CN109039134A - 风力发电机变流器逆变级死区时间补偿方法 - Google Patents

风力发电机变流器逆变级死区时间补偿方法 Download PDF

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Abstract

风力发电机变流器逆变级死区时间补偿方法，包括以下步骤：(1)根据期望输出电压uis和零序电压uos确定调制电压uio；(2)加入死区之后，将实际输出电压取调制电压uio，求出开关实际导通时间也即i相实际输出正脉冲的时间Ti'；(3)根据开关实际导通时间与开关周期TS，得到逆变级三相上桥臂实际的占空比di。采用本发明方法，在增加少量硬件的情况下，能够克服变换器死区效益，输出电压、电流质量可明显改善，对精准控制风机输出电压基波幅值、减小谐波畸变率方面有显著效果。

Description

风力发电机变流器逆变级死区时间补偿方法
技术领域
本发明涉及风机设计控制领域，具体是涉及一种风力发电机变流器逆变级死区时间补偿方法。
背景技术
近几年，随着大规模开发风力发电，我国已经成为全球风电装机容量第一大国。风机作为风电场建设的最重要组成部分，不仅关系风场的安全可靠运行，还影响风场的投资回报。风机双级矩阵变换器变频控制在工程实现中，由于双级矩阵变换器的逆变级要保证和整流级的同步，在一个整流级调制周期中逆变级必须分两段调制，使得在实施空间矢量调制过程中，逆变级要插入大量的死区，这样不可避免的造成输出电压损失，输出电流畸变。同时，基于空间矢量调制的死区补偿一般没有考虑半导体器件的管压降；在一些边界位置，也很难补偿死区引起的误差电压矢量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种风力发电机变流器逆变级死区时间补偿方法，能够克服变换器死区效益，输出电压、电流质量可明显改善，对精准控制风机输出电压基波幅值、减小谐波畸变率方面有显著效果。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种风力发电机变流器逆变级死区时间补偿方法，包括以下步骤：
(1)根据期望输出电压uis和零序电压uos确定调制电压uio；
(2)加入死区之后，将实际输出电压取调制电压uio，求出开关实际导通时间也即i相实际输出正脉冲的时间Ti'；
(3)根据开关实际导通时间与开关周期TS，得到逆变级三相上桥臂实际的占空比di。
进一步，步骤(1)中，根据期望输出电压uis和零序电压uos确定调制电压uio的具体方法如下：
根据式(1)得到调制电压uio，
uio＝uis-uos (1)；
其中，uio为输出a、b、c三相的调制电压，uis为期望输出电压，uos为零序电压，取零序电压为零。
进一步，步骤(2)中，求出开关实际导通时间也即i相实际输出正脉冲的时间Ti'的具体方法如下：
当i相电流为正向时，上管断开电流经下桥臂并联二极管续流，二极管导通压降ud，求得i相输出电压uio为
uio＝-udc/2-ud (2)；
其中，udc为整流级输出电压周期平均值；
当上管经过死区时间Td和开通延时时间Ton后导通，电流经上管流向负载，上管的导通压降uce，求得i相输出电压uio为：
uio＝udc/2-uce (3)；
其中，udc为整流级输出电压周期平均值；
此时，对i相实际输出正脉冲的时间Ti'为：
Ti'＝Ti-(Td+Ton-Toff) (4)；
其中，Ti为i相理论输出正脉冲的时间，Td为死区时间，Ton为开通延时时间，Toff为关断延时时间；
当i相电流为反向时，下管导通i相输出电压uio为：
uio＝-udc/2+uce (5)；
其中，udc为整流级输出电压周期平均值；
当下管经过关断延时时间Toff后关断，电流经上桥臂并联二极管续流，二极管的导通压降ud，求得i相输出电压uio为：
uio＝udc/2+ud (6)；
其中，udc为整流级输出电压周期平均值；
此时，对i相实际输出正脉冲的时间Ti'为：
Ti'＝Ti+(Td+Ton-Toff) (6)；
其中，Ti为i相理论输出正脉冲的时间，Td为死区时间，Ton为开通延时时间，Toff为关断延时时间。
利用电压伏秒面积相等，联立式(3)和式(4)，式(6)和式(7)；引入符号sgn(ii)，当i相电流为正向时，sgn(ii)＝1，反向时，sgn(ii)＝-1，求得实际输出电压为：
uio＝(udc-uce+ud)(Ti'/Ts-1/2)-sgn(ii)(uce+ud)/2 (8)；
由式(8)得到开关周期Ts内，i相实际输出正脉冲的时间Ti'为：
Ti'＝Ts(uao+0.5*sgn(ii)(uce+ud))/(udc-uce+ud)+0.5Ts (9)。
进一步，步骤(3)中，得到逆变级三相上桥臂实际的占空比di的具体方法如下：
