进行锁频并滤除谐波和高频噪声，获得基波电流信号；

通过CLARK反变换模块将两相静止坐标系的基波电流信号变换为包含有准确电流极性信息的三相电流给定信号；

三相电流给定信号、死区误差电压平均值及三相电压调制波同时输入调制波调整模块，获得幅值调整后的电压调制波；

幅值调整后的电压调制波在调制及死区产生模块中与正极性三角波和负极性三角波比较并加入相应的死区时间，获得驱动T型三电平逆变器的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的基于MSOGI-FLL的T型三电平逆变器死区误差电压补偿方法，其特征在于，所述T型三电平逆变器的主电路中，直流电压V_dc连接两只直流母线电容C_dc1和C_dc2，将直流母线电压V_dc分压为V_dc1和V_dc2，直流母线中点为O；所述T型三电平逆变器含有A、B、C三相桥臂，三相桥臂的输出分别为A、B、C三点，所述T型三电平逆变器的三相输出电流为i_a、i_b、i_c。

3.根据权利要求2所述的基于MSOGI-FLL的T型三电平逆变器死区误差电压补偿方法，其特征在于，所述T型三电平逆变器的每相桥臂含有4只IGBT电力电子开关器件，A相桥臂的4只IGBT开关器件为S_a1、S_a2、S_a3、S_a4，B相桥臂的4只IGBT开关器件为S_b1、S_b2、S_b3、S_b4，C相桥臂的4只IGBT开关器件为S_c1、S_c2、S_c3、S_c4。

4.根据权利要求3所述的基于MSOGI-FLL的T型三电平逆变器死区误差电压补偿方法，其特征在于，A相桥臂的A点输出依次连接电感负载L_a和电阻负载R_a，B相桥臂的B点输出依次连接电感负载L_b和电阻负载R_b，C相桥臂的C点输出依次连接电感负载L_c和电阻负载R_c；电阻负载R_a、电阻负载R_b、电阻负载R_c星形连接构成交流侧中性点N。

5.根据权利要求2所述的基于MSOGI-FLL的T型三电平逆变器死区误差电压补偿方法，其特征在于，所述MSOGI-FLL模块包括并联连接的5个二阶广义积分器SOGI和一个锁频环FLL；其中，所述二阶广义积分器SOGI用于对两相静止坐标系的测量电流进行滤波处理；所述锁频环FLL用于对两相静止坐标系的测量电流进行锁频处理。

6.根据权利要求5所述的基于MSOGI-FLL的T型三电平逆变器死区误差电压补偿方法，其特征在于：所述二阶广义积分器SOGI的传递函数为：

式中，SOGI(s)为二阶广义积分器的传递函数表达式，s为拉普拉斯变换算子，ω'为基波电流频率，k为阻尼系数，i为逆变器输出电流，i'为基波电流，ε_i为估计误差；

所述锁频环FLL的传递函数为：

ω′＝-Γ·∫ε_f(t)dt+ω₀ (2)

式中，t为时间；-Γ为积分器负增益；ω₀为基准频率；ε_f为ε_i与qi'的乘积，qi'为基波电流的正交分量。

7.根据权利要求2所述的基于MSOGI-FLL的T型三电平逆变器死区误差电压补偿方法，其特征在于，检测的三相输出电流为i_a、i_b、i_c，由检测的三相输出电流i_a、i_b、i_c获取三相测量电流分别为i_am、i_bm、i_cm，通过CLARK变换模块将三相静止坐标系的三相测量电流i_am、i_bm、i_cm变换到两相静止坐标系的测量电流i_αm、i_βm；通过MSOGI-FLL模块对i_αm、i_βm进行锁频并滤除谐波和高频噪声，获得基波电流信号i_α1'、i_β1'；通过CLARK反变换模块将两相静止坐标系的基波电流信号i_α1'、i_β1'变换为含有准确电流极性信息的三相电流给定信号i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*；三相电流给定信号i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*、死区误差电压平均值Δu和三相电压调制波u_a ^*、u_b ^*、u_c ^*同时输入调制波调整模块，获得幅值调整后的电压调制波u_a'、u_b'、u_c'，对死区误差电压进行补偿；u_a'、u_b'、u_c'在调制及死区产生模块中与正极性三角波Z_up和负极性三角波Z_lo比较并加入相应的死区时间，最终获得驱动T型三电平逆变器IGBT的12路驱动信号。

8.根据权利要求7所述的基于MSOGI-FLL的T型三电平逆变器死区误差电压补偿方法，其特征在于，通过CLARK变换模块将三相静止坐标系的三相测量电流i_am、i_bm、i_cm变换到两相静止坐标系的测量电流i_αm、i_βm的表达式为：

9.根据权利要求7所述的基于MSOGI-FLL的T型三电平逆变器死区误差电压补偿方法，其特征在于，通过CLARK反变换模块将两相静止坐标系的基波电流信号i_α1'、i_β1'变换为含有准确电流极性信息的三相电流给定信号i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*的表达式为：

10.根据权利要求7所述的基于MSOGI-FLL的T型三电平逆变器死区误差电压补偿方法，其特征在于，调制波调整模块获得电压调制波u_a'、u_b'、u_c'的表达式为：