CN112332691A - 短时域积分电压重构方法、系统、变流装置及存储介质 - Google Patents

短时域积分电压重构方法、系统、变流装置及存储介质 Download PDF

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CN112332691A CN202011271574.4A CN202011271574A CN112332691A CN 112332691 A CN112332691 A CN 112332691A CN 202011271574 A CN202011271574 A CN 202011271574A CN 112332691 A CN112332691 A CN 112332691A
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Abstract

本发明涉及一种短时域积分电压重构方法、系统、变流装置及存储介质，其方法包括：S1、采集变流器输出侧的三相电流，并判断三相电流方向；S2、根据三相电流方向，重构各相的辅助驱动信号；S3、根据辅助驱动信号在每一个时钟内的上升沿，确定辅助开关状态；S4、根据辅助开关状态与直流母线电压通过短时域积分，得到重构输出电压。本发明很好地解决了实际重构的输出电压受死区时间和窄脉冲消除等影响与真实的输出电压产生偏差的问题，使得实际重构输出电压与真实输出电压相同。本发明适用于各种PWM方法包括SVPWM，SPWM和迟滞PWM。同时，本发明的应用范围包括三电平PWM、两电平PWM或简单修改后的多电平PWM。

Description

短时域积分电压重构方法、系统、变流装置及存储介质
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种短时域积分电压重构方法、系统、变流装置及存储介质。
背景技术
在现有技术中，采用PWM技术的逆变器的输出相电压是高频脉宽信号，难以准确测量。而实际的PWM驱动信号在输出之前还需要添加死区时间，消除窄脉冲等。死区时间的添加是为了防止上下桥臂短路。窄脉冲的消除是为了防止ICBT由于不完全打开而引起的热量积聚造成热损坏，特别是用于大功率设备。
在实际控制系统中，由于死区时间的加入和窄脉冲的消除等操作导致了实际的驱动信号与理想的驱动信号出现偏差，驱动信号的改变直接影响到输出电压的变化，使得一个周期内的等效电压并不等于施加输出等效电压。而且依靠电压矢量作用时间计算的等效电压值与其PWM方法有关。因此，传统的电压重构方法是不通用的，需要针对不同的PWM方法进行改变。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种短时域积分电压重构方法、系统、变流装置及存储介质，其解决了由于添加死区时间和窄脉冲消除等导致的实际重构的输出电压与真实的输出电压产生偏差的技术问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
第一方面，本发明实施例提供一种短时域积分电压重构方法，其包括：
S1、采集变流器输出侧的三相电流，并实时判断三相电流方向；
S2、根据所述三相电流方向，判断各相真实输出电压的电平状态变化与开关管的真实驱动信号变化的对应关系，基于所述对应关系重构各相中的辅助驱动信号；
S3、根据所述辅助驱动信号在每一个时钟内的上升沿，确定辅助开关状态；
S4、根据所述辅助开关状态与直流母线电压通过短时域积分，得到重构输出电压。
可选地，在步骤S2中，所述各相真实输出电压的电平状态变化与开关管的真实驱动信号变化的对应关系包括：
对于二电平电路，
当
Figure BDA0002777845740000021
i*≥0时，
Figure BDA0002777845740000022
的电平状态变化与
Figure BDA0002777845740000023
的真实驱动信号
Figure BDA0002777845740000024
的变化保持一致；
当
Figure BDA0002777845740000025
i*＜0时，
Figure BDA0002777845740000026
的电平状态变化与
Figure BDA0002777845740000027
的真实驱动信号
Figure BDA0002777845740000028
的反向信号
Figure BDA0002777845740000029
保持一致；
其中，
Figure BDA00027778457400000210
为各相输出节点*与负直流母线N之间的电压，*为a,b,c；
Figure BDA00027778457400000211
为各相中的第一开关管，
Figure BDA00027778457400000212
为各相中的第二开关管；
Figure BDA00027778457400000213
表示在第一开关状态1和第二开关状态0之间切换；
对于三电平电路，
当
Figure BDA00027778457400000214
i*≥0时，
Figure BDA00027778457400000215
的电平状态变化与
Figure BDA00027778457400000216
的真实驱动信号
Figure BDA00027778457400000217
的变化保持一致；
当
Figure BDA00027778457400000218
i*＜0时，
Figure BDA00027778457400000219
的电平状态变化与
Figure BDA00027778457400000220
的真实驱动信号
Figure BDA00027778457400000221
的反向信号
Figure BDA00027778457400000222
的变化保持一致；
当
Figure BDA00027778457400000223
i*≥0时，
Figure BDA00027778457400000224
的电平状态变化与
Figure BDA00027778457400000225
的真实驱动信号
Figure BDA00027778457400000226
的变化保持一致；
当
Figure BDA00027778457400000227
i*＜0时，
Figure BDA00027778457400000228
的电平状态变化与
Figure BDA00027778457400000229
的真实驱动信号
Figure BDA00027778457400000230
的反向信号
Figure BDA00027778457400000231
的变化保持一致；
其中，
Figure BDA00027778457400000232
是各相输出节点*和Z之间的真实输出电压，*为a,b,c，i*为各相的输出电流，
Figure BDA0002777845740000031
为各相中第一开关管，
Figure BDA0002777845740000032
为各相中第二开关管，
Figure BDA0002777845740000033
为各相中第三开关管，
Figure BDA0002777845740000034
为各相中第四开关管；
Figure BDA0002777845740000035