将开关实际导通时间除以开关周期Ts，即得到逆变级三相上桥臂实际的占空比di为：
载波调制的基本原理是：将希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形(PWM为脉宽调制)。载波调制的核心是载波和调制波的生成。本发明提出的用于死区补偿的载波调制和传统的载波调制不同，它借助的是载波调制的原理，但采取的是另外一种实施方法：首先根据期望输出电压和调制电压之间的关系求出调制电压，再根据实际输出电压与开关理想导通时间的关系式确定所需施加的占空比。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
采用本发明方法，在增加少量硬件的情况下，能够克服变换器死区效益，输出电压、电流质量可明显改善，对精准控制风机输出电压基波幅值、减小谐波畸变率方面有显著效果。
附图说明
图1为风力发电机变频器拓扑结构示意图
图2为输出频率10Hz下为补偿前输出线电压、电流波形
图3为输出频率10Hz下补偿后输出电压、电流波形。
图4为输出频率10Hz下补偿前输出电压FFT分析结果
图5为输出频率10Hz下补偿后输出电压FFT分析结果。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
本实施例包括以下步骤：
(1)确定调制电压uio
在图1中，根据基尔霍夫电压定理，可得方程
uio＝uis-uos，i∈{a,b,c} (1)；
其中o点电势是虚拟的直流电压中点电势，s点电势为输出三相负载的中性点，uio为输出a、b、c三相的调制电压(调制波)，uis为期望输出电压，uos为零序电压(偏置电压)，物理上为o点和s点的电势差。
从式(1)可知，调制电压uio由期望输出电压uis和零序电压uos相减而成，因此，调制电压uio由选取的零序电压uos和期望输出电压uis决定，取零序电压uos为零。
(2)确定逆变级三相上桥臂实际的占空比di
加入死区之后，将实际输出电压取前面提到的调制电压uio，然后根据关系式求出开关实际导通时间也即i相实际输出正脉冲的时间Ti'，然后再将开关实际导通时间除以开关周期即得到逆变级三相上桥臂实际的占空比di。
假设此时整流级一个开关周期为TS，直流电压由两个线电压成，持续的时间分别为dγ1Ts和dσ1Ts，整流级输出电压周期平均值为udc。分析此时逆变级i相输出电压，按i相电流方向从桥臂流向负载(正向)和电流从负载流向桥臂(反向)的两种情况来分析。
i相电流为正向时，上管断开电流经下桥臂并联二极管续流，由于二极管导通压降ud，使得i相输出电压uio为
uio＝-udc/2-ud (2)；
当上管经过死区时间Td和开通延时时间Ton后导通，电流经上管流向负载，此时由于上管的导通压降uce，使得i相输出电压uio为：
uio＝udc/2-uce (3)；
此时，对i相实际输出正脉冲的时间Ti'为：
Ti'＝Ti-(Td+Ton-Toff) (4)；
其中，Ti为i相理论输出正脉冲的时间，Td为死区时间，Ton为开通延时时间，Toff为关断延时时间。
按照同样的分析方法，可以求得i相电流为反向时，下管导通i相输出电压uio为：
uio＝-udc/2+uce (5)；
当下管经过关断延时时间Toff后关断，电流经上桥臂并联二极管续流，此时由于二极管的导通压降ud，使得i相输出电压uio为：
uio＝udc/2+ud (6)；
此时，对i相实际输出正脉冲的时间Ti'为：
Ti'＝Ti+(Td+Ton-Toff) (7)；
其中，Ti为i相理论输出正脉冲的时间，Td为死区时间，Ton为开通延时时间，Toff为关断延时时间。
利用电压伏秒面积相等，联立式(3)和式(4)，式(6)和式(7)；引入符号sgn(ii)，当i相电流为正向时，sgn(ii)＝1，反向时，sgn(ii)＝-1，得实际输出电压为：
uio＝(udc-uce+ud)(Ti'/Ts-1/2)-sgn(ii)(uce+ud)/2 (8)；
由式(8)得到开关周期Ts内，i相实际输出正脉冲的时间Ti'为：
Ti'＝Ts(uao+0.5*sgn(ii)(uce+ud))/(udc-uce+ud)+0.5Ts (9)；
一个开关周期Ts内，逆变级三相上桥臂实际的占空比di可表示如下：
ii表示a相或b相或c相的电流，由式(10)可知，逆变级三相上桥臂实际的占空比与电流ii的方向、死区时间Td、开通延时时间Ton、关断延时时间Toff、开关周期TS、开关管导通压降uce、直流电压udc(即整流级输出电压周期平均值)、二极管导通压降ud有关。这些参数中，电流ii的方向需要实时测量，死区时间Td和开关周期TS根据需要人为确定，其它参数与器件本身特性相关。
在实际实施过程中，直流电压udc的大小可以通过实时检测得到，这样相比于不加死区补偿的变频器控制系统，死区补偿方案在硬件上只多了输出电流方向判断电路。
