2013 年 9 月电工技术学报 Vol.28 No. 9 第 28 卷第 9 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Sep. 2013 基于免疫算法的逆变器无死区控制优化 袁佳歆费雯丽魏亮亮潘建兵陈柏超田翠华 ( 武汉大学电气工程学院武汉 430072) 摘要 在电压源逆变器控制中为避免同一相桥臂上下两个功率器件发生直通, 通常需要设 置死区, 但这易导致逆变器的输出电压和电流发生畸变 本文在分析各种减少或消除死区影响 方法的基础上, 针对单相全桥逆变器提出一种新的三电平死区控制策略 在不需要精确的电流 极性检测条件下, 该方法可以实现在电流零点附近以及各区域之间无缝过渡的无死区控制 并 借助于免疫算法对满足死区消除方法的脉宽调制 (PWM) 控制序列进行优化, 提高逆变器输出 波形质量 本文对新控制策略进行仿真研究和搭建了基于数字信号处理器 (DSP) 控制器的试验 平台进行小容量模拟实验 实验和仿真结果证明该算法所产生的无死区最优 PWM 控制序列与 常规控制策略相比不仅能有效地消除死区影响, 还能明显减小逆变器输出波形的总谐波畸变率 (THD) 关键词 : 免疫算法无死区最优 PWM 控制总谐波畸变率 中图分类号 : TM344.1 Optimal Dead-Time Elimination for Voltage Source Inverters Based on Immune Algorithm Yuan Jiaxin Fei Wenli Wei Liangliang Pan Jianbing Chen Baichao Tian Cuihua (School of Electrical Engineering, Wuan University Wuhan 430072 China) Abstract A dead time should be considered in a PWM gate signal in order to avoid the shortcircuit of inverter legs. Such a dead time causes some problems such as output voltage and current waveforms distortion. Based on the analysis of the effect of eliminating the dead-time, this paper proposes a novel dead time elimination method for single phase full bridge inverter which employs the three-level PWM control strategy. The presented method can eliminate the dead time clearly and implement a smooth transition through the whole cycle without a precise current polarity detection circuit. In addition, by using the IA as the search method for finding the optimal control sequences accord with the no dead time rules, the algorithm can optimize the quality of an output current waveform. Furthermore, an experimental platform based on DSP and FPGA is built. The simulation and experimental results verify the best dead time elimination control sequences generated by IA compared with the existing conventional control strategies, not only effectively and safely eliminate the effect of dead time, but also significantly reduce the THD of the output waveform. Keywords:Immune algorithm(ia), dead-time elimination, optimal PWM control, THD 国家重点基础研究发展规划 ( 2009CB724506) 和国家自然科学基金 (50807041) 资助项目 收稿日期 2012-09-21 改稿日期 2012-11-20 1 引言随着电力电子技术的发展, PWM 电压源型逆 变器 (Voltage Source Inverter, VSI) 在变频调速 智能电网等现代工业生产和居民生活中得到广泛的应用 从理论上来说采用 PWM 控制后逆变器输出波形的谐波成分应该较高 ( 集中在载波频率的整数倍周围 ) [1] 但实际应用中, 半导体开关器件具有非理想的开关特性, 使器件导通时间小于关断时间,