表示第四开关状态O与第三开关状态P之间切换，
Figure BDA0002777845740000036
表示第四开关状态O与第五开关状态N之间切换。
可选地，在步骤S2中，所述基于所述对应关系重构各相中的辅助驱动信号包括：
对于二电平电路，
当i*≥0，
Figure BDA0002777845740000037
当i*＜0，
Figure BDA0002777845740000038
其中，
Figure BDA0002777845740000039
为各相中的第一开关管的辅助驱动信号，
Figure BDA00027778457400000310
为各相中的第二开关管的辅助驱动信号，
Figure BDA00027778457400000311
为各相中的第一开关管的真实驱动信号，
Figure BDA00027778457400000312
为各相中的第一开关管的真实驱动信号的反向信号，
Figure BDA00027778457400000313
为各相中的第二开关管的真实驱动信号，
Figure BDA00027778457400000314
为各相中的第二开关管的真实驱动信号的反向信号；
对于三电平电路，
当i*≥0，
Figure BDA00027778457400000315
当i*＜0，
Figure BDA00027778457400000316
其中，
Figure BDA00027778457400000317
为各相中的第一开关管的辅助驱动信号，
Figure BDA00027778457400000318
为各相中的第二开关管的辅助驱动信号，
Figure BDA00027778457400000319
为各相中的第三开关管的辅助驱动信号，
Figure BDA00027778457400000320
为各相中的第四开关管的辅助驱动信号，
Figure BDA00027778457400000321
为各相中的第一开关管的真实驱动信号，
Figure BDA00027778457400000322
为各相中的第一开关管的真实驱动信号的反向信号，
Figure BDA00027778457400000323
为各相中的第二开关管的真实驱动信号，
Figure BDA00027778457400000324
为各相中的第二开关管的真实驱动信号的反向信号；
Figure BDA00027778457400000325
为各相中的第三开关管的真实驱动信号，
Figure BDA00027778457400000326
为各相中的第三开关管的真实驱动信号的反向信号，
Figure BDA00027778457400000327
为各相中的第四开关管的真实驱动信号，
Figure BDA00027778457400000328
为各相中的第四开关管的真实驱动信号的反向信号。
可选地，对于二电平电路，所述辅助开关状态包括：第一辅助开关状态
Figure BDA00027778457400000329
与第二辅助开关状态
Figure BDA00027778457400000330
当处于第一辅助开关状态
Figure BDA0002777845740000041
时，
Figure BDA0002777845740000042
导通，
Figure BDA0002777845740000043
关断，一个时钟周期内的真实输出电压
Figure BDA0002777845740000044
当处于第二辅助开关状态
Figure BDA0002777845740000045
时，
Figure BDA0002777845740000046
关断，
Figure BDA0002777845740000047
导通，一个时钟周期内的真实输出电压
Figure BDA0002777845740000048
对于三电平电路，所述辅助开关状态包括：第三辅助开关状态
Figure BDA0002777845740000049
第四辅助开关状态
Figure BDA00027778457400000410
与第五辅助开关状态
Figure BDA00027778457400000411
当处于第三辅助开关状态
Figure BDA00027778457400000412
时，
Figure BDA00027778457400000413
与
Figure BDA00027778457400000414
导通，
Figure BDA00027778457400000415
与
Figure BDA00027778457400000416
关断，一个时钟周期内的真实输出电压
Figure BDA00027778457400000417
当处于第四辅助开关状态
Figure BDA00027778457400000418
时，
Figure BDA00027778457400000419
与
Figure BDA00027778457400000420
导通，
Figure BDA00027778457400000421
与
Figure BDA00027778457400000422
关断，一个时钟周期内的真实输出电压
Figure BDA00027778457400000423
当处于第五辅助开关状态
Figure BDA00027778457400000424
时，
Figure BDA00027778457400000425
与
Figure BDA00027778457400000426
导通，
Figure BDA00027778457400000427
与
Figure BDA00027778457400000428
关断，一个时钟周期内的真实输出电压
Figure BDA00027778457400000429
其中，Vd为直流母线电压，E＝Vd/2。
可选地，对于二电平电路，重构输出电压为：
Figure BDA00027778457400000430
Figure BDA00027778457400000431
Figure BDA00027778457400000432
Figure BDA00027778457400000433
对于三电平电路，重构输出电压为：
Figure BDA00027778457400000434
Figure BDA0002777845740000051
Figure BDA0002777845740000052
Figure BDA0002777845740000053
其中，Tclk为时钟周期，Ts为一个开关周期且在同步时钟脉冲下Ts＝n×Tclk，n∈Z，
Figure BDA0002777845740000054
是一个开关周期Ts内的
Figure BDA0002777845740000055
的平均值，即为二电平电路的重构输出电压，
Figure BDA0002777845740000056
是一个开关周期Ts内的
Figure BDA0002777845740000057
的平均值，即为三电平电路的重构输出电压；Vd为直流母线电压，E为电容电压E＝Vd/2；
Figure BDA0002777845740000058
是电压矢量真实的作用时间；
Figure BDA0002777845740000059
