CN105226981B - 一种具有中点电位平衡控制的空间矢量调制方法 - Google Patents
一种具有中点电位平衡控制的空间矢量调制方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种具有中点电位平衡控制的空间矢量调制方法，属于空间矢量调制方法。该方法首先对传统虚拟空间矢量进行改进在虚拟小矢量和虚拟中矢量中分别引入调节因子，然后针对虚拟空间矢量在三电平变流器中点电位出现直流不平衡时无法自行恢复的缺点，在调制策略中加入一种基于模型预测的多目标优化直流不平衡控制策略，以实现虚拟空间矢量对三电平变流器中点电位的完全控制。改进型虚拟空间矢量调制方法，克服了传统虚拟空间矢量无法抑制中点电位直流不平衡的缺点，所加入的多目标优化控制策略很好的解决了直流不平衡恢复过程中恢复速度和品质之间的矛盾。同时改进型虚拟空间矢量在稳态下与传统虚拟空间矢量一样可以消除中点电位低频振荡。
Description
技术领域
本发明涉及一种空间矢量调制方法，特别是一种具有中点电位平衡控制的空间矢量调制方法。
背景技术
脉冲宽度调制技术(PWM)是变频器控制领域中的核心技术，调制策略的好坏将直接影响变频器的各项性能指标。现有的脉冲宽度调制技术大致可以分为两类：一种是基于载波比较的调制策略(CB-PWM)，另一类是基于空间矢量合成的调制策略(SVM)。两类调制策略各自具有鲜明的优缺点，基于载波的调制技术算法简单硬件资源开销较少，但是其直流母线电压利用率较低且交流输出端电压畸变率较高；而基于空间矢量的调制技术却拥有相对较高的直流母线电压利用率和较低的交流输出端电压畸变率，但是其算法复杂较高硬件开销大。随着微控制芯片制造技术的发展，微控制器的运算速度与运算能力得到了大幅度的提升同时制造成本大幅降低，制约空间矢量调制技术发展的高算法复杂度得到了很好地解决，因此具有良好性能的空间矢量技术在变频器控制领域得到了广泛的应用。
在中压大功率应用场合中点电位钳位型三电平拓扑结构是一种成熟的解决方案，但是三电平拓扑也有其自身的缺陷，即中点电位在变频器运行过程中会出现偏差。这种中点电位偏差主要包括两个部分：第一，稳态情况下的中点电位直流不平衡；第二，暂态情况下的中点电位低频振荡(三倍于基波频率)。传统三电平空间矢量技术能够很好的实现变频器输出电压控制，但是当基于传统三电平空间矢量调制技术控制的三电平逆变器工作在高调制度和低功率因数的工况下，三电平变频器的中点电位会出现严重的中点电位低频振荡。而且随着调制度的增加和功率因数的降低这种中点电位低频震荡会变得更加严重，不仅会影响变频器的控制输出效果严重的甚至还会威胁设备安全。
虚拟空间矢量是一种从传统空间矢量衍生出来的新型矢量调制技术，虚拟空间矢量很好的解决了中点电位低频振荡问题，在全范围内实现了中点电位可控。然而虚拟空间矢量在每一个矢量作用时间内都保证平均中点电位为零，当中点电位因某种原因产生直流不平衡时虚拟空间矢量调制技术将无法自行恢复这种中点电位直流不平衡。
发明内容
本发明的目的是要提供一种具有中点电位平衡控制的空间矢量调制方法，实现对三电平变频器的输出脉冲宽度控制和中点电位两个方面问题的完全控制。
本发明的目的是这样实现的：该方法在传统虚拟空间矢量的基础上分别针对虚拟小矢量和虚拟中矢量的分配系数引入动态调整因子，同时建立中点电位预测模型；根据中点电位的反馈信号，判断当前变频器运行状态下是否存在中点电位直流不平衡，然后将反馈信号和预测模型的输出结果同时送入价值判断函数，计算价值函数最小的动态调节因子；当价值函数取值最小时获得最优的虚拟矢量动态调整因子，修正后的调整因子用来生成新的输出脉冲，实现中点电位的完全控制。
在传统虚拟空间矢量的基础上分别针对虚拟小矢量和虚拟中矢量的分配系数引入动态调整因子；具体步骤如下：
步骤a.在传统虚拟空间矢量按照矢量的长度分为四类：虚拟零矢量VVZ,虚拟小矢量VVSx，虚拟中矢量VVMx，虚拟大矢量VVLx,其中x＝1,2,3,4,5,6；在虚拟中矢量和虚拟小矢量中引入分配系数动态调整因子，式(1)为传统虚拟空间矢量，式(2)为改进型虚拟空间矢量；
