用于AC-AC电压调节的变载波幅值等宽PWM调制方法及系统

本发明涉及电力电子变换器调制，具体涉及一种用于ac-ac电压调节的变载波幅值等宽pwm调制方法及系统。

背景技术：

1、随着分布式光伏、新能源发电装置以及大功率电机负载在低压配电网台区中的大量接入，台区电压越限问题日益突出。一方面，在远距离供电、线路阻抗较大以及末端负荷较重的情况下，用户侧容易出现低电压问题；另一方面，在分布式光伏渗透率较高的台区中，白天光伏出力较大时容易产生功率倒灌，引发台区局部高电压问题。因此，需要采用具备快速动态响应能力的电压调节装置，实现对台区电压的双向补偿与连续治理。

2、ac-ac变换器能够实现交流侧到交流侧的直接能量变换，可用于台区电压调节、电压补偿和多模态电压治理。对于一种基于ac-ac能量变换的电压调节电路，其单相功率单元可由四组四象限对顶开关管构成，其中s1、s2构成buck桥臂，s3、s4构成boost桥臂。当台区电压偏高时，电路进入同步buck模式，通过输出反向补偿电压抑制高电压；当台区电压偏低时，电路进入同步boost模式，通过输出正向补偿电压抬升低电压，以此实现台区电压的双向动态调节。在控制调制层面，现有ac-ac电压调节电路普遍采用固定幅值三角载波与电压调制波相互比较的pwm调制方式，该调制方式原理简单、硬件适配性强、控制逻辑易于实现，是当前ac-ac调压电路的主流调制方案。

3、然而，固定幅值三角载波与调制波比较的pwm调制方式在交流电压工作过程中，受固定幅值载波的影响，pwm脉冲宽度会随交流相位变化，导致pwm脉冲分布不均匀。

技术实现思路

1、（一）解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于ac-ac电压调节的变载波幅值等宽pwm调制方法及系统，解决了现有固定载波幅值pwm调制方式存在的pwm脉冲宽度随交流相位变化、进而造成pwm脉冲分布不均匀的技术问题。

3、（二）技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

5、第一方面，本发明提供一种用于ac-ac电压调节的变载波幅值等宽pwm调制方法，包括：

6、采集ac-ac电压调节装置的交流输入电压、输出电压和电感电流，根据所述交流输入电压获取交流输入电压相位、根据所述输出电压获取输出电压幅值、根据所述电感电流计算电感电流有效值；

7、根据输出电压给定值与输出电压幅值之间的偏差，通过电压外环控制器生成电流参考值；根据所述交流输入电压相位生成同步正弦调制波，并取所述同步正弦调制波的正半周包络值；