是在二电平电路中一个开关周期Ts内实际电压的等效电压，
Figure BDA00027778457400000510
是在三电平电路中一个开关周期Ts内实际电压的等效电压；
Figure BDA00027778457400000511
为二电平电路中各相中的开关管的辅助驱动信号，
Figure BDA00027778457400000512
为三电平电路中各相中的开关管的辅助驱动信号，k为正整数；*为a,b,c。
可选地，在主控芯片中进行驱动信号的调制，所述主控芯片为FPGA。
第二方面，本发明实施例提供一种短时域积分电压重构系统，其包括：
电流采集与判断模块，用于采集三相电流并判断三相电流方向；
驱动信号重构模块，用于根据三相电流方向进行驱动信号重构；
辅助开关状态判断模块，用于根据重构的驱动信号进行辅助开关状态的判断；
短时域积分模块，用于根据所述辅助开关状态与直流母线电压，通过短时域积分得到重构输出电压。
第三方面，本发明实施例提供一种具有短时域积分电压重构功能的变流装置，其包括如上述的一种短时域积分电压重构系统以及变流器；
所述短时域积分电压重构系统用于根据电流方向、驱动信号状态以及直流母线电压进行电压重构，得到与真实输出电压相同的重构输出电压。
第四方面，本发明实施例提供一种存储介质，其上存储有计算程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的短时域积分电压重构方法。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明所提供的方法很好地解决了实际重构的输出电压受死区时间和窄脉冲消除等影响与真实的输出电压产生偏差的问题，使得实际重构的输出电压与真实的输出电压相同。同时该方法仅使用实际输出的驱动信号，电流的方向和直流母线电压进行计算。所以该方法不需要考虑调制方法，它可以普遍适用于各种PWM方法包括SVPWM，SPWM和迟滞PWM等。特别地，本发明的应用范围不局限于三电平PWM，还可应用于两电平PWM或简单修改后的多电平PWM中。
附图说明
图1为本发明提供的一种短时域积分电压重构方法的流程示意图；
图2为本发明提供的一种短时域积分电压重构方法的二电平NPC逆变器的拓扑结构；
图3为本发明提供的一种短时域积分电压重构方法的三电平NPC逆变器的拓扑结构；
图4为本发明提供的一种短时域积分电压重构方法的
Figure BDA0002777845740000061
时添加死区时间对电压的影响示意图；
图5为本发明提供的一种短时域积分电压重构方法的
Figure BDA0002777845740000062
之间切换时消除窄脉冲对电压的影响示意图；
图6为本发明提供的一种短时域积分电压重构方法的
Figure BDA0002777845740000063
时A相的驱动信号、辅助驱动信号、辅助开关状态和真实电压输出
Figure BDA0002777845740000064
的对比示意图；
图7为本发明提供的一种短时域积分电压重构方法的
Figure BDA0002777845740000065
时A相的驱动信号、辅助驱动信号、辅助开关状态和真实输出电压
Figure BDA0002777845740000071
的对比示意图；
图8为本发明提供的一种短时域积分电压重构方法的A相的真实输出电压
Figure BDA0002777845740000072
与重构输出电压
Figure BDA0002777845740000073
的关系示意图；
图9为本发明提供的一种短时域积分电压重构系统的组成示意图；
图10为本发明提供的一种短时域积分电压重构方法的原理图；
图11为本发明提供的一种短时域积分电压重构方法的与传统电压重构方法对比结果示意图；
图12本发明提供的一种短时域积分电压重构方法的实际输出电压、重构输出电压、实际驱动信号和辅助驱动信号的比较示意图。
【附图标记说明】
10：短时域积分电压重构系统；11：电流采集与判断模块；12：驱动信号重构模块；13：辅助开关状态判断模块；14：短时域积分模块。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
图1为本发明提供的一种短时域积分电压重构方法的流程图，如图1所示，本发明实施例提出的一种短时域积分电压重构方法，其包括：首先，通过采集电路采集三相电流，并实时判断三相电流的方向；其次，根据三相电流的方向，重构各相死区时间内的驱动信号；接着，根据重构的驱动信号，在每一个时钟的上升沿判断开关状态；最后，引入直流母线电压，重构输出电压。
本发明所公开的方法解决了实际重构的输出电压被动地受死区时间和窄脉冲消除等影响与真实的输出电压产生偏差的问题，使得实际重构的输出电压与真实的输出电压相同。同时该方法仅使用实际输出的驱动信号，电流的方向和直流母线电压进行计算，所以该方法不需要考虑调制方法，它可以普遍适用于各种PWM方法包括SVPWM，SPWM和迟滞PWM等。特别地，本发明的应用范围不局限于三电平PWM，还可应用于两电平PWM或简单修改后的多电平PWM中。
为了更好地理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
图2为本发明提供的一种短时域积分电压重构方法的二电平NPC逆变器的拓扑结构，如图2所示，二电平逆变器包括6个反并联二极管(D1～D6)、6个开关管
Figure BDA0002777845740000081
以及两个直流侧的电容，且这两个电容的值相等。图3为本发明提供的一种短时域积分电压重构方法的三电平NPC逆变器的拓扑结构，如图3所示，三电平逆变器包括12个反并联二极管(D1～D12)、12个开关管
Figure BDA0002777845740000082
和6个箝位二极管(DZ1～DZ6)。Cd1和Cd2为直流侧的电容，Cd1＝Cd2。直流母线的电压为Vd，电容电压E＝Vd/2。ia,ib,ic分别为变流器输出的三相电流，且设从变流器流向负载的电流为正，从负载流向变流器的电流为负。
在具体的实施例中，以二极管箝位式三电平变流器添加死区时间的A相为例，图4为本发明提供的一种短时域积分电压重构方法的
Figure BDA0002777845740000083
时添加死区时间对电压的影响示意图，如图4所示,其中，
Figure BDA0002777845740000084
和
Figure BDA0002777845740000085
分别是开关管
Figure BDA0002777845740000086
和
Figure BDA0002777845740000087
通过计算得到的理想的驱动信号。
Figure BDA0002777845740000088
和
Figure BDA0002777845740000089
是输出的真实驱动信号。
Figure BDA00027778457400000810
是理想输出电压，
Figure BDA00027778457400000811
是真实输出电压，Td是死区时间。
