申请/专利权人：华中科技大学

申请日：2018-10-31

公开（公告）日：2020-02-14

公开（公告）号：CN109510445B

主分类号：H02M1/12(20060101)

分类号：H02M1/12(20060101);H02M1/44(20070101);H02M7/5387(20070101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.02.14#授权;2019.04.16#实质审查的生效;2019.03.22#公开

摘要：本发明公开了一种考虑电感饱和特性的变开关频率调制方法，该调制方法基于考虑电感饱和的电流纹波预测模型，通过实时更新逆变器开关频率来控制电流纹波分布。采用本发明的变开关频率调制方法，在滤波电感饱和的情况下，仍能有效的预测各个开关周期内电流纹波，并以电流纹波为控制对象对逆变器进行开关频率的抖动，相对于固定开关频率的传统PWM方法，平均开关频率降低，直接降低逆变器系统开关损耗；其次，开关频率的抖动，能有效的降低系统传导EMI。

主权项：1.一种考虑电感饱和特性的逆变器变开关频率调制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，根据实际电感与负载电流的关系，确定等效电感，各相的等效电感在各相实际电感的基础上还包括各相实际电感对负载电流的导数与负载电流的乘积；步骤2，对开关周期进行时间分段，基于所述等效电感预测每个分段时间内的电流纹波的斜率，并基于所述开关周期的时间分段情况和预测的电流纹波的斜率，预测电流纹波峰值；步骤3，基于预测的电流纹波峰值和电流纹波限定值更新逆变器的开关频率，使得下个周期的电流纹波峰值等于电流纹波限定值。

