CN112737453A - 一种变流器功率组件死区效应补偿方法 - Google Patents

一种变流器功率组件死区效应补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变流器功率组件死区效应补偿方法，通过坐标变换得到旋转两相坐标系下的电流id和iq,根据电流给定
Figure DDA0002826274620000011
和
Figure DDA0002826274620000012
求得给定电流的偏差id_err和iq_err；依据电流给定幅值大小，选择id_err或iq_err作为死区补偿依据的电流偏差ierr，并对该电流偏差进行FFT分析，确定需要进行死区补偿的频点n，得到该频点谐波对应的电流幅值in；以n次谐波幅值in最小为目标，利用极值搜索算法迭代得到死区效应n次补偿电压的幅值un和相位θn；根据死区补偿电流偏差ierr的来源，将补偿电压unsin(nωt+θn)作用到该坐标系的电压给定上，进而得到最终电压给定ud和uq；最后将电压给定通过SVPWM技术作用到变流器功率组件。本发明能抑制死区效应对输出电压基频分量和高频谐波分量的影响，能有效的解决死区效应过补偿和欠补偿的问题。

Description

一种变流器功率组件死区效应补偿方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种变流器功率组件死区效应补偿方法，适用于对转矩脉动、输出电流谐波有高性能要求的质量变换场所，特别适于逆变电源、船舶和轨道交通电力推进等功率电能变换领域。
背景技术
空间矢量脉宽调制SVPWM已被广泛应用于变流器电能变换领域，该技术通过控制IGBT、SiC等功率开关管的通断，按照伏秒守恒根据给定输出电压输出一系列脉冲电压信号。在变流器实际系统中，为防止上下开关管直通短路故障，互补的开关管动作需要延时一段大于开关切换时间的死区时间。死区时间会造成变流器功率组件输出电压的给定值与实际值之间存在误差，减小输出电压基频分量，增加高频分量；此外，功率开关管的非理想特性，包括导通压降、导通和关断过程等，也会引起变流器功率组件输出电压偏差。死区时间和功率开关管的非理想特性并称为死区效应。
为提高变流器输出性能，针对功率开关管死区效应补偿方法开展研究具有重要的应用价值。
2018年中国电机工程学报“一种永磁同步电机矢量控制SVPWM死区效应在线补偿方法”通过分析死区效应引起的开关管导通时间和电机相电压误差，利用直轴电流为零的矢量控制算法，提出了基于交轴电流给定和反馈误差的死区时间在线补偿方法；中国发明专利“基于电流预测的适用于永磁电机控制的死区补偿方法”(CN 111756287 A)通过预测电流进行死区补偿，改善了由于数字控制延迟导致电流过零点附件补偿效果较差的问题；中国发明专利“一种基于相电流的逆变器死区补偿方法”(CN 111224537 A)通过测量功率开关管的死区时间、开通延迟、关断延迟和不同电流下的电压损失，得到电流和补偿量之间的分段函数表达式，提高逆变器的线性度和控制性能。
然而，现有的变流器功率组件死区效应补偿方法有以下缺点：
1，现有在线补偿算法需要依赖变流器模型或受限于特定控制算法，补偿精度受系统电感、电阻等参数和电流检测回路准确度的影响，无法实现高精度死区补偿；
2，通过测量不同工况下的开关管非理想特性进行死区补偿的方法，需要额外检测设备，过程繁琐，且不可能获得所有工况下的最优补偿数据，不适于工程应用。
发明内容
发明目的是针对以上问题，提出一种简单可靠、适于工程应用的变流器功率组件死区效应补偿方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种变流器功率组件死区效应补偿方法，基于交直轴电流偏差计算环节、死区补偿频点幅值计算环节、补偿电压幅值相位计算环节、交直轴死区补偿作用环节和变流器控制及SVPWM作用环节依次连接构成的控制系统；步骤为
步骤1，采样变流器的三相电流ia、ib和ic，利用电流矢量位置θ对相电流进行3s/2r坐标变换得到旋转两相坐标系下的电流id和iq,根据电流给定
Figure BDA0002826274600000021
和
Figure BDA0002826274600000022
求得给定电流的偏差id_err和iq_err；