248 电工技术学报 2013 年 9 月 容易造成同相桥臂互补的两个功率器件开关发生直通短路故障, 为避免这种情况, 通常将信号延时导通或是提前关断即设置死区 但死区的存在将使得输出电压和电流发生非线性畸变, 且低次谐波增加, 电机转矩产生脉动及增加谐波损耗等 [2], 尤其是在电压低, 开关频率高时影响更为严重 [3] 为了减小和消除死区的影响, 很多专家和学者进行了大量研究, 主要包括几个方面 : 1 死区补偿 ; 2 死区时间最小化 ;3 消除死区时间 死区补偿方法 [4-8] 主要是对死区误差进行电压补偿, 或者调整驱动脉冲信号 PWM 宽度而进行时间的补偿, 使实际的开通时间与理想导通时间相一致 文献 [4] 提出通过改变开关频率与门极信号脉宽来减少逆变器输出电压的畸变, 但其计算量大 文献 [5,6] 提出的在线补偿方法可以消除功率管开关时间以及功率管上压降的变动对死区补偿效果的影响, 但其前提是电动机参数必须准确 文献 [7] 通过在基波指令电压矢量上叠加一个补偿矢量以抵消死区引起的扰动电压矢量, 但硬件检测电路带来了不可靠性 复杂性 文献 [8] 通过在 dq 坐标系下计算电流大小, 提出分别独立地改变三个桥臂各自的死区时间, 目的是使由死区引起的扰动电压矢量跟随电流矢量同步旋转, 但最小死区允许时间是由器件自身决定且在运行中其值也是个变量 文献 [9-11] 提出一种死区时间最小化的算法 当采用硬件对电流进行检测或是计算时, 存在引入 A-D 转换的误差以及检测的滞后, 并由于存在 PWM 的开关噪声和零电流的钳位现象, 使得在电流检测中出现多个过零点的现象, 难以准确获取电流极性, 所以死区补偿与最小死区时间方法只能一定程度上减少死区效应影响, 但不能完全消除 文献 [12-15] 在分析设置死区的三要素条件基础上, 提出不设置死区的控制策略, 其原理是 : 电流在正负半周内, 实际上同一桥臂只有一个功率器件与并联二极管导通电流, 所以可以禁止实际不导通电流的功率器件驱动信号, 让其一直处于关断状态, 则上下开关之间不用再设置死区, 实现无死区控制, 但该方法需要准确获取每个开关的状态检测情况以及电流极性 在文献 [12,13] 通过判断功率管并联二极管是否导通来检测电流方向而引入了电流检测硬件电路, 其中在文献 [13] 中提出了不需要为检测电路提供单独的独立电路电源, 但是引入检测回路, 同时也将会产生经济型和可靠性等方面的缺点 此外, 文献 [12,13] 所提出的死区消除方法并不适应于多个电流过零点的情况 当电流在零点附 近时其电流方向将发生快速频繁的变换, 且数字信号的采样延时或计算延时这样更易造成驱动信号的缺失, 所以不能可靠有效地消除死区的影响 文献 [14,15] 采用常规无死区控制与过零区域死区补偿的两种方法的结合, 该方法可以有效的消除死区影响, 但是上述死区时间控制的方法都是基于两电平 PWM 控制策略 本文提出一种基于免疫算法 [16] (Immune Algorithm, IA) 的三电平无死区 PWM 控制策略 该方法在不需要精确的电流极性检测条件下即采用对参考电流进行区域划分原则, 可以实现在电流过零点附近 各区域以及各区域之间无缝过渡的无死区控制, 并借助于免疫算法对满足无死区控制方法的 PWM 控制序列进行优化 该方法不仅完全消除死区影响, 还能优化逆变器输出波形质量 2 无死区控制原理和新方法 2.1 无死区控制原理图 1 所示为单相逆变器等效拓扑电路图, S 1 ~ S 4 均为单极性二值逻辑开关, S=1 时表示导通 ; S=0 代表关断 VD 1 ~VD 4 为续流二极管 图 2 所示为将一相桥臂分解为两个相互关联的单元 当 i>0 且 S 1 导通时, 电流 i 经 S 1 流过 ;S 1 关断时 i 经 VD 2 续流, 因此这两种情况下 S 2 都无需导通 同理, 当 i<0 且 S 2 导通时, 电流 i 经 S 2 流过 ; S 2 关断时,i 经 VD 1 续流 ; 这两种情况下 S 1 都无需导通 图 1 单相逆变器主电路 Fig.1 Signal-phase full-bridge inverter
第 28 卷第 9 期袁佳歆等基于免疫算法的逆变器无死区控制优化 249 b 1 (S 1 S 4 ON) 或 0(S 1 VD 3 ON) E 或 0 c 2 (VD 2 VD 3 ON) 或 0(S4 VD 2 ON) E 或 0 d 2 (VD 2 VD 3 ON 或 S 2 S 3 ON) E e 2 (S 2 S 3 ON) 或 0(S 2 VD 4 ON) E 或 0 图 2 等效的桥臂分解单元结构 Fig.2 Decompose a generic phase-leg into equivalent switch cells 当流过逆变器一个桥臂的电流方向一定时, 只需要控制该桥臂中一个 IGBT 的开关状态就可以控制整个桥臂的输出电压, 这为无死区提供依据 解决电流过零点附近极性难以准确判断和过零区域换流问题 [12-15] 是无死区控制研究中的难点问题 2.2 一种无死区控制的新方法 2.2.1 三电平无死区 PWM 控制策略如图 1 所示, 本文采用三电平模式消除死区 当开关 S 1 S 4 导通且 S 2 S 3 关断 ( 或是 VD 1 VD 4 导通 ), 逆变器输出电压为 u 0 =E; 当 S 2 S 3 导通且 S 1 S 4 关断时 ( 或是 VD 2 VD 3 导通 ), 输出电压为 u 0 = E; 当 S 1 VD 3 导通 ( 或是 S 2 VD 4 导通 ) 输出电压为 u 0 =0 具体可参考表 1 同时, 本文将一个周期的参考电流波形分成若干个区, 如图 3 所示,a d 分别为过零区, b c e f 为常规区 f 1(VD 1 VD 4 ON) 或 0(S 3 VD 1 ON) E 或 0 图 4 所示为三电平无死区控制信号即依据电流区域确定对应的开关状态 S 1 S S 分别为常规两电平单相逆变器上下桥臂开关控制信号 ; 常规无死区 [12,13] 的上下桥臂开关控制信号 ; 三电平无死区控制信号 但是常规无死区开关控制规律只是单纯的考虑上下桥臂开关自身特性, 并没有考虑同一相对应的开关控制规律也可以不统一即不需要同时开断 三电平 PWM 控制方法充分利用了续流二极管的续流作用, 同时考虑同一相桥臂开关的协同作用, 表 1 与图 4 展示了其具体配合控制过程 图 3 参考电流分区图 Fig.3 The reference current partition figure 依据功率器件 ( S 1 ~S 4 ) 与反并联的二极管 (VD 1 ~VD 4 ) 的状态, 表 1 所示为无死区控制时 的单相逆变器正常工作时的开关序列 对应开关状 态以及输出电压 u 0 表 1 一周期内开关序列表 Tab.1 The status of the switches in a period 区域 序列及其对应开关及二极管状态 输出电压 a 1(VD 1 VD 4 ON 或 S 1 S 4 ON) E 图 4 改进型 PWM 控制信号 Fig.4 Signals for PWM generator 2.2.2 常规区域序列如当电流 i>0 时, 有可能出现 1 (u 0 =E) 2 (u 0 = E) 或 0 (u 0 =0) 但当电流在上升阶段时 (b 区域 ), 为消除死区影响, 本文采取的开关控制序列只允许出现 1 或 0, 不可能出现 2, 相似分析在电流下降时也不可能出现 1, 如果出现 2 状态也是其相对应于续流二极管 VD 2 与 VD 4 相互配合, 而不是常规的开关 S 2 与 S 3 动作 其中在开关控制序列当中 0 状态对应每个区域出现的状态都是不一样的, 例如在 e 或 f 区域中, 其 0 状态可以是 S 2 与 VD 4 导通
250 电工技术学报 2013 年 9 月 或是 S 3 与 VD 1 导通, 采取该措施有以下几个优点 : (1) 可以平均分配开关开断情况, 与文献 [12,13] 中只是一个开关动作比较, 这样既可以较少开关动作次数, 同时可以延长开关的寿命 (2) 可以使开关平滑过渡, 如 : 1 (S 1,S 4 ) 0 (S 1,VD 3 ) 2 (VD 2,VD 3 ) 2 (S 2,S 3 ) 0 (S 2,VD 4 ) 1 (VD 1,VD 4 ) 1 (S 1,S 4 ), 即开关转换都是间接通过续流二极管无缝过渡的 (3) 电流波动较小即输出波形质量较优 2.2.3 过渡区域序列如图 4 所示, 当电流由区域 b 过渡 c 时, 参照表 1, 此时开关状态出现的序列只可能是 1 或是 0, 对应电流趋势分别是增大与保持不变 ( 上一个状态的电流值 ) 但是如果过渡点出现 1 时, 电流值是处于上升阶段, 电流此时将进入 c 区域, 根据表 1, 其对应开关系列只能是 2 或是 0 ; 根据电流的对称性, 其开关序列为 2, 对应电流为下降趋势 当电流从上升的最大值至下降阶段其电流误差相对较大 但当过渡点为 0 时, 电流保持上一个状态时的值, 电流将进入 c 区域, 其开关序列为 0, 其电流值仍然保持, 相对于上升与下降之间的误差, 过渡点为 0 的误差相对较小 因此, 对于区域之间的过渡点时其开关序列为 0 2.2.4 过零区域序列当电流在图 4 中 c 区域时, 但是由于电流较小, 相对于一些检测极性装置将难准确获得极性, 如文献 [12,13], 这样容易造成误发信号或是不发信号, 因此仍然无法完全消除死区的影响 本文通过参考电流值大小划分区域 ( 本文以电流 i<±2%i max 为过零区域的临界值 ), 针对过零点时采取死区补偿方案 ( 开关提前导通或是交换相对应的控制序列 ) 如果在过零区域有可能出现序列 22 时, 对于常规无死区控制策略如文献 [12,13], 其功率器件以及二极管状态分别为 S 1 与 S 4 均关断,VD 2 与 VD 3 续流, 不需要给 S 2 与 S 3 发触发脉冲 但当此时电流过零, 由于没有给 S 2 与 S 3 发触发脉冲, 就会导致电流截断开 为了防止类似这些情况, 本文提出利用死区时间补偿方案, 即 2 的开关状态将发生变化, 