全文数据：一种考虑电感饱和特性的逆变器变开关频率调制方法技术领域本发明属于电力电子领域，更具体地，涉及一种考虑电感饱和特性的逆变器变开关频率调制方法。技术背景在使用脉宽调制技术的逆变器系统中，由于PWM电压的激励，往往需要设计滤波器去抑制高频谐波。然而，设计的电感值往往不是一个理想的定值，会依据电感的饱和特性，随电流实时变化。当实际电感值大范围变化时，电流纹波的预测计算也会受其影响。现有电流纹波的预测计算，往往是假设滤波电感的电感值在任意工况时固定不变，并没有考虑电感值变化对电流纹波预测计算的影响。在实际电感饱和的情况下，需要提出新的计算模型，对电流纹波进行精确计算。以此为基础，设计基于电流纹波预测模型的变开关频率PWM。发明内容针对于现有技术的改进需求，本发明提供了一种考虑电感饱和特性的变开关频率调制方法，在于解决现有电流纹波的预测计算，并没有考虑电感值变化对电流纹波预测计算的影响不能对电流纹波进行精确预测和控制的技术问题。为实现上述目的，本发明提供一种考虑电感饱和特性的逆变器变开关频率调制方法，包括如下步骤：步骤1，根据实际电感与负载电流的关系，确定等效电感，各相的等效电感在各相实际电感的基础上还包括各相实际电感对负载电流的导数与负载电流的乘积；步骤2，对开关周期进行时间分段，基于所述等效电感预测每个分段时间内的电流纹波的斜率，并基于所述开关周期的时间分段情况和预测的电流纹波的斜率，预测电流纹波峰值；步骤3，基于预测的电流纹波峰值和电流纹波限定值更新逆变器的开关频率，使得下个周期的电流纹波峰值等于电流纹波限定值。在一个可选的实例中，所述步骤1中，第k相等效电感c为：其中，Lk为第k相电感实际值，由通入电感的负载电流决定；为实际电感对负载电流的导数与负载电流的乘积，由通入电感的负载电流决定。在一个可选的实例中，设单个开关周期内，等效电感视为定值。在一个可选的实例中，所述步骤2具体包括如下步骤：步骤2-1，确定各相等效电感三相占空比da,db,dc以及三相负载电压ea,eb,ec，在单个开关周期内，将开关周期分为多段时间；步骤2-2，基于电流纹波预测模型和三相负载电压ea,eb,ec，确定各相每段时间作用在电感上的电压，获得各相在每段时间的电流纹波斜率；所述电流纹波预测模型为考虑电感饱和特性的电流纹波单相预测模型；第k相在每段时间的电流纹波斜率为其中，ik_ripple表示电流纹波，VKNt表示逆变器K电位点和N电位点之间的输出端电压K＝A，B，C，A、B、C以及N均为逆变器的电位点，VONt表示逆变器共模电压瞬时值，表示逆变器输出端电压在一个开关周期内平均值，表示逆变器输出端电压在一个开关周期内平均值，t表示时间变量，Ts表示固定开关周期；步骤2-3，通过三相占空比和固定开关周期TS，分别求出分段后的每段作用时间长度；步骤2-4，基于每段作用时间长度和各相在每段时间的电流纹波斜率求出各相电流纹波峰值。在一个可选的实例中，基于步骤1确定的等效电感确定所述共模电压瞬时值：在一个可选的实例中，基于步骤1确定的等效电感确定所述共模电压单个开关周期内平均值：其中，t1和t2为将开关周期分为多段时间时所用到的参数，t1＝dmax-dmidTs，t2＝dmid-dminTsdmax，dmid，dmin分别为三相占空比最大值、中间值和最小值，表示a相负载电压单个开关周期内平均值，表示b相负载电压单个开关周期内平均值，表示c相负载电压单个开关周期内平均值。在一个可选的实例中，所述步骤3包括如下步骤：对开关周期进行更新：其中，TN为更新的开关周期，Ts为固定开关周期，Rrequire为固定开关周期对应的电流纹波限定值，Rpeak_k为固定开关周期下各相电流纹波预测峰值。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1本发明提供的考虑电感饱和特性的变开关频率调制方法，基于考虑电感饱和的电流纹波预测模型，在电感饱和的情况下，能有效对电流纹波进行预测计算，基于电流纹波预测值使得满足电流纹波峰值限定的前提下，实现充分利用电流纹波峰值限定空间，同时为了调节电流纹波峰值，达到了降低了开关频率，实现了对开关频率的有效控制。2本发明提供的考虑电感饱和特性的变开关频率调制方法，开关频率实时变化，相应的电流谐波拥有更宽泛的频谱，从而考虑电感饱和的变开关频率PWMVSFPWM能明显的降低固定开关频率PWMCSFPWMEMI噪声峰值，降低开关损耗，改善逆变器性能。