变压器动态

基于指数趋近律滑模控制的逆变器死区补偿

  三相桥式逆变电路中的实际功率开关器件具有非理想开关特性,即具有开通和关断时间,且开通时间往往小于关断时间。为了避免桥臂直通,必须在同―桥臂上下2个功率开关管的控制信号之间设定“先断后通”的PWM开关死区。尽管死区时间相对开关周期而言很短,但由于开关频率较高,累积效应严重,会引起输出误差电压,导致三相并网电流波形发生畸变,影响并网电流质量,对电网造成“污染”。因此有必要对死区效应引起的电压损失进行有效补偿。

  针对死区效应,主要的解决方案有死区消除和死区补偿两大方法。其中基于平均误差电压的死区补偿方法只需在控制程序中加入死区补偿算法来抑制或消除死区的影响,操作起来更加灵活,适应性更强,因而成为死区补偿的研究热点。缺点是在实现死区补偿时对电流的检测要求比较高,如果电流过零点检测判断不准确将导致误补偿。原因是电流检测通道中存在着高频噪声(白噪声),当有电流输出时,被测信号将是实际电流信号与白噪声的叠加,白噪声的存在使得在过零点附近检测到的电流极性与实际极性有可能不同,因而难以准确地确定过零点的位置。而一旦电流极性检测发生错误,必然产生死区的误补偿,不但没有消除死区对系统的影响,反而使这种影响加重了一倍。为此利用id和iq进行低通滤波后,再进行反变换得到两相静止坐标系下电流矢量的幅值和相位角,根据电流矢量角判断电流的极性,解除了电流过零点的误检测。提出了以检测a相、b相电流之差的过零点,最后推算出过零点,思路新颖。给出了种利用功率因数角实现的电流方向间接检测方法,实现了对电流方向的准确判断,消除了由于电流误判断在电流波形中引起的过零点“台阶”现象。

  上述方法虽然提高了电流极性检测的准确性,但进行电流检测就存在误判的可能性。近几年有学者提出了不需要进行电流极性检测的死区补偿方法,避免了由于电流方向检测不准造成的过度补偿和欠补偿。在每个PWM周期内对2个非零空间电压矢量作用时间分别进行补偿,但算法实现过于复杂。提出的扰动观测器死区补偿方法采用在线辨识算法,有利于消除功率器件开关时间及导通压降等非线性因素对死区效应的影响,但很难迅速跟踪上实际扰动电压,因此补偿效果不理想。采用模糊控制进行死区补偿,缺点是要提高精度需要增加量化等级数目,从而导致查询表过于庞大,运算时间增加,耗费硬件资源。

  本文在详细分析了逆变器死区效应的基础上,采用变化的死区时间调整方法,因此不需要进行电流极性的检测,提出了具有消除抖振的指数趋近律滑模控制死区补偿策略对三相逆变器进行了死区补偿,最后在10kW样机中对提出的补偿方法进行了验证。

  1逆变器死区效应分析以三相逆变器的a相桥臂为例进行死区分析,是三相逆变器的主电路结构图。

  是开关管的驱动波形及输出电压波形,电流以流入电网方向为正方向。图中,td、Tpwm分别为死区时间和逆变器PWM周期,(a)(b)为理想的无死区的上下开关管Vt1、Vt4的驱动信号Si、S4波形,(c)(d)为考虑了外加死区时间及开关器件导通关断延迟时间的上下开关管Vt1、Vt4的驱动信号ShS4波对上述公式进行傅里叶级数展开,得:此时死区扰动电压只能取6个离散的矢量,因此通常的补偿方法需要检测电流的极性才能进行正确的补偿。如果死区扰动电压矢量是连续的,扰动电压矢量在确定时就不需要电流极性的信息了。

  其中,k为常数,具体值由系统决定。

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