基于脈沖調(diào)整的四橋臂逆變器死區(qū)補償策略

周　娟　陳　映，2　唐慧英　魏　琛　吳　璇

(1.中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院　徐州　221008 2.四川電力設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司　成都　610041)

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基于脈沖調(diào)整的四橋臂逆變器死區(qū)補償策略

周娟1陳映1，2唐慧英1魏琛1吳璇1

(1.中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院徐州221008 2.四川電力設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司成都610041)

為防止橋臂直通加入死區(qū)時間會導(dǎo)致逆變器輸出能力下降以及輸出波形畸變，需要進行死區(qū)補償。四橋臂逆變器開關(guān)狀態(tài)多，電壓矢量分布復(fù)雜，死區(qū)補償實現(xiàn)困難。對死區(qū)效應(yīng)及其產(chǎn)生機理進行分析，歸納各相電流極性與對應(yīng)脈沖調(diào)整方案的關(guān)系，將基于脈沖調(diào)整的死區(qū)補償策略應(yīng)用于四橋臂逆變器。該補償策略在同一電流極性下脈沖調(diào)整具有一致性，易于實現(xiàn)，僅需判斷電流極性即可確定脈沖調(diào)整方案，達到校正基矢量作用時間的目的，補償死區(qū)效應(yīng)。分別在三相平衡及不平衡工況下對基于脈沖調(diào)整的四橋臂逆變器死區(qū)補償策略進行仿真和實驗分析，結(jié)果表明該補償策略能提高逆變器輸出能力，減小波形畸變程度，有效補償了死區(qū)效應(yīng)。

四橋臂逆變器三維空間矢量脈寬調(diào)制死區(qū)補償脈沖調(diào)整

0　引言

與三相三橋臂逆變器相比，四橋臂結(jié)構(gòu)的開關(guān)狀態(tài)由8個增加到16個，其控制自由度大、輸出電流紋波小、中線電流控制靈活，在不平衡系統(tǒng)中更具優(yōu)勢[1]，并在有源電力濾波器[1，2]以及分布式并網(wǎng)發(fā)電[3，4]等場合得到了廣泛應(yīng)用。

四橋臂逆變器常用調(diào)制方法包括三維空間矢量脈寬調(diào)制(Three Dimensional Space Vector Pulse Width Modulation，3D-SVPWM)和載波脈寬調(diào)制(Carrier Base Pulse Width Modulation，CBPWM)等。3D-SVPWM調(diào)制算法以其輸出諧波畸變率小、易于數(shù)字化實現(xiàn)以及直流側(cè)電壓利用率高等優(yōu)勢在四橋臂逆變器中被廣泛采用[5]。在3D-SVPWM基礎(chǔ)上提出的簡化算法直接利用三相參考電壓矢量計算開關(guān)器件導(dǎo)通時刻[6]，較傳統(tǒng)算法計算量減小，更加簡單直觀。

為避免同一橋臂的上下開關(guān)管同時導(dǎo)通，需要在3D-SVPWM調(diào)制過程中加入死區(qū)時間。死區(qū)時間的加入會降低輸出電壓對參考電壓的等效程度，尤其在有源濾波器等對開關(guān)頻率要求較高的應(yīng)用場合中，逆變器受死區(qū)的影響會更大，所以對逆變器的死區(qū)效應(yīng)補償非常有必要。眾多學(xué)者針對死區(qū)補償進行了研究，所提出的方法可分為平均電壓補償法和脈沖調(diào)整補償法兩類。文獻[7-10]將死區(qū)效應(yīng)看作擾動電壓，通過在參考電壓上疊加補償電壓以抵消擾動引起的平均誤差電壓，從而實現(xiàn)死區(qū)補償，這種方法易于實現(xiàn)，但補償準(zhǔn)確度不高。文獻[11-16]提出基于脈沖調(diào)整的補償方法，在不改變脈沖作用等效程度的情況下，通過改變單相觸發(fā)脈沖，避免死區(qū)帶來的不良影響，可對死區(qū)時間[11-13]、器件開關(guān)延時[14，15]、管壓降[14，15]以及電路中寄生參數(shù)[16]帶來的死區(qū)效應(yīng)進行補償，這種方法能夠?qū)λ绤^(qū)效應(yīng)進行較精確的補償，但對控制器的要求更高。死區(qū)補償通常依賴于電流極性判斷，但電流過零時易引起極性誤判，造成過零點附近無法完全補償死區(qū)。文獻[9，13]通過觀測擾動電壓矢量以避免直接檢測電流方向，文獻[10，15]對電流進行濾波以減小高頻噪聲和零電流鉗位現(xiàn)象的影響。以上方法不同程度地解決了三橋臂逆變器的死區(qū)效應(yīng)問題。