理想的开关管的开通和关断所需要的时间都是0，但是在实际应用中，开关管必定有开通和关断时间，所以要在切换的时候加入死区时间来防止上下桥臂直通导致的直流母线短路。由于死区时间的加入，导致了实际的驱动信号与理想的驱动信号出现偏差，驱动信号的改变直接影响到输出电压的变化。从图4下半部分可以看出，加入死区后，当ia≥0时，在一个三角波周期内，+E的电压的作用时间比理想情况下减少了Td的时间。当ia＜0时，+E电压的作用时间与理想情况下相比增加了Td的时间。同样地，三电平中P状态和O状态之间的切换与三电平中O状态和N状态之间的切换工作一样。
图5为本发明提供的一种短时域积分电压重构方法的
Figure BDA0002777845740000091
之间切换时消除窄脉冲对电压的影响示意图，如图5所示，与上述死区加入的操作类似，消除窄脉冲(NP)同样会引起实际的驱动波形与理想的驱动波形的不匹配。
具体地，本发明提供的一种短时域积分电压重构方法，其包括：
S1、采集变流器输出侧的三相电流，并实时判断三相电流方向。较佳地，本发明实施例采用高速采样芯片对变流器电流进行高精度采样。
S2、根据三相电流方向，判断各相真实输出电压的电平状态变化与开关管的真实驱动信号变化的对应关系，基于对应关系重构各相中的辅助驱动信号。
在步骤S2中，对于二电平电路，各相真实输出电压的电平状态变化与开关管的真实驱动信号变化的对应关系为：
当
Figure BDA0002777845740000092
i*≥0时，
Figure BDA0002777845740000093
的电平状态变化与
Figure BDA0002777845740000094
的真实驱动信号
Figure BDA0002777845740000095
的变化保持一致。
当
Figure BDA0002777845740000096
i*＜0时，
Figure BDA0002777845740000097
的电平状态变化与
Figure BDA0002777845740000098
的真实驱动信号
Figure BDA0002777845740000099
的反向信号
Figure BDA00027778457400000910
保持一致。
其中，
Figure BDA00027778457400000911
为各相输出节点*与负直流母线N之间的电压，*为a,b,c；
Figure BDA00027778457400000912
为各相中的第一开关管，
Figure BDA00027778457400000913
为各相中的第二开关管。
Figure BDA00027778457400000914
表示在第一开关状态1和第二开关状态0之间切换。当处于第一开关状态1时，
Figure BDA00027778457400000915
导通，
Figure BDA00027778457400000916
关断；当处于第二开关状态0时，
Figure BDA00027778457400000917
关断，
Figure BDA00027778457400000918
导通。
在步骤S2中，对于二电平电路，基于对应关系重构各相中的辅助驱动信号为：
当i*≥0，
Figure BDA0002777845740000101
当i*＜0，
Figure BDA0002777845740000102
其中，
Figure BDA0002777845740000103
为各相中的第一开关管的辅助驱动信号，
Figure BDA0002777845740000104
为各相中的第二开关管的辅助驱动信号，
Figure BDA0002777845740000105
为各相中的第一开关管的真实驱动信号，
Figure BDA0002777845740000106
为各相中的第一开关管的真实驱动信号的反向信号，
Figure BDA0002777845740000107
为各相中的第二开关管的真实驱动信号，
Figure BDA0002777845740000108
为各相中的第二开关管的真实驱动信号的反向信号。
本发明应用于两电平电路时，表1应用于两电平不同电流方向下对应的重构的辅助驱动信号表为，如表1所示，表示了电流方向与重构的辅助驱动信号的对应关系。
表1
Figure BDA0002777845740000109
在步骤S2中，对于三电平电路，各相真实输出电压的电平状态变化与开关管的真实驱动信号变化的对应关系为：
当
Figure BDA00027778457400001010
i*≥0时，
Figure BDA00027778457400001011
的电平状态变化与
Figure BDA00027778457400001012
的真实驱动信号
Figure BDA00027778457400001013
的变化保持一致。
当
Figure BDA00027778457400001014
i*＜0时，
Figure BDA00027778457400001015
的电平状态变化与
Figure BDA00027778457400001016
的真实驱动信号
Figure BDA00027778457400001017
的反向信号
Figure BDA00027778457400001018
的变化保持一致。
当
Figure BDA00027778457400001019
i*≥0时，
Figure BDA00027778457400001020
的电平状态变化与
Figure BDA00027778457400001021
的真实驱动信号
Figure BDA00027778457400001022
的变化保持一致。
当
Figure BDA00027778457400001023
i*＜0时，
Figure BDA00027778457400001024
的电平状态变化与
Figure BDA00027778457400001025
的真实驱动信号
Figure BDA00027778457400001026
的反向信号
Figure BDA00027778457400001027
的变化保持一致。
其中，
Figure BDA00027778457400001028
是各相输出节点*和Z之间的真实输出电压，*为a,b,c，i*为各相的输出电流，
Figure BDA0002777845740000111
为各相中第一开关管，
Figure BDA0002777845740000112
为各相中第二开关管，
Figure BDA0002777845740000113
为各相中第三开关管，
Figure BDA0002777845740000114
为各相中第四开关管
Figure BDA0002777845740000115
表示第四开关状态O与第三开关状态P之间切换，
Figure BDA0002777845740000116
表示第四开关状态O与第五开关状态N之间切换。
在步骤S2中，对于三电平电路，基于对应关系重构各相中的辅助驱动信号为：
当i*≥0，
Figure BDA0002777845740000117
当i*＜0，
Figure BDA0002777845740000118
其中，
Figure BDA0002777845740000119
为各相中的第一开关管的辅助驱动信号，
Figure BDA00027778457400001110
为各相中的第二开关管的辅助驱动信号，
Figure BDA00027778457400001111
为各相中的第三开关管的辅助驱动信号，