8、根据所述电流参考值与所述电感电流有效值之间的偏差，通过电流内环控制器生成占空比修正量；

9、基于ac-ac电压调节装置的开关周期平均模型计算前馈占空比，并将所述前馈占空比、占空比修正量和预设等脉宽占空比中心值进行组合约束，得到目标等效占空比；

10、在载波大于调制波时导通的比较逻辑下，根据所述同步正弦调制波的正半周包络值和所述目标等效占空比，动态计算当前开关周期的三角载波幅值；

11、根据所述三角载波幅值生成频率固定、幅值可变的三角载波，并将所述三角载波与所述半周包络值进行比较，生成pwm驱动信号。

12、优选的，所述根据输出电压给定值与输出电压幅值之间的偏差，通过电压外环控制器生成电流参考值，包括：

13、计算输出电压误差：

14、

15、其中，为输出电压给定值；表示输出电压幅值；

16、通过电压外环pi控制器输出电流参考值：

17、

18、其中，为限幅函数；为电压外环输出的电流参考值，和分别为电压外环比例系数和积分系数，为开关周期，和分别为电流参考值的下限和上限，为开关周期索引号，。

19、优选的，所述根据所述交流输入电压相位生成同步正弦调制波，并取所述同步正弦调制波的正半周包络值，包括：

20、根据输入电压相位生成同步正弦调制波：

21、

22、其中，表示当前采样时刻下，正弦信号的瞬时峰值；表示交流输入电压相位；

23、取的正半周包络值：

24、

25、其中，为同步正弦调制波，为参与载波比较的同步正弦调制波正半周包络值。

26、优选的，所述根据所述电流参考值与所述电感电流有效值之间的偏差，通过电流内环控制器生成占空比修正量，包括：

27、电流误差为：

28、

29、其中，为电流参考值，为电感电流有效值；

30、电流内环pi控制器输出占空比修正量：

31、

32、其中，为电流内环输出的占空比修正量；和分别为电流内环比例系数和积分系数；为开关周期索引号，。

33、优选的，所述基于ac-ac电压调节装置的开关周期平均模型计算前馈占空比，包括：

34、ac-ac电压调节装置在当前工作模式μ(k)下的开关周期平均模型为：

35、

36、其中，为输出端的开关周期平均电压，为由当前工作模式和电路拓扑共同确定的占空比—电压传递函数，当前工作模式包括同步buck模式、同步boost模式；

37、同步buck模式下有：

38、

39、因此，开关周期平均模型可具体表示为：

40、

41、为了使输出端平均电压值达到目标值，令：

42、

43、其中，表示输出端的输出端目标平均电压；

44、则有：

45、

46、由上述关系式可得到前馈占空比：

47、

48、当采用输入电压的幅值、输出电压的幅值进行前馈计算时，则写为：

49、。

50、优选的，所述目标等效占空比的计算方式包括：

51、

52、其中，表示目标等效占空比；表示限幅函数；表示预设等脉宽占空比中心值；表示未约束占空比，，表示占空比修正量，表示前馈占空比；表示允许占空比偏移量；表示最小占空比限值；表示最大占空比限制。

53、优选的，所述在载波大于调制波时导通的比较逻辑下，根据所述同步正弦调制波的正半周包络值和所述目标等效占空比，动态计算当前开关周期的三角载波幅值，包括：

54、定义归一化三角载波为：

55、

56、则当前开关周期的变幅值三角载波为：

57、

58、其中，表示当前开关周期的实际载波幅值；

59、当时输出导通信号的控制逻辑，则三角载波大于调制波的时间长度为：

60、

61、因此导通占空比为：

62、

63、在且未触发载波幅值限幅的情况下，所述比较逻辑得到的导通占空比满足上述关系；当触发载波幅值限幅时，pwm导通脉宽保持在预设允许范围内；

64、令导通占空比等于目标等效占空比：

65、

66、则当前开关周期的载波幅值参考值为：

67、

68、实际载波幅值经限幅后得到：

69、

70、其中，和分别为三角载波幅值下限和上限，为参与载波比较的同步正弦调制波正半周包络值。

71、优选的，所述根据所述三角载波幅值生成频率固定、幅值可变的三角载波，并将所述三角载波与所述半周包络值进行比较，生成pwm驱动信号，包括：

72、根据所述三角载波幅值生成变幅值三角载波：

73、

74、pwm比较器按照如下规则输出导通信号：

75、

76、其中，表示当前功率开关组合处于导通状态，表示当前功率开关组合处于关断或续流状态；表示当前开关周期的实际载波幅值。

77、优选的，所述变载波幅值等宽pwm调制方法还包括：

78、pwm信号经死区时间插入后，根据当前工作模式和输入电压极性方向信号分配至对应桥臂：

79、

80、在同步buck模式下，buck桥臂进行高频互补动作，boost桥臂保持s3常通、s4常闭的状态；在同步boost模式下，boost桥臂进行高频互补动作，buck桥臂保持s1常通、s2常闭的状态；其中，s1、s2、s3和s4是基于ac-ac能量变换的电压调节电路中的四组四象限对顶开关管，s1、s2构成buck桥臂，s3、s4构成boost桥臂。

81、第二方面，本发明提供一种用于实现如上述所述的变载波幅值等宽pwm调制方法的ac-ac电压调节装置变载波幅值等脉宽pwm调制系统，包括：

82、电压电流采样模块，用于采集交流输入电压、输出电压和电感电流；

83、相位同步模块，用于根据交流输入电压获取输入相位θ(k)，并生成正负半周方向信号dir(k)；

84、电压外环控制模块，用于根据输出电压给定值与输出电压幅值之间的偏差生成电流参考值；

85、电流内环控制模块，用于根据同步电流参考与电感电流的偏差生成占空比修正量；

86、前馈占空比计算模块，用于根据ac-ac电压调节装置的平均模型计算前馈占空比；

87、等脉宽约束模块，用于根据、、和生成目标等效占空比；

88、同步正弦调制波生成模块，用于生成和；

89、变载波幅值计算模块，用于根据和计算；

90、变幅值三角载波生成模块，用于生成频率固定、幅值可变的三角载波；

91、pwm比较模块，用于在时输出导通信号；

92、死区插入模块，用于对互补开关驱动信号插入死区时间；

93、驱动逻辑分配模块，用于根据当前工作模式和正负半周方向信号，将pwm驱动信号分配至对应开关器件。

94、（三）有益效果

95、本发明提供了一种用于ac-ac电压调节的变载波幅值等宽pwm调制方法及系统。与现有技术相比，具备以下有益效果：

96、本发明提出的变载波幅值等宽pwm调制方法在保持载波频率固定的前提下，通过动态调节载波幅值，使pwm导通脉宽保持在预设范围内，解决了现有固定载波幅值pwm调制方式存在的pwm脉冲宽度随交流相位变化、进而造成pwm脉冲分布不均匀的技术问题，实现了ac-ac电压调节过程中的等脉宽调制。