本文采用簡化3D-SVPWM算法對四橋臂逆變器進行調(diào)制。針對四橋臂逆變器開關(guān)狀態(tài)多、電壓矢量分布復(fù)雜以及死區(qū)補償實現(xiàn)困難的問題，通過分析死區(qū)對四橋臂逆變器基矢量作用時間的影響，歸納四橋臂逆變器各相電流極性與對應(yīng)脈沖調(diào)整方案的關(guān)系，將基于脈沖調(diào)整的死區(qū)補償策略應(yīng)用于四橋臂逆變器。該策略根據(jù)四橋臂輸出電流極性特點，對一相或兩相橋臂的驅(qū)動信號實施調(diào)整，并根據(jù)電流極性判斷開關(guān)器件應(yīng)提前或延遲觸發(fā)，以達到校正基矢量作用時間的目的，抑制死區(qū)效應(yīng)。最后對基于脈沖調(diào)整的四橋臂逆變器死區(qū)補償策略進行了仿真和實驗分析。

1　四橋臂逆變器結(jié)構(gòu)及簡化算法

四橋臂逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，逆變器包括a、b、c、f四個橋臂，va、vb、vc、vf分別為各相輸出電壓，ia、ib、ic、if分別為各相輸出電流，Vdc為直流側(cè)電壓。

圖1　四橋臂逆變器拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1　Four-leg inverter topology

四橋臂逆變器中任一橋臂上管導(dǎo)通以p表示，下管導(dǎo)通以n表示，共16種開關(guān)狀態(tài)，對應(yīng)矢量在αβγ坐標(biāo)系中的分布如圖2所示。16個基矢量構(gòu)成一個六棱柱，該六棱柱由6個三棱柱組成，每個三棱柱由4個四面體組成，共24個四面體。3D-SVPWM策略利用2個零矢量和3個非零矢量合成參考電壓矢量[5]。

圖2　基矢量在α β γ坐標(biāo)系中的分布Fig.2　Base vectors in α β γ coordinate

圖3　簡化3D-SVPWM算法流程圖Fig.3　Flow chart of simplified 3D-SVPWM

2　死區(qū)效應(yīng)分析

以四橋臂逆變器的一相橋臂為例分析死區(qū)時間對逆變器的影響，如圖4所示，其中v為輸出電壓，i為輸出電流。

圖4　單相橋臂Fig.4　Single leg

(1)

Te=Td+ton-toff

(2)

由圖5可知，四橋臂逆變器調(diào)制過程中加入的死區(qū)時間會導(dǎo)致實際電壓偏離參考值，降低實際輸出電壓與參考電壓的等效程度，其偏差受電流極性影響。

圖5　單相橋臂觸發(fā)脈沖及輸出電壓Fig.5　Trigger pulse and output voltage of single leg

3　四橋臂逆變器死區(qū)補償策略

將電壓基矢量投影到αβ坐標(biāo)系中，根據(jù)文獻[17]，逆變器帶阻性負載時，電流極性與基矢量投影之間的關(guān)系如圖6所示，其中正負號由內(nèi)至外分別表示a、b、c及第四橋臂的輸出電流極性，“+”表示電流從橋臂流出，“-”表示電流流入橋臂，“x”表示電流極性可為正或負，扇區(qū)Ⅰ～Ⅵ對應(yīng)圖2所示α β γ坐標(biāo)系中6個三棱柱在αβ平面中的投影。