Figure BDA00027778457400001112
为各相中的第四开关管的辅助驱动信号，
Figure BDA00027778457400001113
为各相中的第一开关管的真实驱动信号，
Figure BDA00027778457400001114
为各相中的第一开关管的真实驱动信号的反向信号，
Figure BDA00027778457400001115
为各相中的第二开关管的真实驱动信号，
Figure BDA00027778457400001116
为各相中的第二开关管的真实驱动信号的反向信号；
Figure BDA00027778457400001117
为各相中的第三开关管的真实驱动信号，
Figure BDA00027778457400001118
为各相中的第三开关管的真实驱动信号的反向信号，
Figure BDA00027778457400001119
为各相中的第四开关管的真实驱动信号，
Figure BDA00027778457400001120
为各相中的第四开关管的真实驱动信号的反向信号。
具体地，表2为应用于三电平不同电流方向下对应的重构的辅助驱动信号表，如表2所示，表示了电流方向与重构的辅助驱动信号的对应关系。
表2
Figure BDA00027778457400001121
而当理想的驱动信号加入死区时间后，图6为本发明提供的一种短时域积分电压重构方法的
Figure BDA0002777845740000121
时A相的驱动信号、辅助驱动信号、辅助开关状态和真实输出电压
Figure BDA0002777845740000122
的对比示意图，其中Ts是开关周期；
Figure BDA0002777845740000123
是电压矢量真实的作用时间；Tclk是时钟周期，
Figure BDA0002777845740000124
是输出的真实的驱动信号；
Figure BDA0002777845740000125
是重构的辅助驱动信号反映真实的相电压电平状态；
Figure BDA0002777845740000126
是一个时钟周期内的A相的真实输出电压。
由图6可知，当ia≥0时，在死区时间内的真实输出电压
Figure BDA0002777845740000127
为0；当ia＜0时，在死区时间内的真实输出电压
Figure BDA0002777845740000128
为+E。当ia≥0时，
Figure BDA0002777845740000129
的电平状态变化与
Figure BDA00027778457400001210
真实的驱动信号
Figure BDA00027778457400001211
的变化保持一致；当ia＜0时，
Figure BDA00027778457400001212
的电平状态变化与
Figure BDA00027778457400001213
真实的驱动信号
Figure BDA00027778457400001214
反向后的信号
Figure BDA00027778457400001215
变化一致。
图7为本发明提供的一种短时域积分电压重构方法的
Figure BDA00027778457400001216
时A相的驱动信号、辅助驱动信号、辅助开关状态和真实输出电压
Figure BDA00027778457400001217
的对比示意图，由图7可知，当ia≥0时，在死区时间内的真实输出电压为-E；当ia＜0时，在死区时间内的真实输出电压为0。由此可知，在一个载波周期内，由于死区时间的加入，其输出电压的大小与相电流的方向有关。当ia≥0时，
Figure BDA00027778457400001218
的电平状态变化与
Figure BDA00027778457400001219
真实的驱动信号
Figure BDA00027778457400001220
的变化保持一致；当ia＜0时，
Figure BDA00027778457400001221
的电平状态变化与
Figure BDA00027778457400001222
真实的驱动信号
Figure BDA00027778457400001223
反向后的信号
Figure BDA00027778457400001224
变化一致。
因此，虽然加入了死区，但是根据相电流方向仍然可以找到真正反映输出端电压电平状态的辅助驱动信号来重构相电压。
S3、根据辅助驱动信号在每一个时钟内的上升沿，确定辅助开关状态。由于重构的辅助驱动信号反映了真实的相电压电平状态，因此只需要将辅助驱动信号当作理想的驱动信号来处理。根据在每一个时钟的上升沿判断辅助开关状态。一旦开关状态确定了，同时输出电压也就确定了。
表3为二电平电路的辅助开关状态对应的真实输出电压表，如表3所示，对于二电平电路，辅助开关状态包括：第一辅助开关状态
Figure BDA00027778457400001225
与第二辅助开关状态
Figure BDA0002777845740000131
当处于第一辅助开关状态
Figure BDA0002777845740000132
时，
Figure BDA0002777845740000133
导通，
Figure BDA0002777845740000134
关断，一个时钟周期内的真实输出电压
Figure BDA0002777845740000135
当处于第二辅助开关状态
Figure BDA0002777845740000136
时，
Figure BDA0002777845740000137
关断，
Figure BDA0002777845740000138
导通，一个时钟周期内的真实输出电压
Figure BDA0002777845740000139
表3
Figure BDA00027778457400001310
同时，表4为三电平电路的辅助开关状态对应的真实输出电压表，如表4所示，显示了重构的辅助开关状态与真实输出电压的对应关系。
对于三电平电路，辅助开关状态包括：第三辅助开关状态
Figure BDA00027778457400001311
第四辅助开关状态
Figure BDA00027778457400001312
第五辅助开关状态
Figure BDA00027778457400001313
当处于第三辅助开关状态
Figure BDA00027778457400001314
时，
Figure BDA00027778457400001315
与
Figure BDA00027778457400001316
导通，
Figure BDA00027778457400001317
与
Figure BDA00027778457400001318
关断，一个时钟周期内的真实输出电压
Figure BDA00027778457400001319
当处于第四辅助开关状态
Figure BDA00027778457400001320
时，
Figure BDA00027778457400001321
与
Figure BDA00027778457400001322
导通，
Figure BDA00027778457400001323
与
Figure BDA00027778457400001324
关断，一个时钟周期内的真实输出电压
Figure BDA00027778457400001325