式中，KMx,KSx∈[-1,1]，VMx，VLx，分别是三电平空间矢量平面中的基本中矢量、基本大矢量、负组基本小矢量和正组基本小矢量，VNNN，VOOO，VPPP三者为三电平空间矢量平面中的三个零矢量；改进虚拟中矢量将传统虚拟矢量分割成两个部分：第一，基本中矢量部分；第二，相邻正负基本小矢量合成部分；在改进型虚拟矢量中无论引入的调节因子如何变化，都不影响最终合成的虚拟空间矢量的相位和幅值；
步骤b.根据边界条件确定参考电压矢量所在区域，所述的区域包括空间矢量平面大扇区和扇区内的三角形区域；然后选择构成三角形三个顶点所对应的虚拟空间矢量来合成参考电压矢量；根据伏秒平衡原理通过式(3)计算出被选中的三个虚拟空间矢量的作用时间；
步骤c.依据基于模型预测的多目标优化中点电位直流不平衡控制策略，实时计算出动态调节因子K，送入步骤b重新调整各矢量的时间分配，消除中点电位直流不平衡。
所述的计算价值函数最小的动态调节因子；具体步骤如下：
步骤a.根据直流侧电路简化模型建立中点电位离散数学模型，根据基尔霍夫电流定律流入三电平变频器中点的电流满足如下关系：
将式(4)中第1,2式带入第3式中得到其中vNP＝uC1-uC2,vNP0为中点电位初始时刻偏差值；通常采样频率远高于工频时，用离散求和的方式来代替积分项，中点电位的离散模型表示为
其中，im(k)为第k个采样时刻m相所对应的相电流值，tm0(k)为在第k个采样周期内m相电流对应流入变频器中点的时间；获得中点电位的变化率，以式(6)表示；
步骤b.建立目标函数如下
其中，λ为权重因子，为中点电位理想参考值通常为零；目标函数由两部分构成：a)为第一部分，当第一部分满足取值最小时可以保证在下一个采样时刻中点电位以最快的速度趋近于给定参考值b)λ·vNP(k)·ΔvNP(k)2为第二部分，当第二部分取最小值是可以保证直流不平衡恢复过程最为平稳；通过选取不同的调节因子可以在速度和品质之间获得平衡；
步骤c.将当前时刻的中点电位值中点电位变化率送入目标函数中，解得使目标函数获得最小值时所对应的K值的最优解为
其中，tm0_max(k)为K取边界值时所对应的作用时间，sgn(*)为符号函数。
有益效果，由于采用了上述方案，三电平钳位型变频器中点电位完全控制，就是消除暂态不平衡中的低频振荡和抑制稳态不平衡中的直流不平衡；在传统虚拟空间矢量的基础上对于组成虚拟空间的固定分配比例做出修改，在虚拟小矢量和虚拟中矢量中引入可以动态调节分配比例的调节因子，使得改进的虚拟空间矢量同时具备了抑制中点电位低频振荡和直流不平衡的能力。在此基础上同时加入了一种基于模型预测的多目标优化控制环节，当中点电位出现直流不平衡的时候，多目标优化策略很好的解决了直流不平衡恢复过程中的速度和品质的矛盾。因此，是一种具备中点电位完全控制能力的空间矢量调制方法。该虚拟空间矢量调制方法需要对变频器直流侧上下电容的电压同步采样。
优点：该改进型虚拟空间矢量调制方法能确使得钳位型三电平变频器中点电位得到完全控制，即同时消除暂态不平衡中的低频振荡和抑制稳态不平衡中的直流不平衡，适用于各类钳位型三电平拓扑结构的变频器、变流器、逆变器等电力电子电能变化装置的脉冲宽度调制控制。
附图说明
图1为本发明三电平基本空间示意图。
图2为本发明三电平虚拟空间矢量示意图。
图2(a)为本发明全部虚拟空间矢量在整个空间矢量平面内的分布图。
图2(b)为本发明部分虚拟空间矢量在空间矢量平面第一扇区内的分布图以及判断参考电压矢量落点的区域划分(第一扇区内)示意图。
图3基于多目标优化的改进型虚拟空间矢量的三电平变频器系统框图。
图4(a)为采用本发明的改进型虚拟空间矢量控制的三电平变频器中点电位直流不平衡恢复过程。
图4(b)为采用本发明的改进型虚拟空间矢量控制的三电平变频器中点电位直流不平衡恢复过程细节。
具体实施方式
实施例1：该方法在传统虚拟空间矢量的基础上分别针对虚拟小矢量和虚拟中矢量的分配系数引入动态调整因子，同时建立中点电位预测模型；根据中点电位的反馈信号，判断当前变频器运行状态下是否存在中点电位直流不平衡，然后将反馈信号和预测模型的输出结果同时送入价值判断函数，计算价值函数最小的动态调节因子；当价值函数取值最小时获得最优的虚拟矢量动态调整因子，修正后的调整因子用来生成新的输出脉冲，实现中点电位的完全控制。