步骤2，依据电流给定幅值大小，选择id_err或iq_err作为死区补偿依据的电流偏差ierr，并对该电流偏差进行FFT分析，确定需要进行死区补偿的频点n，得到该频点谐波对应的电流幅值in；
步骤3，以n次谐波幅值in最小为目标，利用极值搜索算法迭代得到死区效应n次补偿电压的幅值un和相位θn；
步骤4，根据死区补偿电流偏差ierr的来源，将补偿电压unsin(nωt+θn)作用到该坐标系的电压给定上，进而得到最终电压给定ud和uq；
步骤5，将死区补偿后的电压给定ud和uq通过SVPWM技术作用到变流器功率组件，进行反馈控制。
所述的一种变流器功率组件死区效应补偿方法，其步骤1具体为：
步骤1.1，将静止三相坐标系下的电流ia、ib和ic通过3s/2r坐标变换得到旋转两相坐标系下的电流id和iq，计算式为：
Figure BDA0002826274600000031
其中，θ为电流矢量位置；
步骤1.2，根据变流器控制及SVPWM作用环节(5)的电流给定
Figure BDA0002826274600000032
和
Figure BDA0002826274600000033
得到给定电流的偏差id_err和iq_err，计算式为：
Figure BDA0002826274600000034
所述的一种变流器功率组件死区效应补偿方法，其步骤2具体为：
步骤2.1，依据电流给定幅值大小，选择id_err或iq_err作为死区补偿依据的电流偏差ierr，选择d轴电流id_err时设置flag＝0，选择q轴电流iq_err时设置flag＝1；
步骤2.2，对确定的电流偏差ierr进行FFT分析，得到谐波电流的频率谱密度；
步骤2.3，选择需要进行死区补偿的频点n，从频谱曲线中得到该频点谐波对应的电流幅值in。
所述的一种变流器功率组件死区效应补偿方法，其步骤3具体为：
步骤3.1，以n次谐波幅值in最小为目标，设置相位扰动步长aθ＝f1(Δin)，利用极值搜索算法迭代得到死区效应n次补偿电压的相位θn，补偿相位迭代稳定后设置signal＝1，否则仍保持初始值signal＝0；
步骤3.2，以n次谐波幅值in最小为目标，设置幅值扰动步长au＝f2(Δin)，在步骤3.1最优补偿相位θn的基础上，继续利用极值搜索算法得到死区效应n次补偿电压的幅值un，并对补偿电压的幅值un进行范围限制，补偿幅值迭代稳定后设置signal＝2，否则仍保持signal＝1；
步骤3.3，signal＝2时，将转速、功率、补偿频点n、补偿电压的幅值和相位信息储存在非易失储存空间。
所述的一种变流器功率组件死区效应补偿方法，其步骤4是依据电流偏差来源标志flag，将补偿电压unsin(nωt+θn)作用到该坐标系原有电压给定上：当标志flag＝0时，
Figure BDA0002826274600000041
当标志flag＝1时，
Figure BDA0002826274600000042
电压
Figure BDA0002826274600000043
和
Figure BDA0002826274600000044
来源于变流器控制及SVPWM作用环节。
所述的一种变流器功率组件死区效应补偿方法，其步骤3中n＝6。
所述的一种变流器功率组件死区效应补偿方法，所述的步骤3.1是通过当前频点n幅值in＝6与上次FFT计算周期频点n幅值in-1,计算Δi6；设置该阶段的相位扰动步长aθ＝k1|Δin|,k1＝0.1，若第一次进行基于极值的相位补偿，设置sgn＝1,Δθ＝aθ；若非第一次计算位置扰动，Δi6大于零时，位置扰动Δθ方向与上次扰动方向相反，符号函数sgn＝-sgn，Δi6小于零时，位置扰动Δθ方向与上次扰动方向相同，符号函数sgn不变；Δi6等于零时，位置扰动Δθ＝0，标志signal由0变为1，则退出基于极值的死区效应电压相位补偿；通过对位置扰动Δθ积分获得位置补偿量θn＝6，并对位置补偿量θn＝6进行范围限制。
所述的一种变流器功率组件死区效应补偿方法，所述的步骤3.2是通过当前频点n幅值in＝6与上次FFT计算周期频点n幅值in-1,计算Δi6；设置该阶段的相位扰动步长au＝k2|Δin|,k2＝0.01，若第一次进行基于极值的幅值补偿，设置sgn＝1,Δu＝au；若非第一次计算位置扰动，Δi6大于零时，幅值扰动Δu方向与上次扰动方向相反，符号函数sgn＝-sgn，Δi6小于零时，幅值扰动Δu方向与上次扰动方向相同，符号函数sgn不变；Δi6等于零时，幅值扰动Δu＝0，标志signal由1变为2，则退出基于极值的死区效应电压幅值补偿；通过对幅值扰动Δu积分获得幅值补偿量un＝6，并对幅值补偿量un＝6进行范围限制。