当处于第五辅助开关状态
Figure BDA00027778457400001326
时，
Figure BDA00027778457400001327
与
Figure BDA00027778457400001328
导通，
Figure BDA00027778457400001329
与
Figure BDA00027778457400001330
关断，一个时钟周期内的真实输出电压
Figure BDA00027778457400001331
其中，Vd为直流母线电压，E＝Vd/2。
表4
Figure BDA00027778457400001332
S4、根据辅助开关状态与直流母线电压通过短时域积分，得到重构输出电压。
进一步地，对于二电平电路，重构输出电压为：
Figure BDA0002777845740000141
Figure BDA0002777845740000142
Figure BDA0002777845740000143
Figure BDA0002777845740000144
对于三电平电路，重构输出电压为：
Figure BDA0002777845740000145
Figure BDA0002777845740000146
Figure BDA0002777845740000147
Figure BDA0002777845740000148
其中，Tclk为时钟周期，Ts为一个开关周期且在同步时钟脉冲下Ts＝n×Tclk，n∈Z，
Figure BDA0002777845740000149
是一个开关周期Ts内的
Figure BDA00027778457400001410
的平均值，即为二电平电路的重构输出电压，
Figure BDA00027778457400001411
是一个开关周期Ts内的
Figure BDA00027778457400001412
的平均值，即为三电平电路的重构输出电压；Vd为直流母线电压，E为电容电压E＝Vd/2；
Figure BDA0002777845740000151
是电压矢量真实的作用时间；
Figure BDA0002777845740000152
是在二电平电路中一个开关周期Ts内实际电压的等效电压，
Figure BDA0002777845740000153
是在三电平电路中一个开关周期Ts内实际电压的等效电压；
Figure BDA0002777845740000154
为二电平电路中各相中的开关管的辅助驱动信号，
Figure BDA0002777845740000155
为三电平电路中各相中的开关管的辅助驱动信号，k为正整数；*为a,b,c。
图8为本发明提供的一种短时域积分电压重构方法的A相的真实输出电压
Figure BDA0002777845740000156
与重构输出电压
Figure BDA0002777845740000157
的关系示意图，如图8所示，表示了在一个基波周期内A相的真实输出电压
Figure BDA0002777845740000158
与重构输出电压
Figure BDA0002777845740000159
的关系。
更进一步地，由于时钟周期Tclk非常小，在一个时钟周期Tclk内直流母线的电压Vd被视为常数，所以计算的积分平均值可以使用简单的乘法或累加来实现。
并且，本发明在主控芯片中进行驱动信号的调制，主控芯片为FPGA。本发明不需要片外的高频硬件电压检测电路的，因为所用到的驱动信号是FPGA中的内部信号，可以在FPGA中对硬件电路进行编程来轻松实现。
此外，本发明还提供一种短时域积分电压重构系统、一种具有短时域积分电压重构功能的变流装置及一种存储介质。
图9为本发明提供的一种短时域积分电压重构系统的组成示意图，如图9所示，一种短时域积分电压重构系统10包括：电流采集与判断模块11，用于采集三相电流并判断三相电流方向；驱动信号重构模块12，用于根据三相电流方向进行驱动信号重建；辅助开关状态判断模块13，用于根据重建的驱动信号进行辅助开关状态的判断；短时域积分模块14，用于根据辅助开关状态与直流母线电压，通过短时域积分得到重建输出电压。
一种具有短时域积分电压重构功能的变流装置包括上述的短时域积分电压重构系统以及变流器，变流器为逆变器或整流器或变频器。短时域积分电压重构系统用于根据变流器输出侧的电流方向、驱动信号状态以及直流母线电压进行电压重构，得到与真实输出电压相同的重构输出电压。
一种存储介质，其上存储有计算程序，包括计算机程序被处理器执行时，实现上述的短时域积分电压重构方法。
综上所述，本发明提出了一种短时域积分电压重构方法、系统、变流装置及存储介质。图10为本发明提供的一种短时域积分电压重构方法的原理图，如图10所示，本发明首先采集并判断每个时钟周期内的电流的方向，之后依据电流方向在内部芯片中进行驱动信号的重建，再产生对应的辅助开关状态，最后通过短时域积分结合直流母线电压来重构输出电压。
本发明有效解决了实际重构的输出电压被动地受死区时间和窄脉冲消除等影响与真实输出电压产生偏差的问题，使得实际重构的输出电压与真实输出电压相同。同时因为采用FPGA芯片来进行驱动信号的调制，因此不需要片外的高频硬件电压检测电路，且可以普遍适用于各种PWM方法包括SVPWM，SPWM和迟滞PWM等。值得一提的是，该方法可应用于两电平PWM、三电平PWM以及简单修改后的多电平PWM中。
图11为本发明提供的一种短时域积分电压重构方法的与传统电压重构方法对比结果示意图，其中ΔT为理想作用时间与实际作用做时间的差值，他是由死区时间、窄脉冲时间等引起的。
Figure BDA0002777845740000161
为传统的长积分电压重构方法(LHIVR)重构的电压值
Figure BDA0002777845740000162
与提出的短时域积分电压重构方法(SHIVR)的重构电压
Figure BDA0002777845740000163
之间的误差值。如图11所示，通过对比可知，本发明所提供的方法通过相电流方向，重构了一个开关周期Ts内每一个时钟周期的开关状态，进而计算出一个开关周期Ts的真实输出电压，而原有的方法受限于芯片的串行计算机理，只能每一个开关周期Ts计算一次，近似的估计出整个开关周期Ts的电压状态。区别在于，受ΔT的影响，原有的方法偏离了实际的输出电压，而本发明提出的方法很大程度上跟踪了实际输出电压。
图12本发明提供的一种短时域积分电压重构方法的实际输出电压、重构输出电压、实际驱动信号和辅助驱动信号的比较示意图，图12给出了实际输出电压、重构输出电压、实际驱动信号和辅助驱动信号。由于受死区时间，窄脉冲消除等的影响，实际输出的驱动信号与理想的驱动信号存在明显不同。通过本发明提出的方法重构的辅助驱动信号可以很好地反映实际输出电压。因此，使用电流方向，辅助驱动信号和辅助开关状态重构的电压与实际输出电压一致，验证了提出的电压重构方法的有效性。值得一提的是，SHIVR方法在无需了解矢量作用时间的情况下就能够简单地实现。所以关于在PWM方法添加死区时间还是消除窄脉冲等都不会影响最后的计算结果。但是，传统的LHIVR方法必须知道上述详细信息才能完成计算。即使将仿真中的SVPWM替换为SPWM或其他PWM，也无需更改SHIVR方法。
