CN107276445A - 共模电压最小化的空间电压矢量调制方法 - Google Patents

共模电压最小化的空间电压矢量调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种共模电压最小化的空间电压矢量调制方法，结合传统空间电压矢量调制方法(SVPWM)原理，每个控制周期内，在选择2个非零有效矢量基础上，固定采用2个反向非零矢量等效构造零矢量；将2个反向非零矢量对称插入控制周期的首尾和中间，通过调整有效矢量作用顺序，可使开关管每个控制周期固定开关1次。本发明不增加调制复杂度，只需在传统SVPWM基础上做最小的改动即可实现NZ‑SVPWM，其保留了传统SVPWM开关频率恒定的优点，且能减少谐波电流，算法简单易于数字化实现，同时能将共模电压限制在直流母线电压的1/6以内，因此在三相电机驱动和光伏发电等领域应用时可保证系统安全可靠运行。

Description

共模电压最小化的空间电压矢量调制方法
技术领域
本发明涉及一种电力电子技术，特别涉及一种共模电压最小化的空间电压矢量调制方法。
背景技术
三相电压型PWM逆变器输出电压中包含正序分量、负序分量(差模电压)和零序分量(共模电压)。其中共模电压的危害性尤为严重，并给逆变器安全稳定运行带来许多问题。例如共模电压在电动机转轴上感应出高幅值的轴电压，并形成轴电流，破坏转轴绝缘，缩短电动机使用寿命，并且产生的电磁干扰还会影响控制系统和供电电源正常工作。抑制共模电压的技术有：在共模回路中插入共模电感、共模抑制变压器和共模滤波器；或者改变逆变器拓扑结构，如四桥臂变换器和双桥变换器。但这些抑制共模电压的技术均需增加硬件成本和体积，且不能完全消除共模干扰。通过优化调制技术主动抑制共模电压，不需要增加额外的硬件成本，可从源头上抑制共模电压。当不使用零矢量时就可抑制共模电压，但存在开关频率不固定与输出电流谐波畸变率大等缺点，共模电压抑制与开关频率恒定一直是一个矛盾的问题。
经对现有技术文献的检索发现，周娟等人在电工技术学报上所发表的“逆变器简化PWM算法及抑制共模电压策略”和章勇高等人在电力系统保护与控制上所发表的“三相逆变器的无零矢量共模电压抑制技术研究”，都介绍了在调制方法中抑制共模电压的原理，但这些文献中介绍的调制方法只解决了共模电压抑制的问题，并不能得到同传统SVPWM一样的开关频率恒定的效果。以三相逆变器驱动电机来看，共模电压带来的危害极大，且恒定的开关频率可以使滤波变得尤其简单，所以研究抑制共模电压的同时又能保持开关频率恒定的调制方法具有重大的理论意义与应用价值。
发明内容
本发明是针对现在共模电压抑制与开关频率恒定在控制上相互矛盾的问题，提出了一种共模电压最小化的空间电压矢量调制方法，其不增加调制复杂度，只在传统SVPWM的基础上做最小的改动就可以实现共模电压最小化的空间电压矢量调制，其保留了传统SVPWM开关频率恒定的优点，同时能将共模电压限制在直流母线电压的1/6以内，且能减少谐波电流，算法简单易于数字化实现。
本发明的技术方案为：一种共模电压最小化的空间电压矢量调制方法，在传统SVPWM控制的基础上作如下步骤调整：
1)、在得到三相桥输出侧的参考电压矢量α、β分量之后，选取两个非零有效矢量来合成参考电压矢量，首先判断参考电压矢量所在的扇区，然后所在扇区相邻的两个非零矢量即为可选的有效矢量；
2)、选取有效矢量之后，固定用两个反向的非零矢量V2和V5矢量，等效构造零矢量，根据矢量对称分布方法，将两个反向非零矢量对称插入控制周期的首尾和中间，即在控制周期的首端和尾端插入V2矢量，在控制周期的中间插入V5矢量，控制V2和V5矢量作用的时间相等，以等效零矢量，开关状态的控制应遵循开关次数最少的原则，前半个周期每个扇区中矢量作用的顺序如下表：