所述的一种变流器功率组件死区效应补偿方法，所述的扰动步长aθ和au是电流频点n幅值偏差Δin的正相关函数；电流Δin为当前频点n幅值与上一计算周期频点n幅值的差；进行基于n次谐波幅值in最小的极值搜索，若Δin大于零，则扰动搜索方向与上次方向相反；若Δin小于零，则扰动搜索方向与上次方向相同；若Δin等于零，则退出该标志下的极值搜索。
本发明的有益效果是：本发明将极值搜索算法应用到变流器功率组件死区效应补偿方法，能有效的抑制死区效应对输出电压基频分量和高频谐波分量的影响；通过将扰动步长与频点谐波幅值建立数学关系，能有效的解决死区效应过补偿和欠补偿的问题；该方法简单易行，原理清晰，易于工程实现。
附图说明
图1为本发明的控制方法示意图；
图2为基于极值搜索的电压幅值和相位搜索示意图。
各附图标记为：1—交直轴电流偏差计算环节，2—死区补偿频点幅值计算环节，3—补偿电压幅值相位计算环节，4—交直轴死区补偿作用环节，5—变流器控制及SVPWM作用环节。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行说明。
如图1所示，本发明用于电压型变流器供电的功率转换，公开了一种变流器功率组件死区效应补偿方法，由交直轴电流偏差计算环节1、死区补偿频点幅值计算环节2、补偿电压幅值相位计算环节3、交直轴死区补偿作用环节4和变流器控制及SVPWM作用环节5组成；控制方法包括以下步骤。
步骤1，采样变流器的三相电流ia、ib和ic，利用电流矢量位置θ对相电流进行3s/2r坐标变换得到旋转两相坐标系下的电流id和iq,根据电流给定
Figure BDA0002826274600000061
和
Figure BDA0002826274600000062
求得给定电流的偏差id_err和iq_err。
其中，所述的步骤1具体包括：
步骤1.1，将静止三相坐标系下的电流ia、ib和ic通过3s/2r坐标变换得到旋转两相坐标系下的电流id和iq，计算式为：
Figure BDA0002826274600000063
其中，本实施例θ为电流矢量位置(变频驱动的永磁同步电机转子位置)：对于驱动永磁同步电机或异步电机的逆变器而言，θ可理解为转子位置；对于并网的逆变电源而言，θ可理解为电网相位。
步骤1.2，根据变流器控制及SVPWM作用环节5的电流给定
Figure BDA0002826274600000064
和
Figure BDA0002826274600000065
得到给定电流的偏差id_err和iq_err，计算式为：
Figure BDA0002826274600000066
步骤2，依据电流给定幅值大小，选择id_err或iq_err作为死区补偿依据的电流偏差ierr，并对该电流偏差进行FFT分析，确定需要进行死区补偿的频点n，得到该频点谐波对应的电流幅值in。
其中，所述的步骤2具体包括：
步骤2.1，由于电流给定幅值
Figure BDA0002826274600000071
本实施例选择iq_err作为死区补偿依据的电流偏差ierr的来源，并设置flag＝1。
步骤2.2，对确定的电流偏差ierr进行FFT分析，得到谐波电流的频率谱密度。
步骤2.3，选择需要进行死区补偿的频点n＝6，从频谱曲线中得到第6阶谐波电流对应的幅值in＝6。
步骤3，以n＝6次谐波幅值in＝6最小为目标，利用极值搜索算法迭代得到死区效应n＝6次补偿电压的幅值un＝6和相位θn＝6。
其中，所述的步骤3具体包括：
步骤3.1，通过当前频点n幅值in＝6与上次FFT计算周期频点n幅值in-1,计算Δi6；设置该阶段的相位扰动步长aθ＝k1|Δin|,k1＝0.1。若第一次进行基于极值的相位补偿，设置sgn＝1,Δθ＝aθ；若非第一次计算位置扰动，Δi6大于零时，位置扰动Δθ方向与上次扰动方向相反，符号函数sgn＝-sgn，Δi6小于零时，位置扰动Δθ方向与上次扰动方向相同，符号函数sgn不变；Δi6等于零时，位置扰动Δθ＝0，标志signal由0变为1，则退出基于极值的死区效应电压相位补偿。通过对位置扰动Δθ积分获得位置补偿量θn＝6，并对位置补偿量θn＝6进行范围限制。