也就是将原来的二极管 VD 2 与 VD 3 导通转换为 S 2 与 S 3 导通, 并且在转变的前其开关状态不允许出现 0, 即避免 S 1 与 S 2 同时动作 此方法相当于当在电流过零时将给开关 S 2 S 3 足够的准备时间, 其导通时间是由开关器件及其电路自身所决定的 当二极管不足以导通的情况下电流也将经过 S 2 与 S 3 形成回路, 使得电流值快速下降为零, 电压值仍然不变, 从而输出波形不会发生畸变 通过对过零区域序列变换, 其开关序列只可能是 2 或 1, 其状态时是由该段电流处于上升过零还是下降过零, 开关序列状态如表一所示 对应状态见表 1, 即电流在从 a b c d e f a 都是无缝过渡, 功率器件开关不会发生直通短路现象 由于过零区域的划定使得不需要精确的电流极性检测装置 通过对参考电流划分不同的区域, 综合考虑过零点 过渡点和开关利用率等一系列与死区相关的 问题, 通过免疫算法计算且优化三电平 PWM 序列即可以实现开关平滑过渡且有效的消除死区影响, 同时也可以降低 THD 3 基于免疫算法的无死区优化 3.1 免疫算法免疫算法 [16-20] (IA) 是模拟生物界自然选择和遗传机理而开发出的一种自适应全局寻优算法 它是由状态空间中的状态矢量经过一定的编码映射到遗传空间, 构成基因型数据序列, 若干数据序列组成群体, 同时将目标函数值转换为适应度函数, 用来评价数据串的优劣 如前所述, 消除死区时间的方法在于与传统的门极驱动控制信号有所不同 本 文用 IA 来优化目标函数 (Objective Function, OF) 3.2 目标函数由于直接把输出谐波含量 (THD) 作为目标来量化计算比较困难, 但逆变器输出波形与标准正弦波的拟合程度决定了其 THD 的大小, 因此可以把二者的误差作为来计算输出波形的质量 由于电流波形的对称性, 其具体由负载决定, 为了提高免疫算法的收敛性与效率性, 可以计算部分周期最后扩展为一个完整的全周期 将 1/4( 纯电感 ) 或 1/2( 阻感 ) 分成 N 等份, 每个小段时间为 2 2 t or t 4N 2N 负载电流的表达式为 kme Im 1( m t) R Im ( t) Im 1( m t) ( t m t) L
第 28 卷第 9 期袁佳歆等基于免疫算法的逆变器无死区控制优化 251 1 Xi 1 m 0,1, L n, km 1 Xi 2 0 Xi 0 n n ( m 1) t 2 i m s m t m 0 m 0 f ( x ) f ( m) I ( t) I ( t) dt (1) (2) 步骤 2: 交叉操作 交叉操作是以某一概率在某两个个体的交叉点发生相互交换的过程, 但其交叉点受过零点与过渡点所限, 如果不满足条件需要再次随机产生交叉点 图 6 所示交叉的具体过程 式中,I s (t) 为标准正弦波 函数 f(m) 的值越小, 说明实际 m 时刻逆变器输出的电流波形越逼近正弦波 本文未将开关损耗作为目标进行优化 3.3 IA 计算流程 IA 借鉴生物学中免疫系统识别外来物的刺激, 并能对之做出准确地应答, 还能保留记忆功能的独有免疫机制, 具体操作流程如图 5 所示 步骤 1: 个体编码和初始种群 编码是 IA 解决实际问题的第一步, 抗体编码结构与文献 [17-20] 相似 抗体是指单相逆变器开关模式对应的一组数字串, 其染色体结构可以定义如下 : Chrom X1, X 2, X3, L, X n (3) 式中,X n 表示每个开关对应的状态 由于电流有过零点 过渡点的特殊条件限制, 所以对于初始群体不在是简单的随机产生, 其过零点附近必须是 1 或是 2, 过渡点必须是 0, 其他的基因为随机产生 图 6 交叉操作 Fig.6 Crossover operator 变异与倒位操作与文献 [17] 中的定义相同, 但其具体操作仍需要遵循交叉操作限制条件的原则, 添加操作则与初始编码条件类似 经过 IA 的上述 8 个操作后, 算法将产生相对较好最新一代, 如果该结果能满足终止条件则程序结束 ; 否则, 算法将重新计算直到优化到最好结果 4 仿真本文以图 1 为仿真实验主电路, 其参数设置如下 : 频率 f=50hz, 电压调制比 m=1.0, 开关频率为 10kHz, 直流电压 E=88V, 电感 L=0.28H, 滞环环宽 H=3% 为保证输出波形的严格对称性, 降低了总谐波含量, 提高收敛的速度, 本文计算 1/4(N=50) 周期的三电平无死区 PWM 开关控制序列, 经过对称变换即得到整个周期的控制序列 免疫算法参数设置如下 : 种群为 200, 交叉率 P c =0.6, 变异率 P m =0.005, 倒位率 P con =0.006, 免疫选择参数 a=b= 0.5 表 2~ 表 4 所示分别为不同控制策略下所得到的开关控制序列 其中 2μs 死区时间是由开关信号延时导通 1μs 和提前关断 1μs 所构成的 表 2 死区时间为 2μs 的常规三电平控制序列 Tab.2 Three level conventional control sequence with 2μs dead-time 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 