附图说明图1是典型的两电平三相逆变器拓扑结构示意图；图2是按照本发明实现的考虑电感饱和特性的通用单相电流纹波预测电路模型示意图；图3是典型的磁粉芯材料的电感饱和曲线示意图；图4是按照本发明单个开关周期内的电流纹波预测示意图；图5是本发明实现的考虑电感饱和特性的变开关频率PWM控制实现框图；图6是按照本发明实现的在母线电压200V、调制系数0.7的工况下三相电流纹波示意图；图7是按照本发明实现的在母线电压200V、调制系数0.7的工况下开关频率变化示意图；图8是按照本发明实现的在母线电压200V、调制系数0.7的工况下EMI比较示意图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本发明首先提出了考虑电感饱和的电流纹波预测模型，基于该预测模型，以三相电流纹波峰值为控制对象，实时调整逆变器开关频率，从而降低逆变器系统开关损耗和EMI噪声峰值。为实现上述目的，按照本发明的一个技术解决方案，提出了一种考虑电感饱和特性的变开关频率调制方法，该调制方法包括如下步骤：1电感参数辨识2电流纹波预测3开关周期更新进一步的，所述步骤1还包括如下子步骤：1-1基于电感值和电流关系曲线，依据三相负载电流采样值，计算实时电感值；进一步的，所述步骤2还包括如下子步骤：2-1基于如下所示预测模型，计算每段作用在电感上的电压，获得电流纹波斜率；2-2通过三相占空比和固定开关周期TS，分别求出每段实际作用时间。进一步的，所述步骤3还包括如下子步骤：根据三相纹波电流峰值与开关周期成正比的关系，对开关周期进行更新：接下来分析以通用两电平三相逆变器为例，图1是典型的两电平三相逆变器拓扑结构示意图，如图1所示，由基尔霍夫电压定律，三相电路有：其中，R表示线路等效电阻，ψa表示a相电感磁链，ψb表示b相电感磁链，ψc表示c相电感磁链，iat表示a相电流，ibt表示b相电流，ict表示c相电流。右边第二项可进一步写为：其中，本发明定义三相等效电感参数：上式中，Lk为电感实际值，如图2所示，由通入电感的负载电流决定；ikdLkdik为实际电感对负载电流的导数与负载电流的乘积，同样由通入电感的负载电流决定。例如图3是典型的磁粉芯材料的电感饱和曲线示意图，由图3可见，基于电感值和电流关系曲线，依据三相负载电流采样值，可以计算实时电感值，也可以计算实际电感对负载电流的导数。为简化分析计算，假设单个开关周期内，等效电感可视为定值。本发明提出的考虑电感饱和的单相通用电流纹波预测模型，如图2所示。其中，VKN为第k相逆变器输出端电压，VON为三相逆变器瞬时共模电压，和分别为端电压和共模电压在一个开关周期内平均值，为等效电感。不失一般性，以a相为例。单个开关周期内，三相PWM脉冲共有三个上升沿和三个下降沿，以将整个开关周期分为七段为例，如图4所示，可设每段的时间长度依次为：每段对应的作用时间可计算如下：上式中，dmax，dmid，dmin分别为三相占空比最大值、中间值和最小值，Ts为固定开关周期。基于如图2所示的电流纹波预测模型，每段作用时间内，第k相电流纹波的斜率可由下式求得：跟现有技术相比，不再是一个恒定值，共模电压的求取不一样。更进一步的，三相电压方程可写为：共模电压瞬时值可表示为：共模电压单个开关周期内平均值如下：已知电流纹波每段作用时间以及该段作用时间内斜率，则可预测计算出电流纹波峰值。图5为本发明提出的考虑电感饱和特性的变开关频率PWM控制实现框图，主要分为三个部分1电感参数辨识2电流纹波预测3开关周期更新。当电感参数辨识模块接收到采样器信号，从控制器读入三相负载电流，依据电感值与负载电流关系曲线，对等效电感参数进行更新，与三相占空比和三相负载电压送入电流纹波预测模块；依据前述的电流纹波预测方法，对电流纹波值进行预测计算，将三相电流纹波预测峰值送入开关周期更新模块；为了使得下个周期的三相电流纹波峰值等于电流纹波限定值，在开关周期更新模块内，更新的开关周期如下：上式中，TN为更新的开关周期，Ts为固定开关周期，Rrequire为固定开关周期对应的电流纹波限定值，Rpeak_k为固定开关周期下三相电流纹波预测峰值。当一个完整的载波产生完成时，采样器发出信号，进入下一个开关周期控制。需要理解的是，由于在每个开关周期内每一段的电流纹波的斜率是固定的，因此若想增加某相的电流纹波峰值，则需要增加开关时间，即增加开关周期。如图6所示，图6b是按照本发明实现的变开关频率PWMVSFPWM控制三相电流纹波结果，相比于图6a所示传统的固定开关频率PWMCSFPWM，变开关频率PWM控制下，任一开关周期内，电流纹波峰值仍等于限定值。本发明充分利用了电流纹波峰值空间，如图6a所示，传统CSFPWM控制下电流纹波峰值还有一定空间，本发明通过基于Rrequire和Rpeak_k更新开关周期TN，使得电流纹波峰值更加接近电流纹波峰值限定值，充分利用了电流纹波峰值限定空间，同时为了调节电流纹波峰值，由于Rrequire大于Rpeak_k，则增大了开关周期TN，即降低了开关频率，当开关频率降低则可以降低开关损耗，同时可以降低VSFPWM的EMI噪声值。