圖6　電流極性與基矢量投影的關(guān)系Fig.6　Relationship between current and voltage projection

若a、b、c三相電流極性為“+--”，則電流矢量在區(qū)域1或12內(nèi)。

以電流矢量在區(qū)域1內(nèi)為例：當(dāng)逆變器所帶負載為阻性時，電壓矢量處在三棱柱Ⅰ內(nèi)；當(dāng)負載為阻感性時，由于電流矢量滯后電壓矢量，可判斷電壓矢量位于三棱柱Ⅰ或三棱柱Ⅱ內(nèi)，如圖7所示。

以下討論電壓矢量位于三棱柱Ⅰ內(nèi)的四面體T1中時所需的脈沖調(diào)整方案。

如果中線電流極性為“+”，則四面體T1對應(yīng)電壓基矢量的作用時間及其理想驅(qū)動信號如圖8中虛線所示，根據(jù)圖5可知，加入死區(qū)后，等效驅(qū)動信號如圖8中實線所示。

圖8　中線電流為“+”時T1中基矢量的作用時間Fig.8　Duty factors of T1 vectors when neutral current is “+”

由圖8可見，加入死區(qū)時間后，V1、V3的作用時間不受影響，V2的作用時間縮短了2Te。為抑制死區(qū)效應(yīng)，應(yīng)補償V2基矢量的作用時間，以保證輸出電壓等效程度。具體調(diào)整方案為：不改變b、c兩相驅(qū)動信號，提前觸發(fā)a相與第四橋臂上開關(guān)管，觸發(fā)時刻調(diào)整如式(3)所示。

(3)

如果中線電流極性為“-”，加入死區(qū)時間后，V2、V3的作用時間不受影響，V1的作用時間縮短了2Te，如圖9所示。為保證輸出電壓等效程度，相應(yīng)調(diào)整方案為：不改變b、c兩相驅(qū)動信號，提前觸發(fā)a相與第四橋臂上開關(guān)管，觸發(fā)時刻調(diào)整如式(4)所示。

(4)

圖9　中線電流為“-”時T1中基矢量的作用時間Fig.9　Duty factors of T1 vectors when neutral current is “-”

根據(jù)以上分析方法可得，當(dāng)電壓矢量處于四面體T2、T13、T14、三棱柱Ⅱ內(nèi)或電流矢量處于圖6中的區(qū)域12內(nèi)時，所需脈沖調(diào)整方案均相同，可根據(jù)中線電流極性對a相和第四橋臂上開關(guān)管的觸發(fā)時刻進行調(diào)整：中線電流極性為“+”時觸發(fā)時刻調(diào)整如式(3)所示；中線電流極性為“-”時觸發(fā)時刻調(diào)整如式(4)所示。

分析表1可總結(jié)出如下規(guī)則：

1)若一相電流極性異于其余三相，則對極性相異相的上橋臂觸發(fā)時刻進行調(diào)整。極性相異相的電流極性為“+”時，該相觸發(fā)時刻應(yīng)提前Te；極性為“-”時，該相觸發(fā)時刻應(yīng)延遲Te。

2)若兩相電流極性異于其余兩相，則對中線和與中線同極性相的上橋臂觸發(fā)時刻進行調(diào)整。中線和與中線同極性相的電流極性為“+”時，這兩相的觸發(fā)時刻應(yīng)提前Te；電流極性為“-”時，相應(yīng)觸發(fā)時刻應(yīng)延遲Te。

表1　脈沖調(diào)整后各橋臂上開關(guān)管的觸發(fā)時刻Tab.1　Triggering time of ever leg’s upper switch after tuning pulse

以上規(guī)則表明在同一電流極性下脈沖調(diào)整方案具有一致性，只需判斷電流極性即可確定四橋臂逆變器死區(qū)補償脈沖調(diào)整方案，得到待調(diào)整驅(qū)動信號及其觸發(fā)調(diào)整方式。此規(guī)則簡化了死區(qū)補償算法，使四橋臂逆變器的死區(qū)補償易于實現(xiàn)。