2 1 0 0 0 0 2 1 2 0 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 2 0 2 2 0 2 2 0 2 2 0 2 2 2 2 0 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 0 2 2 0 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 0 2 2 2 2 0 2 2 0 2 2 0 2 2 0 2 0 2 0 0 2 0 图 5 免疫算法流程图 Fig.5 Flow chart of immune genetic algorithm 本文算法中的浓度计算函数和免疫选择函数等均与文献 [17] 中的定义相同 0 2 0 0 0 2 1 2 0 0 0 0 1 2 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 表 3 无死区时间的三电平控制序列
252 电工技术学报 2013 年 9 月 Tab.3 Three level control sequence without dead-time 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 2 0 2 2 0 2 2 2 2 0 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 0 2 2 2 2 2 2 0 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 0 2 2 2 2 0 2 2 0 2 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 (c) 无死区时间的常规三电平 PWM 控制信号 表 4 Tab.4 IA 算法无死区三电平最优控制序列 Three level optimized control sequence without dead-time 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 202 0 0 0 2 0 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 2 2 0 2 2 2 0 2 2 2 2 2 0 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 0 2 2 2 2 2 0 2 2 2 0 2 2 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 0 2 0 0 0 2 0 2 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 (d) 无死区时间的常规三电平控制输出波形 由表 2~ 表 4 PWM 控制序列, 通过 Matlab/ Simulink 模块仿真, 可分别获得逆变器在不同控制策略开关驱动信号与输出波形, 如图 7 所示 (e)ia 优化无死区 PWM 控制信号 (a) 死区时间为 2μs 的常规三电平 PWM 控制信号 (f) 无死区优化条件下输出波形 (b) 死区时间为 2μs 的逆变器输出波形 图 7 不同控制策略下的输出波形 Fig.7 Output waveforms controlled by different control Strategies 由图 7 所示可知, IA 优化的无死区三电平控制与常规无死区三电平和 2μs 死区时间在输出波形图上相比, 电压相对比较平均且电流比较接近正弦波, 特别是在过零点附近, 电压 电流均不会发生跳变, 过渡过程相对较为平滑 将不同控制条件下输出波形进行 FFT 分解, 表 5 为仿真结果
第 28 卷第 9 期袁佳歆等基于免疫算法的逆变器无死区控制优化 253 Tab.5 表 5 仿真结果 The results of simulation 性能参数 IA 优 常规无死区 2μs 死区时间 化 THD(%) 0.98 2.14 2.48 基波幅值 ( 标幺值 ) 0.998 0.995 0.989 由表 5 可知,IA 优化方法相比后 2 种方法, THD 分别降低了 54.2% 与 60.48%, 大大提高了逆变器输出波形质量 相比于 2μs 死区影响, IA 优化在输出基波幅值有一定程度的提高 5 实验图 8 所示为实验原理图, 主要包括发送数字 PWM 控制信号 DSP TMSLF2812, 快速高效的信号驱动放大电路 EXB841, 半导体场效应晶体管 (MOSFETK1120) 的开关与反并联二极管 (IRF640N) 组成的单相逆变器结构, 光耦合隔离器 4N25 用来实现 DSP 控制器和主电路之间的电气隔离 图 8 实验原理 Fig.8 Schematic diagram of experiment design 实验按照仿真电路参数设定, 图 9a 9b 