采用本发明方法，在增加少量硬件的情况下，克服了变换器死区效益，输出电压、电流质量可明显改善，对精准控制风机输出电压基波幅值、减小谐波畸变率方面有显著效果。
参照图2-5，试验结果表明：输入三相电压线电压有效值为140V，调制系数为0.5，调制频率为5KHz，输出频率为10Hz，死区设置时间为6.0us，载波形状采用的是等腰三角形方式，零序电压取0，输出电压基波幅值从补偿前的57.45V增大到补偿后的65.69V，谐波畸变率THD从60.38％下降到45.96％，输出电流基波幅值从补偿前的1.136A增大到补偿后的1.787A，谐波畸变率THD从10.74％下降到2.93％，5次、7次谐波含有率分别从9.07％、4.50％下降到0.18％、0.81％。从以上FFT分析以及从图中电流波形的直观效果可以看出，本发明提出的风力发电机双级矩阵变换变流器逆变级死区时间补偿方法能有效改善输出电流质量，适合工程应用。
本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种风力发电机变流器逆变级死区时间补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据期望输出电压uis和零序电压uos确定调制电压uio；
(2)加入死区之后，将实际输出电压取调制电压uio，求出开关实际导通时间也即i相实际输出正脉冲的时间Ti'；
(3)根据开关实际导通时间与开关周期TS，得到逆变级三相上桥臂实际的占空比di。
2.如权利要求1所述的风力发电机变流器逆变级死区时间补偿方法，其特征在于：步骤(1)中，根据期望输出电压uis和零序电压uos确定调制电压uio的具体方法如下：
根据式(1)得到调制电压uio，
uio＝uis-uos (1)；
其中，uio为输出a、b、c三相的调制电压，uis为期望输出电压，uos为零序电压，取零序电压为零。
3.如权利要求1所述的风力发电机变流器逆变级死区时间补偿方法，其特征在于：步骤(2)中，求出开关实际导通时间也即i相实际输出正脉冲的时间Ti'的具体方法如下：
当i相电流为正向时，上管断开电流经下桥臂并联二极管续流，二极管导通压降ud，求得i相输出电压uio为
uio＝-udc/2-ud (2)；
其中，udc为整流级输出电压周期平均值；
当上管经过死区时间Td和开通延时时间Ton后导通，电流经上管流向负载，上管的导通压降uce，求得i相输出电压uio为：
uio＝udc/2-uce (3)；
其中，udc为整流级输出电压周期平均值；
此时，对i相实际输出正脉冲的时间Ti'为：
Ti'＝Ti-(Td+Ton-Toff) (4)；
其中，Ti为i相理论输出正脉冲的时间，Td为死区时间，Ton为开通延时时间，Toff为关断延时时间；
当i相电流为反向时，下管导通i相输出电压uio为：
uio＝-udc/2+uce (5)；
其中，udc为整流级输出电压周期平均值；
当下管经过关断延时时间Toff后关断，电流经上桥臂并联二极管续流，二极管的导通压降ud，求得i相输出电压uio为：
uio＝udc/2+ud (6)；
其中，udc为整流级输出电压周期平均值；
此时，对i相实际输出正脉冲的时间Ti'为：
Ti'＝Ti+(Td+Ton-Toff) (6)；
其中，Ti为i相理论输出正脉冲的时间，Td为死区时间，Ton为开通延时时间，Toff为关断延时时间。
利用电压伏秒面积相等，联立式(3)和式(4)，式(6)和式(7)；引入符号sgn(ii)，当i相电流为正向时，sgn(ii)＝1，反向时，sgn(ii)＝-1，求得实际输出电压为：
uio＝(udc-uce+ud)(Ti'/Ts-1/2)-sgn(ii)(uce+ud)/2 (8)；
由式(8)得到开关周期Ts内，i相实际输出正脉冲的时间Ti'为：
Ti'＝Ts(uao+0.5*sgn(ii)(uce+ud))/(udc-uce+ud)+0.5Ts (9)。
4.如权利要求1所述的风力发电机变流器逆变级死区时间补偿方法，其特征在于：步骤(3)中，得到逆变级三相上桥臂实际的占空比di的具体方法如下：
将开关实际导通时间除以开关周期Ts，即得到逆变级三相上桥臂实际的占空比di为：
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN101409507A (zh) * 2008-08-05 2009-04-15 中南大学 基于载波调制的双级矩阵变换器的死区补偿方法及其装置
CN103715913A (zh) * 2013-12-25 2014-04-09 西安理工大学 适用于双级矩阵变换器整流级的混合式换流方法

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