由于本发明上述实施例所描述的系统/装置，为实施本发明上述实施例的方法所采用的系统/装置，故而基于本发明上述实施例所描述的方法，本领域所属技术人员能够了解该系统/装置的具体结构及变形，因而在此不再赘述。凡是本发明上述实施例的方法所采用的系统/装置都属于本发明所欲保护的范围。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例，或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。
应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件来具体体现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。
此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。

Claims (9)

1.一种短时域积分电压重构方法，其特征在于，包括：
S1、采集变流器输出侧的三相电流，并实时判断三相电流方向；
S2、根据所述三相电流方向，判断各相真实输出电压的电平状态变化与开关管的真实驱动信号变化的对应关系，基于所述对应关系重构各相中的辅助驱动信号；
S3、根据所述辅助驱动信号在每一个时钟内的上升沿，确定辅助开关状态；
S4、根据所述辅助开关状态与直流母线电压通过短时域积分，得到重构输出电压。
2.如权利要求1所述的一种短时域积分电压重构方法，其特征在于，在步骤S2中，所述各相真实输出电压的电平状态变化与开关管的真实驱动信号变化的对应关系包括：
对于二电平电路，
当
Figure FDA0002777845730000011
i*≥0时，
Figure FDA0002777845730000012
的电平状态变化与
Figure FDA0002777845730000013
的真实驱动信号
Figure FDA0002777845730000014
的变化保持一致；
当
Figure FDA0002777845730000015
i*＜0时，
Figure FDA0002777845730000016
的电平状态变化与
Figure FDA0002777845730000017
的真实驱动信号
Figure FDA0002777845730000018
的反向信号
Figure FDA0002777845730000019
保持一致；
其中，
Figure FDA00027778457300000110
为各相输出节点*与负直流母线N之间的电压，*为a,b,c；
Figure FDA00027778457300000111
为各相中的第一开关管，
Figure FDA00027778457300000112
为各相中的第二开关管；
Figure FDA00027778457300000113
表示在第一开关状态1和第二开关状态0之间切换；
对于三电平电路，
当
Figure FDA00027778457300000114
i*≥0时，
Figure FDA00027778457300000115
的电平状态变化与
Figure FDA00027778457300000116
的真实驱动信号
Figure FDA00027778457300000117
的变化保持一致；
当
Figure FDA00027778457300000118
i*＜0时，
Figure FDA00027778457300000119
的电平状态变化与
Figure FDA00027778457300000120
的真实驱动信号
Figure FDA00027778457300000121
的反向信号
Figure FDA00027778457300000122
的变化保持一致；
当
Figure FDA00027778457300000123
i*≥0时，
Figure FDA00027778457300000124
的电平状态变化与
Figure FDA00027778457300000125
的真实驱动信号
Figure FDA00027778457300000126
的变化保持一致；
当
Figure FDA00027778457300000127
i*＜0时，
Figure FDA00027778457300000128
的电平状态变化与
Figure FDA00027778457300000129
的真实驱动信号
Figure FDA00027778457300000130
的反向信号
Figure FDA0002777845730000021
的变化保持一致；
其中，
Figure FDA0002777845730000022
是各相输出节点*和Z之间的真实输出电压，*为a,b,c，i*为各相的输出电流，
Figure FDA0002777845730000023
为各相中第一开关管，
Figure FDA0002777845730000024
为各相中第二开关管，
Figure FDA0002777845730000025
为各相中第三开关管，
Figure FDA0002777845730000026
为各相中第四开关管；
Figure FDA0002777845730000027
表示第四开关状态O与第三开关状态P之间切换，
Figure FDA0002777845730000028
表示第四开关状态O与第五开关状态N之间切换。
3.如权利要求2所述的一种短时域积分电压重构方法，其特征在于，在步骤S2中，所述基于所述对应关系重构各相中的辅助驱动信号包括：
对于二电平电路，
当i*≥0，
Figure FDA0002777845730000029
当i*＜0，
Figure FDA00027778457300000210
其中，
Figure FDA00027778457300000211
为各相中的第一开关管的辅助驱动信号，
Figure FDA00027778457300000212
为各相中的第二开关管的辅助驱动信号，
Figure FDA00027778457300000213
为各相中的第一开关管的真实驱动信号，
Figure FDA00027778457300000214
为各相中的第一开关管的真实驱动信号的反向信号，
Figure FDA00027778457300000215
为各相中的第二开关管的真实驱动信号，
Figure FDA00027778457300000216
为各相中的第二开关管的真实驱动信号的反向信号；
对于三电平电路，
当i*≥0，
Figure FDA00027778457300000217
当i*＜0，
Figure FDA00027778457300000218
其中，
Figure FDA00027778457300000219
为各相中的第一开关管的辅助驱动信号，
Figure FDA00027778457300000220
为各相中的第二开关管的辅助驱动信号，
Figure FDA00027778457300000221
为各相中的第三开关管的辅助驱动信号，
Figure FDA00027778457300000222
为各相中的第四开关管的辅助驱动信号，
Figure FDA00027778457300000223
为各相中的第一开关管的真实驱动信号，
