CN1610234A - Ups逆变器及其脉宽调制死区补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及UPS逆变器及其脉宽调制死区补偿方法，为解决现有技术中的死区控制方案会导致逆变器输出电压不对称、波形畸变等问题，在本发明UPS逆变器的电压控制单元中，用预设的电压参考量(V_ref)减去电压反馈量(V)，得到电压误差(ΔV)，再对电压误差(ΔV)进行处理以生成电感电流参考信号(I_ref)；然后用电流参考量(I_ref)减去电流反馈量(I)得到电流误差(ΔI)，再对电流误差(ΔI)进行处理以生成基本电压控制量(V_C1)；另一方面，对电感电流参考信号(I_ref)进行比例控制和限幅控制，以生成补偿控制量(V_C2)；最后将基本电压控制量(V_C1)与补偿控制量(V_C2)相加，得到该UPS逆变器的电压控制量(V_C)。采用本发明的方案可使逆变器的输出电压波形最大限度地接近理想状态。

Description

UPS逆变器及其脉宽调制死区补偿方法

技术领域

本发明涉及UPS(不间断电源)逆变器，更具体地说，涉及一种UPS逆变器及其PWM(脉宽调制)死区的补偿方法。

背景技术

各种电子开关器件(如IGBT)都具有一定的开通和关断时间。在桥式结构的UPS逆变器中，同一桥臂上的两个开关器件工作在互补的状态。为防止在通断切换瞬间因为不理想的关断而发生两个开关器件直通短路现象，一般采用时间延时的控制方法，即在通断切换时，关断信号正常发出，而开通信号滞后于关断信号一段时间，在此段时间内，两个开关均保持关断，形成一段控制死区。在UPS逆变器中，在此控制死区内，因为电感电流的存在，开关器件必须保持续流状态，续流状态的存在导致开关器件有“多余”的导通状态，影响了逆变器的输出电压，从而导致输出电压畸变，并且对输出电压的影响会随电流的方向而改变。

如图1所示为一个单相逆变器，其中包含两个直流电容C1和C2，正、负直流母线101、102，两个开关器件K1、K2，逆变电感L和逆变电容C3，图中I_ind为电感电流，I_load为负载电流，V_out为逆变器输出电压，V_b为逆变桥臂的输出电压，其波形为PWM波。

图2则用于示出控制死区对输出电压的影响，其中示出了理想的开关器件驱动波形、实际的驱动波形、理想的输出电压、以及电感电流大于0或小于0时的输出电压。从图中可以看出，当电感电流大于零时，实际逆变桥臂输出电压V_b比理想输出电压要小；而当电感电流小于零时，实际逆变桥臂输出电压比理想输出电压要大。这样必然导致逆变器输出电压V_out的畸变，影响输出电压的质量。

现有技术中，一般是通过判断电感电流的大小来进行相应的死区补偿，如图3所示。其中的基本控制单元31一般为稳压控制单元，用于生成电压的基本控制量V₃₁；而其中的死区补偿单元32以电感电流I_ind为其输入，用于输出补偿控制量V_d。假设需要补偿的死区量为V_set，则其控制率一般为：

        (表达式1)

然后，由加法器33将基本控制量V₃₁和补偿控制量V_d相加，得到最终的输出电压控制量V₃₂。这种补偿方案需要依赖电感电流，而UPS逆变器中的逆变电感一般比较小，所以电感电流中含有很大成分的高频分量，在很大范围内都为过零状态，所以很容易导致死区补偿振荡，此方法很难有工程意义。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明要解决开关器件死区会导致逆变器输出电压不对称、波形畸变等问题，以改善逆变器输出电压波形。

为解决上述技术问题，在本发明UPS逆变器的电压控制单元中，包括基本控制单元、死区补偿单元和第一加法器，

在所述基本控制单元中，由第一减法器用预设的电压参考量(V_ref)减去电压反馈量(V_out)，得到电压误差(ΔV)；再由第一调节器对所述电压误差(ΔV)进行处理，以生成电感电流参考信号(I_ref)；再由第二减法器用所述电流参考量(I_ref)减去电流反馈量(I_ind)，得到电流误差(ΔI)；并由第二调节器对所述电流误差(ΔI)进行处理，以生成基本电压控制量(V_C1)；

而所述死区补偿单元则根据所述电感电流参考信号(I_ref)生成补偿控制量(V_C2)。

在本发明的死区补偿单元中，具体由比例控制器对所述电感电流参考信号(I_ref)进行比例控制，以生成电压调节量(V_x)；再由限幅控制器对所述比例控制器所输出的调节量(V_x)进行限幅控制，以生成所述补偿控制量(V_C2)。

在本发明中，所述第一调节器可以是一个电压调节器，它对所述电压误差(ΔV)进行调节处理，直接生成电感电流参考信号(I_ref)。所述第一调节器也可以由电压调节器和第二加法器组成；先由电压调节器对所述电压误差(ΔV)进行调节处理；再由第二加法器将所述电压调节器的输出信号与该UPS逆变器的负载电流(Iload)相加，生成所述电感电流参考信号(Iref)。

