CN111628637B - 一种高频软开关三相逆变器安全动态切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频软开关三相逆变器安全动态切换方法。当软开关三相逆变器的负载由轻变重时，通过本发明的控制方法，一方面，可限制电压参考矢量幅值，另一方面，在切换时刻先进行降低开关频率处理，再升高开关频率至额定开关频率，可以确保高频情况下软开关三相逆变器的安全切换。本发明解决了软开关三相逆变器负载切换时由于零电压开通无法实现，主开关管上的电压经由寄生电感在辅助开关管上产生很高的电压应力的问题，本方法不需增加额外电路，有利于拓宽软开关三相逆变器在高频条件下的应用范围，确保安全稳定地进行动态切换。

Description

一种高频软开关三相逆变器安全动态切换方法

技术领域

本发明涉及逆变器控制领域，尤其涉及一种高频软开关三相逆变器安全动态切换方法。

背景技术

传统的零电压开关三相逆变器，在负载切换时输出电流调整通过电压参考矢量变化来实现，电压参考矢量的突变一方面可能导致第一次谐振阶段不完整从而无法实现零电压开通，另一方面，负载突增需要辅助开关管关断占空比相应增大，辅助开关关断占空比的增大使谐振电感电流波形上移，从而在第一次谐振时谐振电感电流能量不足导致零电压开通失效。装置高频工作条件下，寄生电感影响突出，零电压开通无法实现使主开关上残留的电压通过寄生电感在辅助开关管上产生很高的电压应力，容易损坏辅助开关管。一般的解决方案，如减小每个周期辅助开关关断占空比增大量，意味着需要减小每个周期的输出电流调整量，会减慢系统动态响应速度。

发明内容

本发明的目的是提供一种高频软开关三相逆变器安全动态切换方法，使得在负载任意切换时逆变器的零电压开通均能实现，辅助开关管上不会产生过大的电压过冲。

本发明提供了一种高频软开关三相逆变器安全动态切换方法，其控制部分包括：PLL锁相模块，dq坐标变换模块，电流调节器模块，αβ坐标变换模块，限幅模块，开关频率计算模块，SVM计算模块，d₀计算模块，开关动作时间计算模块，驱动模块；网侧电压采样值v_a、v_b、v_c输入至PLL锁相模块，输出相位角θ；PLL模块输出端分别连接到三相电压和三相电流的dq坐标变换模块；电流dq坐标变换模块输出信号为d轴输出电流i_d和q轴输出电流i_q，两个输出端分别连接到电流调节器的两个输入端，电流调节器的另外两个输入端为d轴输出电流参考值I_dref和q轴输出电流参考值I_qref；电流调节器的两个输出端分别为d轴电压参考矢量v_dref和q轴电压参考矢量v_qref，一起连接到αβ坐标变换模块输入端；αβ坐标变换模块输出端为电压参考矢量v_ref，连接到限幅模块；限幅模块输出端连接到SVM计算模块输入端；三相电压和三相电流dq坐标变换模块的d轴输出端i_d和v_d均连接到开关频率计算模块；开关频率计算模块的输出端连接到SVM计算模块和辅助开关管关断占空比d₀计算模块输入端；SVM计算模块和d₀计算模块输出端连接到开关动作时间计算模块输入端；开关动作时间计算模块输出端连接到驱动模块输入端；驱动模块输出PWM驱动波形。

电压参考矢量v_ref的限幅方法是：

使用空间矢量调制方式且当负载变重时，对所计算得到的电压参考矢量幅值进行限幅，限幅值需满足的条件为：

式中，v_ref(max)为可取的电压参考矢量的最大值，d₀为辅助开关管关断占空比，T_s为开关周期，T_r为谐振所需的时间，V_dc为直流侧电压，v_Cc为钳位电容电压，α为电压参考矢量与基本合成矢量的夹角，定义如下：

根据电压参考矢量相位θ，设定电压参考矢量相位θ在0-60°为扇区I，在60-120°为扇区II，在120-180°为扇区III，在180-240°为扇区IV，在240-300°为扇区V，在300-360°为扇区VI，则

基于上述方法，进一步提出了切换负载时对装置进行变频操作的方案：

将传统辅助开关管关断占空比d₀随输出电流d轴分量i_d变化的过程，分成了两个部分，通过降频实现输出电流d轴分量i_d调节，辅助开关管关断占空比d₀不调节，再通过升频实现辅助开关管关断占空比d₀调节，可分为以下三个阶段：

