基于纹波预测的三电平逆变器脉冲延时补偿系统及方法

技术领域

本发明属于三电平逆变器技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于纹波预测的三电平逆变器脉冲延时补偿系统及方法。

背景技术

相比于两电平逆变器，三电平逆变器能够输出的电平数更多，每个开关管承受的电压仅为直流母线电压的一半，具有输出波形正弦度好、承压等级高、开关损耗低、运行效率高、使用寿命长等特点，在航空航天、电动汽车等高压大功率领域得到越来越广泛的应用。

在实际应用中，为了防止桥臂直通，需要在三电平逆变器同一相互补的开关管控制信号中插入死区时间，再加上功率器件的开通关断过程等非理想因素的影响，逆变器实际输出的桥臂电压脉冲与PWM(脉宽调制)数字信号之间存在延时，导致输出电流发生畸变，基波分量减小，低次谐波增大，从而增加电机损耗，系统控制性能变差。因此有必要对该脉冲延时进行补偿。

现有的补偿技术大多是针对两电平逆变器，基于电流极性判断的补偿方法没有考虑电流高频纹波的影响，使得过零点附近的电流极性判断存在误差，影响补偿效果；基于扰动观测器的补偿方法需要获取精确的电机模型，容易受电机参数变化的影响。且现有技术主要针对开关周期内的平均电压或占空比进行修正，较少关注桥臂电压脉冲上升沿和下降沿具体的延时时间，补偿不够精确。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于纹波预测的三电平逆变器脉冲延时补偿系统及方法，在不额外增加复杂硬件电路的前提下，对三电平逆变器的桥臂电压脉冲边沿延时进行精确补偿，以满足更精细化的控制需求。

为实现上述发明目的，本发明提供一种基于纹波预测的三电平逆变器脉冲延时补偿系统，包括三电平逆变器、负载，其特征在于，还包括：电流采样模块、桥臂电流纹波预测模块、桥臂电压边沿延时计算模块、控制信号补偿模块；

所述电流采样模块的输入端与三电平逆变器的输出端相连，用于采集三电平逆变器各相桥臂的低频电流i

所述桥臂电流纹波预测模块包括依次连接的占空比计算单元、分段时间计算单元和电流高频纹波预测单元；

其中，所述占空比计算单元对接收的低频电流i

所述分段时间计算单元先根据实时占空比d

所述电流高频纹波预测单元根据作用在各相电感L

所述桥臂电压边沿延时计算模块的第一输入端连接电流采样模块，第二输入端连接桥臂电流纹波预测模块的输出端；将每个分段内的高频纹波电流i

所述控制信号补偿模块根据桥臂电压的上升沿和下降沿的延时补偿时间在线修正当前开关周期内各相PWM信号边沿的初始位置，从而实现三电平逆变器脉冲延时补偿。

本发明还提供一种基于纹波预测的三电平逆变器脉冲延时补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、建立桥臂电压开关边沿延时函数；

其中，

(2)、通过电流采样模块采集三电平逆变器各相桥臂的低频电流i

(3)、通过占空比计算单元对低频电流i

(4)、根据实时占空比d

(5)、根据作用在各相电感L

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其中，f

(6)、预测当前开关周期的每个分段内的高频纹波电流；

i

其中，i

(7)、将每个分段内的高频纹波电流i

(8)、将i

(9)、在各相PWM信号边沿的初始位置上插入死区时间T

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明基于纹波预测的三电平逆变器脉冲延时补偿系统及方法，先通过电流采样模块采集三电平逆变器各相桥臂的低频电流i

同时，本发明基于纹波预测的三电平逆变器脉冲延时补偿系统及方法还具有以下有益效果：

(1)、本发明通过对桥臂的高频纹波电流进行预测，解决了仅考虑滤波后的低频电流时过零点附近电流极性判断存在误差的问题；

(2)、本发明综合考虑死区续流延时时间，以及三电平逆变器中功率器件的开通关断延时时间与桥臂电流极性和幅值的关系，建立桥臂电压开关边沿延时函数，能够对桥臂电压脉冲的上升沿和下降沿延时进行精确补偿，减少输出电流波形畸变，改善逆变器性能。