为解决上述技术问题，在本发明UPS逆变器的脉宽调制死区补偿方法，其特征在于包括以下步骤：

用预设的电压参考量(V_ref)减去电压反馈量(V_out)，得到电压误差(ΔV)；对所述电压误差(ΔV)进行处理，生成电感电流参考信号(I_ref)；用所述电流参考量(I_ref)减去电流反馈量(Iind)，得到电流误差(ΔI)；对所述电流误差(ΔI)进行处理，生成基本电压控制量(V_C1)；根据所述电感电流参考信号(I_ref)生成补偿控制量(V_C2)；用所述基本电压控制量(V_C1)加上所述补偿控制量(V_C2)，得到该UPS逆变器的电压控制量(V_C)。

本发明的特点有两方面：

特点一：死区补偿器的输入量与传统死区补偿器不同。在传统的死区补偿器中，死区补偿器的输入一般为电感电流，而电感电流因为含有较高比例的高频成分导致其存在多次的过零，很难处理，即使处理也是非常复杂。本发明的死区补偿器不利用电感电流，只利用本身调节器生成的电感电流参考信号作为死区补偿器的输入，避免了多次过零问题，不仅简化了死区补偿方法，而且使该方法具有实际应用意义。

特点二：死区控制器的控制方法与传统方法不同。在传统的死区补偿器中，死区补偿的操作一般按照表达式1的方式进行，即，如果电流过零判断为正，则死区补偿值为一个设定值，如果电流过零判断为负，则死区补偿值为另一个设定值，这样在电流过零交接处，补偿值有一个跳变，容易在衔接处导致振荡或者波形畸变。本发明中的死区补偿器能够解决这个问题，在过零处进行平滑连接，并且可以根据需要调整衔接时间，使死区补偿量的大小是平滑、无跳变的，这样可以使死区补偿作用在实际输出上没有大的负面。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是一个单相逆变器的示意图；

图2是用于示控制死区对输出电压的影响的波形示意图；

图3是现有死区补偿方法的原理图；

图4是本发明的一个实施例中死区补偿方法的原理图；

图5是图4中的死区补偿调节器的内部原理图；

图6是正弦波电流经过图5所示方法处理的的示意图；

图7本发明另一实施例中死区补偿方法的原理图。

具体实施方式

本发明的一个实施例如图4所示，其中：

预期设定的电压参考量V_ref和电压反馈量V_out(即逆变器输出电压)经过第一减法器1，生成电压误差ΔV；

电压误差ΔV经过电压调节器2处理，生成电感电流参考信号I_ref；

电感电流参考信号I_ref和电流反馈信号I_ind(即电感电流)经过第二减法器3，生成电流误差ΔI；

电流误差ΔI通过电流调节器4处理，生成基本控制量V_C1；

另一方面，上述电感电流参考信号I_ref还被输入到死区补偿控制器5进行处理，以生成死区补偿控制量V_C2，如图5所示，本实施例的死区补偿控制器中包含比例控制器8和限幅控制器9；

最后，由第一加法器6将基本控制量V_C1和死区补偿控制量V_C2合成为逆变器的电压控制量V_C，然后可采用常规的UPS逆变器控制方法，将该控制量V_C转化为PWM波形来控制相应的开关器件，最终达到控制逆变器输出电压的目的。

图5中的比例控制器8用于控制死区补偿值的变化衔接时间，如控制死区补偿值从V_set变化到-V_set需要的时间，使死区补偿的作用平滑，可以将电感电流参考信号I_ref的幅值经过比例控制器8降下来；而死区补偿值的大小则受限幅控制器9所控制。

假设电流参考I_ref为：

                    I_ref＝Asin(wt)

则图6的左侧是原始的电感电流参考信号I_ref，中间是经过比例控制器8处理后的电压信号V_x，右边则是经过限幅控制器9处理后的死区补偿控制量V_C2。从图6中可以看出，死区补偿控制量V_C2是连续变化的，而不是象现有技术的表达式1所示是正负跳变的，这样可以使死区控制变得平滑，从而防止波形畸变。

假设限幅控制9限幅值为B，死区补偿值变化的衔接时间为ΔT，则死区补偿器的控制作用使：

K_p*I_ref＝K_p*Asin(wΔT/2)≈K_pA*w*ΔT/2＝B

则死区补偿值的正与负的衔接时间可以近似控制为：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{2B}{K_p\mathrm{wA}}$

从表达式可以看出，如果K_p越大，则衔接时间越短。

本发明的另一实施例如图7所示，从图中可以看出，它在图4的基本环节中引入了负载电流前馈，具体是将电压调节器所生成的调节量与逆变器的负载电流通过第三加法器10相加，并以生成的结果作为前述电感电流参考信号I_ref。其是电压调节器2生成的调节量与图1中逆变器滤波电容C的电流相当。这种处理可以提高电感电流参考信号I_ref的反应速度。

