變壓器動態

基于指數趨近律滑模控制的逆變器死區補償

  三相橋式逆變電路中的實際功率開關器件具有非理想開關特性,即具有開通和關斷時間,且開通時間往往小于關斷時間。為了避免橋臂直通,必須在同―橋臂上下2個功率開關管的控制信號之間設定“先斷后通”的PWM開關死區。盡管死區時間相對開關周期而言很短,但由于開關頻率較高,累積效應嚴重,會引起輸出誤差電壓,導致三相并網電流波形發生畸變,影響并網電流質量,對電網造成“污染”。因此有必要對死區效應引起的電壓損失進行有效補償。

  針對死區效應,主要的解決方案有死區消除和死區補償兩大方法。其中基于平均誤差電壓的死區補償方法只需在控制程序中加入死區補償算法來抑制或消除死區的影響,操作起來更加靈活,適應性更強,因而成為死區補償的研究熱點。缺點是在實現死區補償時對電流的檢測要求比較高,如果電流過零點檢測判斷不準確將導致誤補償。原因是電流檢測通道中存在著高頻噪聲(白噪聲),當有電流輸出時,被測信號將是實際電流信號與白噪聲的疊加,白噪聲的存在使得在過零點附近檢測到的電流極性與實際極性有可能不同,因而難以準確地確定過零點的位置。而一旦電流極性檢測發生錯誤,必然產生死區的誤補償,不但沒有消除死區對系統的影響,反而使這種影響加重了一倍。為此利用id和iq進行低通濾波后,再進行反變換得到兩相靜止坐標系下電流矢量的幅值和相位角,根據電流矢量角判斷電流的極性,解除了電流過零點的誤檢測。提出了以檢測a相、b相電流之差的過零點,最后推算出過零點,思路新穎。給出了種利用功率因數角實現的電流方向間接檢測方法,實現了對電流方向的準確判斷,消除了由于電流誤判斷在電流波形中引起的過零點“臺階”現象。

  上述方法雖然提高了電流極性檢測的準確性,但進行電流檢測就存在誤判的可能性。近幾年有學者提出了不需要進行電流極性檢測的死區補償方法,避免了由于電流方向檢測不準造成的過度補償和欠補償。在每個PWM周期內對2個非零空間電壓矢量作用時間分別進行補償,但算法實現過于復雜。提出的擾動觀測器死區補償方法采用在線辨識算法,有利于消除功率器件開關時間及導通壓降等非線性因素對死區效應的影響,但很難迅速跟蹤上實際擾動電壓,因此補償效果不理想。采用模糊控制進行死區補償,缺點是要提高精度需要增加量化等級數目,從而導致查詢表過于龐大,運算時間增加,耗費硬件資源。

  本文在詳細分析了逆變器死區效應的基礎上,采用變化的死區時間調整方法,因此不需要進行電流極性的檢測,提出了具有消除抖振的指數趨近律滑模控制死區補償策略對三相逆變器進行了死區補償,最后在10kW樣機中對提出的補償方法進行了驗證。

  1逆變器死區效應分析以三相逆變器的a相橋臂為例進行死區分析,是三相逆變器的主電路結構圖。

  是開關管的驅動波形及輸出電壓波形,電流以流入電網方向為正方向。圖中,td、Tpwm分別為死區時間和逆變器PWM周期,(a)(b)為理想的無死區的上下開關管Vt1、Vt4的驅動信號Si、S4波形,(c)(d)為考慮了外加死區時間及開關器件導通關斷延遲時間的上下開關管Vt1、Vt4的驅動信號ShS4波對上述公式進行傅里葉級數展開,得:此時死區擾動電壓只能取6個離散的矢量,因此通常的補償方法需要檢測電流的極性才能進行正確的補償。如果死區擾動電壓矢量是連續的,擾動電壓矢量在確定時就不需要電流極性的信息了。

  其中,k為常數,具體值由系統決定。

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