分别所示为在不同条件下逆变器输出结果, 将结果输入 Matlab 进行 FFT 分解, 表 6 为实验结果 (b)ia 优化输出波形图 9 不同控制条件下逆变器输出波形 Fig.9 Output waveforms of the inverter in different control strategies 表 6 仿真与实验输出结果 Tab.6 The results of simulation and experiment 性能参数 IA 优化 2μs 死区时间适应度 35 791 14 280 THD( 仿真 )(%) 0.98 2.48 THD( 实验 )(%) 1.02 2.59 由图 7 和图 9 所示可知, 实验和仿真波形表明通过 IA 算法优化所得的波形质量明显得到提高 图 9a 表明在在电流过零点附近, 逆变器输出电压波形发现明显的跳变, 且电流也相应发生畸变, 其原因是在滞环 2μs 死区控制序列过零点附近出现了 0220, 电压发生跳变, 电流发生截流导致逆变器无法正常工作 但是 IA 优化的 PWM 脉冲不存在如此情况, 在电流过零时电流平滑过渡, 电压稳定, 输出结果较为理想, 且实验和仿真结果都验证该方案的有效性 表 6 表明 IA 与传统控制方式比较, 其函数适应度对提高了 150%,THD 降低了 60.6% 经过免疫算法优化的 PWM 控制策略其不仅可以有效的消除死区影响, 也提高了逆变器输出波形质量, 同时也表明免疫算法的优越性和有效性 6 结论 (a) 死区时间为 2μs 输出波形 本文提出了基于免疫算法的一种新的消除逆变器死区影响的方法, 与传统和其他方法相比, 主要得出以下结论 (1) 本方法通过划分参考电流区域确定开关序列, 它可以有效地解决了过零点的问题, 且不需要非常精确的电流极性检测装置
254 电工技术学报 2013 年 9 月 (2) 通过免疫算法 ( IA) 优化开关序列, 它明显减少逆变器输出波形 THD (3) 由于在一个周期内每个开关都只工作一段时间, 其他时间不动作, 最大限度地减少开关损耗, 且由于开关动作次数平均分配则可以提高器件的利用率和延长使用周期 参考文献 [1] Mehrizi Sani A, Filizadeh S. An optimized space vector modulation sequence for improved harmonic performance[j]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56(8): 2895-2903. [2] Ming Z, Zhou M. Impact of zero-voltage notches on outputs of soft-switching pulse width modulation converters[j]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(6): 2345-2354. [3] Lai Y S, Shyu F S. Optimal common-mode voltage reduction PWM technique for inverter control with consideration of the dead-time effects Part I: basic development[j]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2004, 40(6): 1605-1612. [4] Oliveira A C, Jacobina C B, Lima A M. Improved dead-time compensation for sinusoidal PWM inverters operating at high switching frequencies[j]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2007, 54 (4): 2295-2304. [5] Urasaki N, Senjyu T, Uezatoand KT, et al. Adaptive dead-time compensation strategy for permanent magnet synchronous motor drive[j]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2007, 22(2): 271-280. [6] Kim H S, Moon H T, Youn M J. On-line dead-time compensation method using disturbance observer[j]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2003, 18(6): 1336-1345. [7] Kim S Y, Park S Y. Compensation of dead-time effects based on adaptive harmonic filtering in the vector-controlled AC motor drives[j]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2007, 54(3): 1768-1777. [8] 何正义, 季学武, 瞿文龙. 