步骤3.2，通过当前频点n幅值in＝6与上次FFT计算周期频点n幅值in-1,计算Δi6；设置该阶段的相位扰动步长au＝k2|Δin|,k2＝0.01。若第一次进行基于极值的幅值补偿，设置sgn＝1,Δu＝au；若非第一次计算位置扰动，Δi6大于零时，幅值扰动Δu方向与上次扰动方向相反，符号函数sgn＝-sgn，Δi6小于零时，幅值扰动Δu方向与上次扰动方向相同，符号函数sgn不变；Δi6等于零时，幅值扰动Δu＝0，标志signal由1变为2，则退出基于极值的死区效应电压幅值补偿。通过对幅值扰动Δu积分获得幅值补偿量un＝6，并对幅值补偿量un＝6进行范围限制。
步骤3.3，signal＝2时，将转速、功率、补偿频点n、补偿电压的幅值un＝6和相位θn＝6信息储存在非易失储存空间。
说明：扰动步长aθ和au是电流频点n幅值偏差Δin的正相关函数，两者之间可以为线性、二次或指数等关系；电流Δin为当前频点n幅值与上次FFT计算周期频点n幅值的差；进行基于n次谐波幅值in最小的极值搜索，若Δin大于零，则扰动搜索方向与上次方向相反；若Δin小于零，则扰动搜索方向与上次方向相同；若Δin等于零，则退出该标志下的极值搜索。
步骤4，由于电流偏差来源标志flag＝1，将补偿电压un＝6sin(nωt+θn＝6)作用到q轴坐标系原有电压给定上。此时
Figure BDA0002826274600000081
电压
Figure BDA0002826274600000082
和
Figure BDA0002826274600000083
来源于变流器控制及SVPWM作用环节5。
根据死区补偿电流偏差ierr的来源，将补偿电压un sin(nωt+θn)作用到该坐标系的电压给定上，进而得到最终电压给定ud和uq。
其中，所述的步骤4是依据电流偏差来源标志flag，将补偿电压un sin(nωt+θn)作用到该坐标系原有电压给定上。当标志flag＝0时，
Figure BDA0002826274600000084
当标志flag＝1时，
Figure BDA0002826274600000085
电压
Figure BDA0002826274600000086
和
Figure BDA0002826274600000087
来源于变流器控制及SVPWM作用环节5。
步骤5，将死区补偿后的电压给定ud和uq通过SVPWM技术作用到变流器功率组件，进行反馈控制。
本文中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种变流器功率组件死区效应补偿方法，其特征在于：基于交直轴电流偏差计算环节(1)、死区补偿频点幅值计算环节(2)、补偿电压幅值相位计算环节(3)、交直轴死区补偿作用环节(4)和变流器控制及SVPWM作用环节(5)依次连接构成的控制系统；步骤为
步骤1，采样变流器的三相电流ia、ib和ic，利用电流矢量位置θ对相电流进行3s/2r坐标变换得到旋转两相坐标系下的电流id和iq,根据电流给定
Figure FDA0002826274590000013
和
Figure FDA0002826274590000012
求得给定电流的偏差id_err和iq_err；
步骤2，依据电流给定幅值大小，选择id_err或iq_err作为死区补偿依据的电流偏差ierr，并对该电流偏差进行FFT分析，确定需要进行死区补偿的频点n，得到该频点谐波对应的电流幅值in；
步骤3，以n次谐波幅值in最小为目标，利用极值搜索算法迭代得到死区效应n次补偿电压的幅值un和相位θn；
步骤4，根据死区补偿电流偏差ierr的来源，将补偿电压unsin(nωt+θn)作用到该坐标系的电压给定上，进而得到最终电压给定ud和uq；
步骤5，将死区补偿后的电压给定ud和uq通过SVPWM技术作用到变流器功率组件，进行反馈控制。
2.根据权利要求1所述的一种变流器功率组件死区效应补偿方法，其特征在于，所述的步骤1具体为：
步骤1.1，将静止三相坐标系下的电流ia、ib和ic通过3s/2r坐标变换得到旋转两相坐标系下的电流id和iq，计算式为：
Figure FDA0002826274590000011
其中，θ为电流矢量位置；
步骤1.2，根据变流器控制及SVPWM作用环节(5)的电流给定
Figure FDA0002826274590000022
和
Figure FDA0002826274590000023