阶段一：当输出电流i_d小于设定值，即输出电流仍在调整过程中时，记录切换前的辅助开关管关断占空比为D₀’，则该阶段的辅助开关管关断占空比d₀表达式为

d₀＝D₀'

本阶段每个开关周期对应开关频率的确定方法为

式中，L_r为谐振电感感值，Z_r为谐振阻抗，v_d为网侧三相电压经dq变换后d轴上的电压，i_d为网侧三相电流经dq变换后的d轴电流。

记录阶段一结束时的开关频率为f_s’。

阶段二：当输出电流达到设定值，即输出电流调整完毕，此时辅助开关管关断占空比d₀和开关频率f_s保持阶段一结束时的状态使其达到稳定，装置在该阶段为切换过程的最低频工作。辅助开关管关断占空比d₀和开关频率f_s的表达式为

d₀＝D₀'

f_s＝f_s'

阶段三：当阶段二结束即装置低频工作稳定后，开始重新升高开关频率。开关频率的升高为缓慢进行，采用多次逐渐升高的方式，每次升高频率为Δf_s，变频后待其达到稳定，再次升高频率，直到开关频率升高到额定开关频率。

该阶段辅助开关管关断占空比d₀的增量Δd₀确定方法为：

根据每次变频增加的Δf_s，相应使d₀增大Δd₀。

当阶段三结束时，开关频率回到额定开关频率，d₀恰好为切换后额定开关频率下辅助开关管的关断占空比。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

采用本发明的负载切换方法，可以使高频软开关三相逆变器在负载切换时都能实现零电压开通，开关管电压应力降低。同时，该方案对逆变器在稳态时的工作效率无影响，对负载切换时输出电流的调节速度无影响，且不需要增加额外的硬件设施，有利于三相软开关逆变器提高工作的安全性。

附图说明

图1为三相软开关逆变器电路拓扑(含寄生电感)。

图2为三相软开关逆变器动态切换方法的控制框图。

图3为三相软开关逆变器传统负载切换时关键波形图。

图4为本方法阶段一谐振电感电流波形和辅助开关电压波形示意图。

图5为本方法阶段二谐振电感电流波形和辅助开关电压波形示意图。

图6为本方法阶段三谐振电感电流波形和辅助开关电压波形示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解发明，但不以任何形式限制本发明。应当说明的是，在不脱离本发明构思的前提下，所做出的变形或改进均在本发明保护范围内。

如图1所示，为现有的一种零电压开关三相逆变器电路拓扑，对于传统零电压开关三相逆变器的控制，本发明在原控制方法的基础上进行改进，主要增加了限幅功能(限幅模块)、以及将传统辅助开关管关断占空比d₀随输出电流d轴分量i_d变化进行分阶段调控(开关开关频率计算模块)，参照图2，本发明提供的高频软开关三相逆变器安全动态切换方法，其控制部分包括：PLL锁相模块，dq坐标变换模块，电流调节器模块，αβ坐标变换模块，开关频率计算模块，SVM计算模块，d₀计算模块，开关动作时间计算模块，驱动模块；网侧电压采样值v_a、v_b、v_c输入至PLL锁相模块，输出相位角θ；PLL模块输出端分别连接到三相电压和三相电流的dq坐标变换模块；电流dq坐标变换模块输出信号为d轴输出电流i_d和q轴输出电流i_q，两个输出端分别连接到电流调节器的两个输入端，电流调节器的另外两个输入端为d轴输出电流参考值i_dref和q轴输出电流参考值i_qref；电流调节器的两个输出端分别为d轴电压参考矢量v_dref和q轴电压参考矢量v_qref，一起连接到αβ坐标变换模块输入端；αβ坐标变换模块输出端为限幅的电压参考矢量v_ref，连接到SVM计算模块输入端；三相电压和三相电流dq坐标变换模块的d轴输出端i_d和v_d均连接到开关频率计算模块；开关频率计算模块的输出端连接到SVM计算模块和辅助开关管关断占空比d₀计算模块输入端；SVM计算模块和d₀计算模块输出端连接到开关动作时间计算模块输入端；开关动作时间计算模块输出端连接到驱动模块输入端；驱动模块输出PWM驱动波形。

参照图3，为了确保切换后第一次谐振(t₁’-t₂’)可以完整发生，需满足

t₁'＝T₀'-d₀T_s-T_r＞0

式中，T₀’为负载切换后零矢量作用时间。

由此可得到对电压参考矢量需要进行限幅，限幅值为

式中，v_ref(max)为可取的电压参考矢量的最大值，d₀为辅助开关管关断占空比，T_r为谐振所需的时间，V_dc为直流侧电压，v_Cc为钳位电容电压，α的定义如下：