一种新颖的基于死区时间在线调整的 SVPWM 补偿算法 [J]. 电工技术学报, 2009, 24(6): 42-46. He Zhengyi, Ji Xuewu, Qu Wenlong. A novel SVPWM compensation strategy based on regulating dead time on-line[j]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2009, 24(6): 42-46. [9] Choi J S, Yoo J Y, Lim S W, et al. A novel dead time minimization algorithm of the PWM inverter[c]. IEEE Institute for Advanced Studies, 1999, 20(4): 2188-2193. [10] Attaianese C, Nardi V, Tomasso G. A novel SVM strategy for VSI dead-time-effect reduction[j]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2006, 41(6): 1667-1674. [11] Cho K M, OH W S, In C G. A new switching strategy for PWM power converters [C]. Proceedings of IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2002, 1: 221-225. [12] Chen L H, Peng F Z. Dead-time elimination for voltage source inverters [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2008, 23(2): 574-580. [13] Lin Y K, Lai Y S. Dead-time elimination of PWM controlled inverter/converter without separate power sources for current polarity detection circuit[j]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56(6): 2121 2127. [14] 杨波, 吴建德, 李武华, 等. 在线自适应 PWM 死区消除方法 [J]. 电工技术学报, 2011, 26(11): 45-52. Yang Bo, Wu Jiande, Li Wuhua, et al. On-line adaptive dead-time elimination method for PWM voltage source inverters[j]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(11): 45-52. [15] Wang Y, Gao Q, Cai X. Mixed PWM for dead-time elimination and compensation in a grid-tied Inverter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(10): 4797-4803. [16] Ramachandran B, Srivastava S K, Edrington C S, et al. An intelligent auction scheme for smart grid market using a hybrid immune algorithm [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2011, 58(10): 4603-4612. [17] 袁佳歆, 苏小芳, 陈柏超, 等. 基于免疫算法的三相逆变器最优空间矢量 PWM 控制 [J]. 电工技术学报, 2009, 24(9): 114-119. Yuan Jiaxin, Su Xiaofang, Chen Baichao, et al. Optimum vector PWM strategy for three-phase inverter based on immune algorithm[j]. Transactions
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