Figure FDA00027778457300000224
为各相中的第一开关管的真实驱动信号的反向信号，
Figure FDA00027778457300000225
为各相中的第二开关管的真实驱动信号，
Figure FDA00027778457300000226
为各相中的第二开关管的真实驱动信号的反向信号；
Figure FDA00027778457300000227
为各相中的第三开关管的真实驱动信号，
Figure FDA00027778457300000228
为各相中的第三开关管的真实驱动信号的反向信号，
Figure FDA00027778457300000229
为各相中的第四开关管的真实驱动信号，
Figure FDA00027778457300000230
为各相中的第四开关管的真实驱动信号的反向信号。
4.如权利要求3所述的一种短时域积分电压重构方法，其特征在于，
对于二电平电路，所述辅助开关状态包括：第一辅助开关状态
Figure FDA0002777845730000031
与第二辅助开关状态
Figure FDA0002777845730000032
当处于第一辅助开关状态
Figure FDA0002777845730000033
时，
Figure FDA0002777845730000034
导通，
Figure FDA0002777845730000035
关断，一个时钟周期内的真实输出电压
Figure FDA0002777845730000036
当处于第二辅助开关状态
Figure FDA0002777845730000037
时，
Figure FDA0002777845730000038
关断，
Figure FDA0002777845730000039
导通，一个时钟周期内的真实输出电压
Figure FDA00027778457300000310
对于三电平电路，所述辅助开关状态包括：第三辅助开关状态
Figure FDA00027778457300000311
第四辅助开关状态
Figure FDA00027778457300000312
与第五辅助开关状态
Figure FDA00027778457300000313
当处于第三辅助开关状态
Figure FDA00027778457300000314
时，
Figure FDA00027778457300000315
与
Figure FDA00027778457300000316
导通，
Figure FDA00027778457300000317
与
Figure FDA00027778457300000318
关断，一个时钟周期内的真实输出电压
Figure FDA00027778457300000319
当处于第四辅助开关状态
Figure FDA00027778457300000320
时，
Figure FDA00027778457300000321
与
Figure FDA00027778457300000322
导通，
Figure FDA00027778457300000323
与
Figure FDA00027778457300000324
关断，一个时钟周期内的真实输出电压
Figure FDA00027778457300000325
当处于第五辅助开关状态
Figure FDA00027778457300000326
时，
Figure FDA00027778457300000327
与
Figure FDA00027778457300000328
导通，
Figure FDA00027778457300000329
与
Figure FDA00027778457300000330
关断，一个时钟周期内的真实输出电压
Figure FDA00027778457300000331
其中，Vd为直流母线电压，E＝Vd/2。
5.如权利要求2所述的一种短时域积分电压重构方法，其特征在于，
对于二电平电路，重构输出电压为：
Figure FDA00027778457300000332
Figure FDA00027778457300000333
Figure FDA00027778457300000334
Figure FDA00027778457300000335
对于三电平电路，重构输出电压为：
Figure FDA0002777845730000041
Figure FDA0002777845730000042
Figure FDA0002777845730000043
Figure FDA0002777845730000044
其中，Tclk为时钟周期，Ts为一个开关周期且在同步时钟脉冲下Ts＝n×Tclk，n∈Z，
Figure FDA0002777845730000045
是一个开关周期Ts内的
Figure FDA0002777845730000046
的平均值，即为二电平电路的重构输出电压，
Figure FDA0002777845730000047
是一个开关周期Ts内的
Figure FDA0002777845730000048
的平均值，即为三电平电路的重构输出电压；Vd为直流母线电压，E为电容电压E＝Vd/2；
Figure FDA0002777845730000049
是电压矢量真实的作用时间；
Figure FDA00027778457300000410
是在二电平电路中一个开关周期Ts内实际电压的等效电压，
Figure FDA00027778457300000411
是在三电平电路中一个开关周期Ts内实际电压的等效电压；
Figure FDA00027778457300000412
为二电平电路中各相中的开关管的辅助驱动信号，
Figure FDA00027778457300000413
为三电平电路中各相中的开关管的辅助驱动信号，k为正整数；*为a,b,c。
6.如权利要求1所述的一种短时域积分电压重构方法，其特征在于，在主控芯片中进行驱动信号的调制，所述主控芯片为FPGA。
7.一种短时域积分电压重构系统，其特征在于，包括：
电流采集与判断模块，用于采集三相电流并判断三相电流方向；
驱动信号重构模块，用于根据三相电流方向进行驱动信号重构；
辅助开关状态判断模块，用于根据重构的驱动信号进行辅助开关状态的判断；
短时域积分模块，用于根据所述辅助开关状态与直流母线电压，通过短时域积分得到重构输出电压。
8.一种具有短时域积分电压重构功能的变流装置，其特征在于，包括如权利要求7所述的一种短时域积分电压重构系统以及变流器；
所述短时域积分电压重构系统用于根据变流器输出的电流方向、驱动信号状态以及直流母线电压进行电压重构，得到与真实输出电压相同的重构输出电压。
9.一种存储介质，其上存储有计算程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-6任一项所述的短时域积分电压重构方法。
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胡毕华 等: "基于死区消除与补偿的T型三电平逆变器控制策略", 《华南理工大学学报(自然科学版)》 *

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