3)、前半个周期中4个矢量V2、Vm、Vn和V5作用时间分别为tw/2、tm、tn、tw/2，tm+tn+tw＝Ts/2，三角载波周期为Ts，Vm、Vn为所选的非零有效矢量，在αβ坐标系中，根据平行四边形法则，由4个矢量可合成参考电压矢量，(u2α、u2β)、(umα、umβ)、(unα、unβ)、(u5α、u5β)和(uα、uβ)分别为V2、Vm、Vn、V5和参考电压矢量的α、β分量，矢量作用时间计算公式如下：
4)当选取的4个非零矢量的作用顺序和作用时间都确定后，下面即可与三角载波比较生成开关状态，Ta、Tb、Tc分别表示各相上桥臂开关管在Ts/2内关断的时间，Tb *表示b相上桥臂开关管在Ts/2内导通的时间，Tb+Tb *＝Ts/2，当Ta、Tb *、Tc大于三角载波时，a、c相上桥臂关断，但b相上桥臂开通。
所述步骤4)实现的具体方法：调制方法在数字控制器中常用计数器的值表示载波，用比较寄存器的值表示调制信号，保持计数器工作方式不变，仅通过改变比较寄存器的值Ta、Tb *、Tc，并将b相上下桥臂的触发脉冲信号互换输出，即实现共模电压最小化的空间电压矢量调制，比较寄存器的值Ta、Tb *、Tc修改后如下表：
其中参数Tx、Ty、Tz分别为：Tx＝tw/2，Ty＝Tx+tm，Tz＝Ty+tn。
本发明的有益效果在于：本发明共模电压最小化的空间电压矢量调制方法，解决了共模电压抑制与开关频率恒定这一矛盾问题，即可在保持开关频率恒定的同时使共模电压最小化。本发明的调制方法不增加调制复杂度，只在传统SVPWM的基础上做最小的改动即可实现共模电压最小化的空间电压矢量调制，同时保留了传统SVPWM开关频率恒定和输出电流谐波少的优点。
附图说明
图1为扇区矢量图；
图2为传统SVPWM生成开关状态图；
图3为本发明生成开关状态图；
图4为本发明逆变器控制系统结构框图；
图5为传统SVPWM和本发明方法下逆变器输出a相电压电流的波形对比图；
图6为本发明逆变器输出a相电流的频谱图；
图7为传统SVPWM和本发明方法下逆变器输出共模电压波形对比图。
具体实施方式
在两相静止坐标系中，对逆变器三相输出电压矢量进行依次标注，如图1所示扇区矢量图，6个非零矢量刚好对应着正六边形的6个顶点，2个零矢量就分布在正六边形的中心，并划分好扇区。通过判断参考电压矢量所在的扇区，来选取2个非零有效矢量。
传统SVPWM生成开关状态的原理如图2所示。以Ⅲ扇区为例，选择有效矢量V1和V3。Ta、Tb、Tc分别表示各相上桥臂开关管在Ts/2内关断的时间，通过与三角载波比较输出开关状态，三角载波周期为Ts。当Ta、Tb、Tc大于三角载波函数时，各相上桥臂关断，否则上桥臂开通。在图2中，将b相开关状态高电平向整个控制周期两边平移，低电平向中间平移，其作用时间均不变，即占空比不变，形状变化为中间低两边高，变换后如图3所示。
图3即为共模电压最小化的空间电压矢量调制方法生成开关状态原理，Tb *表示b相上桥臂开关管在Ts/2内导通的时间(Tb *＝Ts/2-Tb)。变换后，V1和V3矢量作用顺序互换，零矢量V0和V7分别被非零矢量V2和V5矢量替换，同时V0、V1、V3和V5这4个矢量作用时间均不变。这样V2和V5矢量作用相等时间与零矢量V0和V7作用相等时间对逆变器作用效果相同。因此，传统SVPWM和共模电压最小化的空间电压矢量调制对逆变器作用效果相同，但后者不需要使用零矢量，可使共模电压最小化，且依然保留了传统SVPWM开关频率恒定的优点。
共模电压最小化的空间电压矢量调制方法，具体包括如下步骤：
步骤1：在得到逆变器的参考电压矢量之后，将其变换到两相静止坐标系下，(uα、uβ)为参考电压矢量的α、β分量。选取两个非零有效矢量来合成参考电压矢量，首先需要依据矢量扇区图来判断参考电压矢量所在的扇区，然后矢量所在扇区相邻的两个非零矢量即为可选的有效矢量。