4　仿真與實驗分析

為驗證基于脈沖調(diào)整的四橋臂逆變器死區(qū)補償策略的有效性，下文進行了仿真和實驗分析。

采用Maltab/Simulink仿真軟件對基于脈沖調(diào)整的四橋臂逆變器死區(qū)補償策略進行仿真分析，主電路為兩電平四橋臂結(jié)構(gòu)，帶星形聯(lián)結(jié)的阻感負載，三相參考電壓如式(5)所示，系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

(5)

忽略器件的開通與關(guān)斷延時，為了便于比較調(diào)制電壓與參考電壓的等效程度，利用截止頻率為500 Hz的低通濾波器濾除輸出相電壓的高頻成分，以得到交流側(cè)等效電壓波形。無死區(qū)時和死區(qū)補償前后的a相電壓頻譜如圖10所示，死區(qū)補償前后a相電流波形與頻譜如圖11所示。

表2　仿真和實驗時系統(tǒng)的主要參數(shù)Tab.2　Simulation and experiment’s parameters

圖10　逆變器輸出a相電壓頻譜Fig.10　Output voltage THD of phase a

圖11　逆變器輸出a相電流波形與頻譜Fig.11　Output current wave and THD of phase a

由圖10和圖11可知，加入死區(qū)時間后：逆變器輸出能力下降，基波電壓幅值由10 V降低到8.9 V，基波電流幅值為1.62 A；諧波畸變率上升，電壓畸變率由1.11%上升為4.14%，電流畸變率為2.13%，其中部分奇次諧波由死區(qū)效應(yīng)導(dǎo)致。采用脈沖調(diào)整法對該四橋臂逆變器死區(qū)補償后：逆變器輸出能力提高，基波電壓幅值上升為參考值10 V，基波電流幅值上升為1.82 A；波形畸變程度減小，電壓畸變率降低到1.37%，電流畸變率降低到1.45%。

同一電流極性下，電壓矢量所在位置不同，為了驗證不同功率因數(shù)下所給出的脈沖調(diào)整方案的正確性，調(diào)整表2中電感參數(shù)，使功率因數(shù)如表3中所示，其他參數(shù)不變，通過仿真，死區(qū)補償前后a相電壓幅值與畸變率如表3所示。

由表3可知，基于脈沖調(diào)整的四橋臂逆變器死區(qū)補償策略在不同負載功率因數(shù)下均能較好地補償死區(qū)

效應(yīng)，提高橋臂輸出能力，抑制死區(qū)造成的波形畸變。

表3　不同功率因數(shù)時的死區(qū)補償效果Tab.3　Compensation effects in different power factors

若系統(tǒng)三相不平衡，設(shè)三相參考電壓如式(6)所示，a相參考電壓含5次諧波成分，5次諧波含量為20%，系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。死區(qū)補償前后三相電壓波形與a相電壓頻譜如圖12所示，a相電流波形與頻譜如圖13所示。

(6)

對比圖12和圖13可知，死區(qū)補償后輸出電壓基波幅值更接近參考值10 V，a相基波電流幅值由1.63 A上升為1.83 A；補償后波形等效程度升高，a相電壓5次諧波含量由18.08%上升為19.26%，更接近參考值20%，輸出電壓中3次、7次諧波含量分別由1.91%、1.65%下降為0.29%、0.91%，輸出電流中3次、7次諧波含量分別由0.54%、0.58%下降為0.16%、0.15%。

圖12　三相不平衡時的電壓波形與頻譜Fig.12　Voltage wave and THD when loads are unbalanced

圖13　疊加5次諧波后a相電流波形與頻譜Fig.13　Current wave and THD of phase a when 5th harmonic is added

基于四橋臂變流器平臺對該脈沖調(diào)整策略進行實驗驗證，開關(guān)器件采用BSM50GB120DLC型IGBT模塊，控制器采用德州儀器公司的TMS320F2812型數(shù)字信號處理器，利用FLUKE435電能質(zhì)量分析儀對a相輸出電流進行諧波分析。實驗參數(shù)與仿真參數(shù)一致，如式(5)和表2所示。死區(qū)補償前后a相電流波形和頻譜如圖14所示。