在传统虚拟空间矢量的基础上分别针对虚拟小矢量和虚拟中矢量的分配系数引入动态调整因子；具体步骤如下：
步骤a.在传统虚拟空间矢量按照矢量的长度分为四类：虚拟零矢量VVZ,虚拟小矢量VVSx，虚拟中矢量VVMx，虚拟大矢量VVLx,其中x＝1,2,3,4,5,6；在虚拟中矢量和虚拟小矢量中引入分配系数动态调整因子，式(1)为传统虚拟空间矢量，式(2)为改进型虚拟空间矢量；
式中，KMx,KSx∈[-1,1]，VMx，VLx，分别是三电平空间矢量平面中的基本中矢量、基本大矢量、负组基本小矢量和正组基本小矢量，VNNN，VOOO，VPPP三者为三电平空间矢量平面中的三个零矢量；改进虚拟中矢量将传统虚拟矢量分割成两个部分：第一，基本中矢量部分；第二，相邻正负基本小矢量合成部分。在改进型虚拟矢量中无论引入的调节因子如何变化，都不影响最终合成的虚拟空间矢量的相位和幅值；
步骤b.根据边界条件确定参考电压矢量所在区域，所述的区域包括空间矢量平面大扇区和扇区内的三角形区域；然后选择构成三角形三个顶点所对应的虚拟空间矢量来合成参考电压矢量；根据伏秒平衡原理通过式(3)计算出被选中的三个虚拟空间矢量的作用时间；
步骤c.依据基于模型预测的多目标优化中点电位直流不平衡控制策略，实时计算出动态调节因子K，送入步骤b重新调整各矢量的时间分配，消除中点电位直流不平衡。
所述的计算价值函数最小的动态调节因子；具体步骤如下：
步骤a.根据直流侧电路简化模型建立中点电位离散数学模型，根据基尔霍夫电流定律流入三电平变频器中点的电流满足如下关系：
将式(4)中第1,2式带入第3式中得到其中vNP＝uC1-uC2,vNP0为中点电位初始时刻偏差值；通常采样频率远高于工频时，用离散求和的方式来代替积分项，中点电位的离散模型表示为
其中，im(k)为第k个采样时刻m相所对应的相电流值，tm0(k)为在第k个采样周期内m相电流对应流入变频器中点的时间；获得中点电位的变化率，以式(6)表示；
步骤b.建立目标函数如下
其中，λ为权重因子，为中点电位理想参考值通常为零。目标函数由两部分构成：a)为第一部分，当第一部分满足取值最小时可以保证在下一个采样时刻中点电位以最快的速度趋近于给定参考值b)λ·vNP(k)·ΔvNP(k)2为第二部分，当第二部分取最小值是可以保证直流不平衡恢复过程最为平稳；通过选取不同的调节因子可以在速度和品质之间获得平衡；
步骤c.将当前时刻的中点电位值中点电位变化率送入目标函数中，解得使目标函数获得最小值时所对应的K值的最优解为
其中，tm0_max(k)为K取边界值时所对应的作用时间，sgn(*)为符号函数。
Claims (2)
1.一种具有中点电位平衡控制的空间矢量调制方法，其特征是：该方法在传统虚拟空间矢量的基础上分别针对虚拟小矢量和虚拟中矢量的分配系数引入动态调整因子，同时建立中点电位预测模型；根据中点电位的反馈信号，判断当前变频器运行状态下是否存在中点电位直流不平衡，然后将反馈信号和预测模型的输出结果同时送入价值判断函数，计算价值函数最小的动态调节因子；当价值函数取值最小时获得最优的虚拟矢量动态调整因子，修正后的调整因子用来生成新的输出脉冲，实现中点电位的完全控制；
在传统虚拟空间矢量的基础上分别针对虚拟小矢量和虚拟中矢量的分配系数引入动态调整因子；具体步骤如下：
步骤a.在传统虚拟空间矢量按照矢量的长度分为四类：虚拟零矢量VVZ,虚拟小矢量VVSx，虚拟中矢量VVMx，虚拟大矢量VVLx,其中x＝1,2,3,4,5,6；在虚拟中矢量和虚拟小矢量中引入分配系数动态调整因子，式(1)为传统虚拟空间矢量，式(2)为改进型虚拟空间矢量；
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式中，KMx,KSx∈[-1,1]，VMx，VLx，分别是三电平空间矢量平面中的基本中矢量、基本大矢量、负组基本小矢量和正组基本小矢量，VNNN，VOOO，VPPP三者为三电平空间矢量平面中的三个零矢量；改进虚拟中矢量将传统虚拟矢量分割成两个部分：第一，基本中矢量部分；第二，相邻正负基本小矢量合成部分；在改进型虚拟矢量中无论引入的调节因子如何变化，都不影响最终合成的虚拟空间矢量的相位和幅值；