具体可参见图7和图8所示。如图7所示，是按照本发明实现的VSFPWM与CSFPWM开关频率的比较。相对于CSFPWM，VSFPWM开关频率在13.2kHz和15kHz之间变化，平均开关频率降低8％，从而直接降低逆变器开关损耗。如图8所示，是按照本发明实现的VSFPWM和CSFPWM传导电磁干扰EMI的比较。VSFPWM能有效地削低CSFPWM的EMI噪声峰值，将低频段150kHz-800kHzEMI噪声峰值降低了10dB。本发明提供的基于电流纹波预测的变开关频率PWM，通过实时改变逆变器开关频率控制电流纹波分布，可降低系统开关损耗、EMI噪声峰值，优化系统性能。电感饱和能影响电流纹波的预测，从而能直接影响变开关频率PWM的控制精确性，需要对其进行分析计算。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种考虑电感饱和特性的逆变器变开关频率调制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，根据实际电感与负载电流的关系，确定等效电感，各相的等效电感在各相实际电感的基础上还包括各相实际电感对负载电流的导数与负载电流的乘积；步骤2，对开关周期进行时间分段，基于所述等效电感预测每个分段时间内的电流纹波的斜率，并基于所述开关周期的时间分段情况和预测的电流纹波的斜率，预测电流纹波峰值；步骤3，基于预测的电流纹波峰值和电流纹波限定值更新逆变器的开关频率，使得下个周期的电流纹波峰值等于电流纹波限定值。2.根据权利要求1所述的逆变器变开关频率调制方法，其特征在于，所述步骤1中，第k相等效电感为：其中，Lk为第k相电感实际值，由通入电感的负载电流决定；为实际电感对负载电流的导数与负载电流的乘积，由通入电感的负载电流决定。3.根据权利要求1或2所述的逆变器变开关频率调制方法，其特征在于，设单个开关周期内，等效电感视为定值。4.根据权利要求2所述的逆变器变开关频率调制方法，其特征在于，所述步骤2具体包括如下步骤：步骤2-1，确定各相等效电感三相占空比da,db,dc以及三相负载电压ea,eb,ec，在单个开关周期内，将开关周期分为多段时间；步骤2-2，基于电流纹波预测模型和三相负载电压ea,eb,ec，确定各相每段时间作用在电感上的电压，获得各相在每段时间的电流纹波斜率；所述电流纹波预测模型为考虑电感饱和特性的电流纹波单相预测模型；第k相在每段时间的电流纹波斜率为其中，ik_ripple表示电流纹波，VKNt表示逆变器K电位点和N电位点之间的输出端电压K＝A，B，C，A、B、C以及N均为逆变器的电位点，VONt表示逆变器共模电压瞬时值，表示逆变器输出端电压在一个开关周期内平均值，表示逆变器输出端电压在一个开关周期内平均值，t表示时间变量，Ts表示固定开关周期；步骤2-3，通过三相占空比和固定开关周期TS，分别求出分段后的每段作用时间长度；步骤2-4，基于每段作用时间长度和各相在每段时间的电流纹波斜率求出各相电流纹波峰值。5.根据权利要求4所述的逆变器变开关频率调制方法，其特征在于，基于步骤1确定的等效电感确定所述共模电压瞬时值：6.根据权利要求4所述的逆变器变开关频率调制方法，其特征在于，基于步骤1确定的等效电感确定所述共模电压单个开关周期内平均值：其中，t1和t2为将开关周期分为多段时间时所用到的参数，t1＝dmax-dmidTs，t2＝dmid-dminTsdmax，dmid，dmin分别为三相占空比最大值、中间值和最小值，表示a相负载电压单个开关周期内平均值，表示b相负载电压单个开关周期内平均值，表示c相负载电压单个开关周期内平均值。7.根据权利要求1所述的逆变器变开关频率调制方法，其特征在于，所述步骤3包括如下步骤：对开关周期进行更新：其中，TN为更新的开关周期，Ts为固定开关周期，Rrequire为固定开关周期对应的电流纹波限定值，Rpeak_k为固定开关周期下各相电流纹波预测峰值。

百度查询： 华中科技大学 一种考虑电感饱和特性的逆变器变开关频率调制方法

免责声明
1、本报告根据公开、合法渠道获得相关数据和信息，力求客观、公正，但并不保证数据的最终完整性和准确性。
2、报告中的分析和结论仅反映本公司于发布本报告当日的职业理解，仅供参考使用，不能作为本公司承担任何法律责任的依据或者凭证。

阅读全文 双屏查看 官方信息 专利公告 收藏专利 下载PDF 下载WORD