得到给定电流的偏差id_err和iq_err，计算式为：
Figure FDA0002826274590000021
3.根据权利要求1所述的一种变流器功率组件死区效应补偿方法，其特征在于，所述的步骤2具体为：
步骤2.1，依据电流给定幅值大小，选择id_err或iq_err作为死区补偿依据的电流偏差ierr，选择d轴电流id_err时设置flag＝0，选择q轴电流iq_err时设置flag＝1；
步骤2.2，对确定的电流偏差ierr进行FFT分析，得到谐波电流的频率谱密度；
步骤2.3，选择需要进行死区补偿的频点n，从频谱曲线中得到该频点谐波对应的电流幅值in。
4.根据权利要求1所述的一种变流器功率组件死区效应补偿方法，其特征在于，所述的步骤3具体为：
步骤3.1，以n次谐波幅值in最小为目标，设置相位扰动步长aθ＝f1(Δin)，利用极值搜索算法迭代得到死区效应n次补偿电压的相位θn，补偿相位迭代稳定后设置signal＝1，否则仍保持初始值signal＝0；
步骤3.2，以n次谐波幅值in最小为目标，设置幅值扰动步长au＝f2(Δin)，在步骤3.1最优补偿相位θn的基础上，继续利用极值搜索算法得到死区效应n次补偿电压的幅值un，并对补偿电压的幅值un进行范围限制，补偿幅值迭代稳定后设置signal＝2，否则仍保持signal＝1；
步骤3.3，signal＝2时，将转速、功率、补偿频点n、补偿电压的幅值和相位信息储存在非易失储存空间。
5.根据权利要求1所述的一种变流器功率组件死区效应补偿方法，其特征在于，所述的步骤4是依据电流偏差来源标志flag，将补偿电压unsin(nωt+θn)作用到该坐标系原有电压给定上：当标志flag＝0时，
Figure FDA0002826274590000031
当标志flag＝1时，
Figure FDA0002826274590000032
电压
Figure FDA0002826274590000033
和
Figure FDA0002826274590000034
来源于变流器控制及SVPWM作用环节(5)。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种变流器功率组件死区效应补偿方法，其特征在于，所述的步骤3中n＝6。
7.根据权利要求6所述的一种变流器功率组件死区效应补偿方法，其特征在于，所述的步骤3.1是通过当前频点n幅值in＝6与上次FFT计算周期频点n幅值in-1,计算Δi6；设置该阶段的相位扰动步长aθ＝k1|Δin|,k1＝0.1，若第一次进行基于极值的相位补偿，设置sgn＝1,Δθ＝aθ；若非第一次计算位置扰动，Δi6大于零时，位置扰动Δθ方向与上次扰动方向相反，符号函数sgn＝-sgn，Δi6小于零时，位置扰动Δθ方向与上次扰动方向相同，符号函数sgn不变；Δi6等于零时，位置扰动Δθ＝0，标志signal由0变为1，则退出基于极值的死区效应电压相位补偿；通过对位置扰动Δθ积分获得位置补偿量θn＝6，并对位置补偿量θn＝6进行范围限制。
8.根据权利要求6所述的一种变流器功率组件死区效应补偿方法，其特征在于，所述的步骤3.2是通过当前频点n幅值in＝6与上次FFT计算周期频点n幅值in-1,计算Δi6；设置该阶段的相位扰动步长au＝k2|Δin|,k2＝0.01，若第一次进行基于极值的幅值补偿，设置sgn＝1,Δu＝au；若非第一次计算位置扰动，Δi6大于零时，幅值扰动Δu方向与上次扰动方向相反，符号函数sgn＝-sgn，Δi6小于零时，幅值扰动Δu方向与上次扰动方向相同，符号函数sgn不变；Δi6等于零时，幅值扰动Δu＝0，标志signal由1变为2，则退出基于极值的死区效应电压幅值补偿；通过对幅值扰动Δu积分获得幅值补偿量un＝6，并对幅值补偿量un＝6进行范围限制。
9.根据权利要求6所述的一种变流器功率组件死区效应补偿方法，其特征在于，所述的扰动步长aθ和au是电流频点n幅值偏差Δin的正相关函数；电流Δin为当前频点n幅值与上一计算周期频点n幅值的差；进行基于n次谐波幅值in最小的极值搜索，若Δin大于零，则扰动搜索方向与上次方向相反；若Δin小于零，则扰动搜索方向与上次方向相同；若Δin等于零，则退出该标志下的极值搜索。
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