步骤b.根据边界条件确定参考电压矢量所在区域，所述的区域包括空间矢量平面大扇区和扇区内的三角形区域；然后选择构成三角形三个顶点所对应的虚拟空间矢量来合成参考电压矢量；根据伏秒平衡原理通过式(3)计算出被选中的三个虚拟空间矢量的作用时间；
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</mrow>
步骤c.依据基于模型预测的多目标优化中点电位直流不平衡控制策略，实时计算出动态调节因子K，送入步骤b重新调整各矢量的时间分配，消除中点电位直流不平衡。
2.根据权利要求1所述的一种具有中点电位平衡控制的空间矢量调制方法，其特征是：所述的计算价值函数最小的动态调节因子；具体步骤如下：
步骤a.根据直流侧电路简化模型建立中点电位离散数学模型，根据基尔霍夫电流定律流入三电平变频器中点的电流满足如下关系：
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<mo>(</mo>
<mn>4</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
将式(4)中第1,2式带入第3式中得到其中vNP＝uC1-uC2,vNP0为中点电位初始时刻偏差值；通常采样频率远高于工频时，用离散求和的方式来代替积分项，中点电位的离散模型表示为
<mrow>
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</mrow>
其中，im(k)为第k个采样时刻m相所对应的相电流值，tm0(k)为在第k个采样周期内m相电流对应流入变频器中点的时间；获得中点电位的变化率，以式(6)表示；
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其中，λ为权重因子，为中点电位理想参考值通常为零；目标函数由两部分构成：a)为第一部分，当第一部分满足取值最小时可以保证在下一个采样时刻中点电位以最快的速度趋近于给定参考值b)λ·vNP(k)·ΔvNP(k)2为第二部分，当第二部分取最小值是可以保证直流不平衡恢复过程最为平稳；通过选取不同的调节因子可以在速度和品质之间获得平衡；
步骤c.将当前时刻的中点电位值中点电位变化率送入目标函数中，解得使目标函数获得最小值时所对应的K值的最优解为
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<mo>-</mo>
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<mo>(</mo>
<mn>8</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，tm0_max(k)为K取边界值时所对应的作用时间，sgn(*)为符号函数。
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Inventor after: Tang Die Inventor after: Zhang Chuanjin Inventor after: Gong Lifeng Inventor after: Wang Ke Inventor after: Shen Jia Inventor after: Li Peng Inventor before: Tang Die Inventor before: Zhang Chuanjin Inventor before: Wang Ke Inventor before: Han Dong Inventor before: Yu Bo |
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Granted publication date: 20171124 Termination date: 20201026 |