圖14　逆變器輸出電流a相波形與頻譜Fig.14　Output current wave and THD of phase a

由圖14可見，死區(qū)補償后逆變器輸出能力提高，輸出電流有效值由1.08 A上升為1.22 A；輸出電流波形畸變程度減小，畸變率由2.1%降低到1.4%，與仿真效果一致。

對三相不平衡工況下四橋臂逆變器死區(qū)補償策略的可行性進行實驗驗證，參考電壓如式(6)所示，系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。死區(qū)補償前后a相電流波形與頻譜如圖15所示。

圖15　疊加5次諧波后a相電流波形與頻譜Fig.15　Current wave and THD of phase a when 5th harmonic is added

由圖15可見，死區(qū)補償后逆變器輸出能力及波形等效程度均得到了提升，3次、7次電流諧波含量分別由1.3%、0.7%下降到0.7%、0.3%，與仿真效果一致。

以上仿真和實驗結(jié)果表明，基于脈沖調(diào)整的四橋臂逆變器死區(qū)補償策略在三相平衡及不平衡情況下均能提高四橋臂逆變器輸出能力，抑制死區(qū)造成的波形畸變，提高輸出波形對參考波形的等效程度，有效抑制了死區(qū)效應(yīng)帶來的不良效果，驗證了基于脈沖調(diào)整的四橋臂逆變器死區(qū)補償策略的可行性和有效性。

5　結(jié)論

本文分析了死區(qū)對四橋臂逆變器性能的影響，死區(qū)的加入導(dǎo)致逆變器輸出能力下降、波形等效程度降低。針對四橋臂逆變器死區(qū)補償實現(xiàn)困難的問題，將基于脈沖調(diào)整的死區(qū)補償策略應(yīng)用于四橋臂逆變器，該方法僅需判斷電流極性即可確定待調(diào)整的驅(qū)動信號及其觸發(fā)調(diào)整方式，在同一電流極性下脈沖調(diào)整具有一致性，易于實現(xiàn)。仿真結(jié)果表明在不同負載功率因數(shù)下該四橋臂變流器死區(qū)補償策略均能有效補償死區(qū)效應(yīng)；仿真和實驗結(jié)果表明所給出的方案在三相平衡及三相不平衡工況下均能提高逆變器輸出能力、減小死區(qū)造成的波形畸變程度，驗證了應(yīng)用于四橋臂變流器的死區(qū)補償方案的有效性和可行性。

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Dead-time Compensation Strategy for Four-leg Inverter Based on Pulse-tuning

Zhou Juan1Chen Ying1，2Tang Huiying1Wei Chen1Wu Xuan1

(1.School of Information and Electrical EngineeringChina University of Mining and Technology Xuzhou221008China 2.Sichuan Electric Power Design & Consulting Co.LtdChengdu610041China)

To avoid the short circuit of the bridge，the dead-time is often added，which causes the drop of the output capability and the distortion of the output waveforms，and needs to be compensated.The dead-time compensation of the four-leg inverter is hard to be implemented due to its multiple switch states and complex voltage vectors distribution.The forming mechanism of the dead-time effect is firstly analyzed.Then the relevance between the currents polarities and the corresponding compensation methods are generalized.Afterwards a dead-time compensation strategy based on pulse-tuning for four-leg inverters is obtained.This compensation strategy has consistency in specific currents polarities.So it is easy to be implemented.The compensation method is determined as long as the currents polarities are distinguished.The dead-time effect is compensated by correcting the duty factors of the base vectors.Simulation and experiment results prove that the proposed compensation strategy is effective in both balanced and unbalanced situation，can raise the output capability，and reduce the waveform distortion.

Four-leg inverter，3D-SVPWM，dead-time compensation，pulse-tuning

2015-01-27改稿日期2015-11-30

TM464

周娟女，1976年生，博士，教授，研究方向為電能質(zhì)量控制、電力電子技術(shù)與應(yīng)用。

E-mail：zhjcumt@126.com(通信作者)

陳映男，1991年生，碩士研究生，研究方向為電能質(zhì)量控制技術(shù)。

E-mail：903495603@qq.com

國家自然科學(xué)基金資助項目(51407184)。