附图说明

图1是本发明基于纹波预测的三电平逆变器脉冲延时补偿系统原理图；

图2是图1所示桥臂电流纹波预测模块的原理图；

图3是开关周期分段示意图；

图4调制电压大于0和调制电压小于0时死区时间内桥臂电流的流通方向示意图；

图5是调制电压大于0和调制电压小于0时各开关管的控制信号以及桥臂电压的理想波形和实际输出波形的对比图；

图6是2us死区情况下三电平逆变器桥臂电压的上升沿和下降沿延时时间曲线；

图7是三电平逆变器桥臂的实际电流纹波与预测电流纹波对比图；

图8是同一工况下不补偿、传统固定时间死区补偿和本发明提供的脉冲延时补偿方法的A相电流曲线；

图9是不同补偿方法下的电流谐波对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明基于纹波预测的三电平逆变器脉冲延时补偿系统原理图。

在本实施例中，如图1所示，本发明提供一种基于纹波预测的三电平逆变器脉冲延时补偿系统，包括三电平逆变器、负载、电流采样模块、桥臂电流纹波预测模块、桥臂电压边沿延时计算模块和控制信号补偿模块；

电流采样模块的输入端与三电平逆变器的输出端相连，用于采集三电平逆变器各相桥臂的低频电流i

如图2所示，桥臂电流纹波预测模块包括依次连接的占空比计算单元、分段时间计算单元和电流高频纹波预测单元；

其中，占空比计算单元对接收的低频电流i

分段时间计算单元先根据实时占空比d

电流高频纹波预测单元根据作用在各相电感L

桥臂电压边沿延时计算模块的第一输入端连接电流采样模块，第二输入端连接桥臂电流纹波预测模块的输出端；将每个分段内的高频纹波电流i

控制信号补偿模块根据桥臂电压的上升沿和下降沿的延时补偿时间在线修正当前开关周期内各相PWM信号边沿的初始位置，从而实现三电平逆变器脉冲延时补偿。

下面我们对基于纹波预测的三电平逆变器脉冲延时系统进行延时补偿的具体过程进行描述，包括以下步骤：

S1、建立桥臂电压开关边沿延时函数；

其中，

S2、通过电流采样模块采集三电平逆变器各相桥臂的低频电流i

S3、通过占空比计算单元对低频电流i

S4、根据实时占空比d

在本实施例中，图3展示了d

S5、根据作用在各相电感L

其中，f

S6、预测当前开关周期的每个分段内的高频纹波电流；

i

其中，i

S7、将每个分段内的高频纹波电流i

S8、将i

S9、在各相PWM信号边沿的初始位置上插入死区时间T

接下来的分析以典型的二极管钳位型三电平逆变器为例进行延时补偿说明。如图4所示，其中，图4(a)和图4(b)展示了调制电压大于0和调制电压小于0时死区时间内桥臂电流的流通方向。

以A相为例，调制电压大于0时，如图4(a)所示，当桥臂电流i

在本实施例中，在死区时间设置为2us的情况下进行测试，得到三电平逆变器桥臂电压的上升沿和下降沿延时时间如图6所示。对于上升沿延时曲线，当i

从上述分析可以，脉冲的边沿延时与边沿时刻电流的方向与幅值有关。因此，为补偿脉冲边沿延时，需实时获取上升沿和下降沿时刻的桥臂电流。桥臂电流中含有高频纹波，而通过采样电路仅能获取低频电流，所以需要对桥臂电流纹波进行预测，以得到精确的上升沿和下降沿时刻电流的幅值和方向。

在本实施例中，通过桥臂电流纹波预测模块预测三电平逆变器桥臂电流纹波预测结果如图7所示，预测出的电流纹波与实际的电流纹波一致，为桥臂电流极性判断的精确性奠定了基础。

在预测出每个分段内的电流纹波后，我们可以通过桥臂电压边沿延时计算模块计算桥臂电压上升沿和下降沿的延时时间

在本实施例中，同样以A相为例，如图5所示，在初始PWM信号的基础上，当调制电压大于0时，对于前半开关周期，将S

在本实施例中，假设为直流母线电压200V，负载电感0.55mH，死区时间3us。图8(a)-图8(c)分别是此工况下不补偿、传统固定时间死区补偿方法以及通过本发明脉冲延时补偿方法的A相电流。图9是不同补偿方法下电流谐波对比图。根据图8和图9可知，未补偿时电流畸变严重，5次和7次谐波幅值较大，分别为0.24A和0.11A，补偿后电流基波幅值增加，谐波幅值减小，正弦度提升。其中利用传统固定时间死区补偿方法补偿后的5次和7次谐波幅值分别为0.05A和0.03A，利用本发明提供的基于纹波预测的脉冲延时补偿方法补偿后的谐波5次和7次谐波幅值分别为0.02A和0.009A，说明本发明提供的基于纹波预测的脉冲延时补偿方法显著优于传统固定时间死区补偿方法，具有良好的补偿效果。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。