根据电压参考矢量相位θ，设定电压参考矢量相位θ在0-60°为扇区I，在60-120°为扇区II，在120-180°为扇区III，在180-240°为扇区IV，在240-300°为扇区V，在300-360°为扇区VI，则

对电压参考矢量限幅后，第一次谐振可以发生，是保证零电压开通实现的前提。

参照图3，传统负载切换时零电压开通不能实现的另一个主要原因为，由于需要调节的输出电流d轴分量i_d增大，如开关周期T_s不发生变化，辅助开关管关断占空比d₀按下式增大：

进而，在开关周期T_s不变的情况下，由于辅助开关管关断占空比d₀的增大，使得谐振电感电流i_Lr上升量增大，而一个开关周期内视v_Cc不变则谐振电感电流i_Lr下降量减小，引起谐振电感电流i_Lr波形总体上移，t₁’时刻谐振电感电流能量不足以实现零电压开通。

为使t₁’时刻谐振电感电流具有足够能量，本发明将传统辅助开关管关断占空比d₀随输出电流d轴分量i_d变化的过程，分成了两个部分，通过降频实现输出电流d轴分量i_d调节，辅助开关管关断占空比d₀不调节，再通过升频实现辅助开关管关断占空比d₀调节，可把切换过程分为三个阶段：

阶段一：该阶段，输出电流d轴分量i_d处于调节过程中。参照图4，图中切换开关频率前的参数用D₀和T_s表示，切换后用D₀’和T_s’表示。只通过增大开关周期T_s即降低开关频率f_s，来满足输出电流d轴分量i_d上升时的软开关条件。记录切换前的辅助开关管关断占空比为D₀’，则该阶段的辅助开关管关断占空比d₀表达式为

d₀＝D₀'

可通过下式调节装置开关频率

此时出现的情况即为图4所示的切换频率后D₀’T_s’比原来的D₀T_s大，整个开关周期T_s’也比原来的T_s大，各矢量作用时间在一个开关周期内所占的百分比不发生变化。忽略死区时间，假定v_Cc变化不大，和传统负载切换的波形相比，切换过程中谐振电感电流下降时间增长，可以使下一个周期的t₁’时刻谐振电感电流仍旧下降至临界点以下，从而保证零电压开通的实现和输出电流调节速度不变慢。

记录阶段一结束时的开关频率为f_s’。

阶段二：在本阶段开始时输出电流已调节完成，保证了系统响应速度足够快。参照图5，图中各时刻的参数均用D₀”和T_s”表示。本阶段每个周期的开关频率f_s和辅助开关管关断占空比d₀均保持不变，持续阶段一结束时的状态多个周期，确保谐振电感电流波形已稳定，此时为切换过程中的最低开关频率工作，谐振电感电流在稳定时波形不再总体上移或下降。

辅助开关管关断占空比d₀和开关频率f_s的表达式为

d₀＝D₀'

f_s＝f_s'

阶段三：本阶段的主要目标是将开关频率升高至额定开关频率，d₀恢复至额定开关频率下的值。若快速升高开关频率可能会导致d₀迅速增大而T_s迅速减小，谐振电感电流波形上升明显多于下降，出现和图3类似的情况，谐振电感电流波形整体上移，零电压开通不能实现。

本阶段采取缓慢多次升频的方法，参照图6，图中升高开关频率前的参数用D₀”’和T_s”’表示，升高后用D₀”’+ΔD₀”’和T_s”’-ΔT_s”’表示。单次升高频率为Δf_s，该值较小，对应地，使此时d₀增大Δd₀，使得d₀T_s不变，辅助开关管关断占空比d₀增大量通过以下表达式确定：

辅助开关管关断占空比d₀增大使谐振电感电流上升变多，T_s减小使谐振电感电流下降减少，因而会出现图6中切换后所示的谐振电感电流波形整体上移的情况，由于单次升高频率较小，该上升幅度较小，在t₁”’时刻谐振电感电流留有一定裕量的情况下，仍能保证谐振电感电流在t₁”’时刻的能量足够大以实现零电压开通。经过多个周期的调整后，谐振电感电流波形重新达到稳定，此时再次升高开关频率，重复上述步骤，直到开关频率升高到额定开关频率。