其中，参考量V_ref和电压反馈量V_out经过第一减法器1，生成电压误差ΔV；

电压误差ΔV经过电压调节器2生成一个电流调节量，该电流调节量与负载电流I_load经过第二加法器10，生成电感电流参考信号I_ref，其表达试为：

I_ref＝I_load+电压调节器输出

此处假设，I_ref＝Asin(wt)＝Asin(2*π*f*t)

该电感电流参考信号I_ref和电感电流反馈信号I_ind经过第二减法器3，生成电流误差ΔI，电流误差ΔI通过电流调节器4生成基本控制量V_c1。

同时，电感电流参考信号I_ref经过比例控制器8，控制死区补偿的衔接时间，其输出量为V_x，再经过限幅控制器9生成死区补偿控制量V_c2。其中限幅控制器处理后的效果为：

死区补偿值的正与负的衔接时间设计为：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{2V_{\mathrm{set}}}{K_p\mathrm{wA}}=\frac{V_{\mathrm{set}}}{K_p*\mathrm{\π}*f*A}$

最后，由第一加法器6将基本控制量V_C1和死区补偿控制量V_C2合成为逆变器的电压控制量V_C，然后可采用常规的UPS逆变器控制方法，将该控制量V_C转化为PWM波形来控制相应的开关器件，最终达到控制逆变器输出电压的目的。

Claims (10)

1、一种UPS逆变器，其电压控制单元中包括基本控制单元、死区补偿单元和第一加法器，其特征在于，

在所述基本控制单元中，包括用预设的电压参考量(V_ref)减去电压反馈量(V_out)，得到电压误差(ΔV)的第一减法器；对所述电压误差(ΔV)进行处理以生成电感电流参考信号(I_ref)的第一调节器；用所述电流参考量(I_ref)减去电流反馈量(I_ind)，得到电流误差(ΔI)的第二减法器；以及，对所述电流误差(ΔI)进行处理以生成基本电压控制量(V_C1)的第二调节器；

所述死区补偿单元根据所述电感电流参考信号(I_ref)生成补偿控制量(V_C2)；

2、根据权利要求1所述的UPS逆变器，其特征在于，在所述死区补偿单元中包括：

对所述电感电流参考信号(I_ref)进行比例控制以生成电压调节量(V_x)的比例控制器；

对所述比例控制器所输出的调节量(V_x)进行限幅控制，以生成所述补偿控制量(V_C2)的限幅控制器。

3、根据权利要求2所述的UPS逆变器，其特征在于，所述第一调节器为一个电压调节器，它对所述电压误差(ΔV)进行调节处理，直接生成电感电流参考信号(I_ref)。

4、根据权利要求2所述的UPS逆变器，其特征在于，所述第一调节器中包括：

对所述电压误差(ΔV)进行调节处理的电压调节器；

将所述电压调节器的输出信号与该UPS逆变器的负载电流(I_load)相加，生成所述电感电流参考信号(I_ref)的第二加法器。

5、根据权利要求1-4中任一项所述的UPS逆变器，其特征在于，所述第二调节器是一个电流调节器。

6、一种UPS逆变器的脉宽调制死区补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)用预设的电压参考量(V_ref)减去电压反馈量(V_out)，得到电压误差(ΔV)；

(2)对所述电压误差(ΔV)进行处理，生成电感电流参考信号(I_ref)；

(3)用所述电流参考量(I_ref)减去电流反馈量(I_ind)，得到电流误差(ΔI)；

(4)对所述电流误差(ΔI)进行处理，生成基本电压控制量(V_C1)；

(5)根据所述电感电流参考信号(I_ref)生成补偿控制量(V_C2)；

(6)用所述基本电压控制量(V_C1)加上所述补偿控制量(V_C2)，得到该UPS逆变器的电压控制量(V_C)。

7、根据权利要求6所述的UPS逆变器的脉宽调制死区补偿方法，其特征在于，在第(5)步中，先对所述电感电流参考信号(I_ref)进行比例控制以生成电压调节量(V_x)；再对所述调节量降(V_x)进行限幅控制，以生成所述补偿控制量(V_C2)。

8、根据权利要求7所述的UPS逆变器的脉宽调制死区补偿方法，其特征在于，在第(5)步中，在对所述调节量降(V_x)进行限幅控制时：

如果所述调节量降(V_x)大于预设调节量(V_set)，则所述补偿控制量(V_C2)的输出值等于该预设调节量(V_set)；

如果所述调节量降(V_x)小于预设调节量的负值(-V_set)，则所述补偿控制量(V_C2)的输出值等于该预设调节量的负值(-V_set)。

9、根据权利要求6-8中任一项所述的UPS逆变器的脉宽调制死区补偿方法，其特征在于，在第(2)步中，对所述电压误差(ΔV)进行比例积分控制生成所述电感电流参考信号(I_ref)。

10、根据权利要求6-8中任一项所述的UPS逆变器的脉宽调制死区补偿方法，其特征在于，在第(2)步中，先由对所述电压误差(ΔV)进行比例积分变换，再将变换后的信号与该UPS逆变器的负载电流(I_load)相加，生成所述电感电流参考信号(I_ref)。

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