在该过程中，改变的仅仅为开关频率和辅助开关管关断占空比，各电压基本矢量作用时间占一个周期的百分比不变，故输出电流在本阶段不受影响。

经过上述三个阶段，切换过程彻底结束，装置将以切换后的输出电流、额定的开关频率稳定运行，期间未出现零电压开通未实现而导致辅助开关管出现电压过冲的情况。

Claims (2)

1.一种高频软开关三相逆变器安全动态切换方法，其特征在于，控制部分包括：PLL锁相模块，dq坐标变换模块，电流调节器模块，αβ坐标变换模块，限幅模块，开关频率计算模块，SVM计算模块，d₀计算模块，开关动作时间计算模块，驱动模块；网侧电压采样值v_a、v_b、v_c输入至PLL锁相模块，输出相位角θ；PLL模块输出端分别连接到三相电压和三相电流的dq坐标变换模块；电流dq坐标变换模块输出信号为d轴输出电流i_d和q轴输出电流i_q，两个输出端分别连接到电流调节器的两个输入端，电流调节器的另外两个输入端为d轴输出电流参考值I_dref和q轴输出电流参考值I_qref；电流调节器的两个输出端分别为d轴电压参考矢量v_dref和q轴电压参考矢量v_qref，一起连接到αβ坐标变换模块输入端；αβ坐标变换模块输出端为电压参考矢量v_ref，连接到限幅模块；限幅模块输出连接到SVM计算模块输入端；三相电压和三相电流dq坐标变换模块的d轴输出端i_d和v_d均连接到开关频率计算模块；开关频率计算模块的输出端连接到SVM计算模块和辅助开关管关断占空比d₀计算模块输入端；SVM计算模块和d₀计算模块输出端连接到开关动作时间计算模块输入端；开关动作时间计算模块输出端连接到驱动模块输入端；驱动模块输出PWM驱动波形；基于开关频率计算模块和d₀计算模块，将传统辅助开关管关断占空比d₀随输出电流d轴分量i_d变化的过程进行分阶段调控，通过降频实现输出电流d轴分量i_d调节，辅助开关管关断占空比d₀不调节，再通过升频实现辅助开关管关断占空比d₀调节，具体分为以下三个阶段：

阶段一：当输出电流i_d小于设定值，即输出电流仍在调整过程中时，记录切换前的辅助开关管关断占空比为D₀’，则该阶段的辅助开关管关断占空比d₀表达式为

d₀＝D₀'

本阶段每个开关周期对应开关频率的确定方法为

式中，L_r为谐振电感感值，Z_r为谐振阻抗，v_d为网侧三相电压经dq变换后d轴上的电压，i_d为网侧三相电流经dq变换后的d轴电流；

记录阶段一结束时的开关频率为f_s’；

阶段二：当输出电流达到设定值，即输出电流调整完毕，此时辅助开关管关断占空比d₀和开关频率f_s保持阶段一结束时的状态使其达到稳定，装置在该阶段为切换过程的最低开关频率工作；辅助开关管关断占空比d₀和开关频率f_s的表达式为

d₀＝D₀'

f_s＝f_s'

阶段三：当阶段二结束即装置低频工作稳定后，开始重新升高开关频率；采用多次逐渐升高的方式，每次升高频率为Δf_s，变频后待其达到稳定，再次升高频率，直到开关频率升高到额定开关频率；

该阶段辅助开关管关断占空比d₀的增量Δd₀确定方法为：

根据每次变频增加的Δf_s，相应使d₀增大Δd₀；

当阶段三结束时，开关频率回到额定开关频率，d₀恰好为切换后额定开关频率下辅助开关管的关断占空比。

2.根据权利要求1所述的一种高频软开关三相逆变器安全动态切换方法，其特征在于，限幅模块使用空间矢量调制方式，且当负载变重时，对所计算得到的电压参考矢量幅值进行限幅，限幅值需满足的条件为：

式中，v_ref(max)为可取的电压参考矢量的最大值，d₀为辅助开关管关断占空比，T_s为开关周期，T_r为谐振所需的时间，V_dc为直流侧电压，v_Cc为钳位电容电压，α为电压参考矢量与基本合成矢量的夹角，定义如下：

根据电压参考矢量相位θ，设定电压参考矢量相位θ在0-60°为扇区I，在60-120°为扇区II，在120-180°为扇区III，在180-240°为扇区IV，在240-300°为扇区V，在300-360°为扇区VI，则

Images