步骤2：选取有效矢量之后，与传统空间电压矢量调制方法不同的是，前者会补充作用两个零矢量，即V0和V7矢量。而本发明提供的调制方法为了抑制共模电压，不能使用零矢量，所以固定采用两个反向非零矢量，即V2和V5矢量，等效构造零矢量，再用V2、V5矢量与两个有效矢量去合成参考电压矢量。将两个反向非零矢量对称插入控制周期的首尾和中间，即在控制周期的首端和尾端插入V2矢量，在控制周期的中间插入V5矢量，且V2和V5矢量在整个控制周期作用的时间相等。由于为了使三相桥六个开关管的开关频率保持恒定，则需要使每个开关管在一个控制周期只开通一次和关断一次，所以对六个不同的扇区，六组不同的有效矢量需要合理的调整矢量的作用顺序，才能使三相桥六个开关管的开关波形保持一致。每个控制周期内，矢量在前半个周期和后半个周期对称分布。开关状态的控制应遵循开关次数最少的原则，可确定前半个周期每个扇区中矢量作用的顺序如表1：
表1
步骤3：作用顺序参考表1，前半个周期中4个矢量V2、Vm、Vn和V5作用时间分别为tw/2、tm、tn、tw/2(tm+tn+tw＝Ts/2)，Vm、Vn为所选的非零有效矢量。在αβ坐标系中，根据平行四边形法则，由4个矢量可合成参考电压矢量，(u2α、u2β)、(umα、umβ)、(unα、unβ)、(u5α、u5β)和(uα、uβ)分别为V2、Vm、Vn、V5和参考电压矢量的α、β分量，矢量作用时间计算公式如下：
步骤4：当选取的4个非零矢量作用顺序和作用时间都确定后，下面即可与三角载波比较生成开关状态。Ta、Tb、Tc分别表示各相上桥臂开关管在Ts/2内关断的时间，Tb *表示b相上桥臂开关管在Ts/2内导通的时间(Tb *＝Ts/2-Tb)。当Ta、Tb *、Tc大于三角载波时，a、c相上桥臂关断，但b相上桥臂开通。这样生成b相开关状态需要的三角载波信号与另外两相相反，即b相的比较值计数模块的计数方式应与另外两相相反，这样在实验中实现较为复杂。本发明提出可保持脉冲宽度调制模块中比较值计数模块的计数方式不变，只需通过调整其比较值，即不需要改变DSP底层程序中寄存器的值，只需改写子程序，并将b相上下桥臂的触发脉冲信号互换输出，就可以实现共模电压最小化的空间电压矢量调制。调制子程序中的比较值Ta、Tb *、Tc修改后如表2，
表2
其中参数Tx、Ty、Tz分别为：Tx＝tw/2，Ty＝Tx+tm，Tz＝Ty+tn。
系统采用共模电压最小化的空间电压矢量调制方法结合前馈解耦控制，系统控制框图如图4所示。
图5为传统SVPWM和本发明方法下逆变器输出a相电压电流的波形对比图，图5(a)为通过泰克示波器TPS2024测得采用传统SVPWM方法调制后逆变器输出a相电压电流的波形。图5(b)为通过本发明共模电压最小化的空间电压矢量调制方法调制后逆变器输出a相电压电流的波形，从图5中可得，采用新调制方法得到的控制效果和采用SVPWM得到的控制效果相同，相电流和相电压的相位差为180°，相电流波形接近正弦。
图6为逆变器输出电流频谱分析图，可得逆变器输出电流的谐波畸变率非常小，且高次谐波主要集中在开关频率及其整数倍附近，这是因为共模电压最小化的空间电压矢量调制方法具有传统SVPWM开关频率恒定的优点。
图7为传统SVPWM和本发明调制方法下逆变器输出共模电压波形对比图，逆变器直流侧电压为150V，由图7(a)可得共模电压的峰值为75V，而图7(b)可得共模电压的峰值为25V。则可得相比于传统调制方法，新调制方法输出的共模电压得到有效抑制，共模电压被限制在±1/6udc，这正验证了本发明的调制方法的正确性和可行性。

Claims (2)

1.一种共模电压最小化的空间电压矢量调制方法，其特征在于，在传统SVPWM控制的基础上作如下步骤调整：
1)、在得到三相桥输出侧的参考电压矢量α、β分量之后，选取两个非零有效矢量来合成参考电压矢量，首先判断参考电压矢量所在的扇区，然后所在扇区相邻的两个非零矢量即为可选的有效矢量；
2)、选取有效矢量之后，固定用两个反向的非零矢量V2和V5矢量，等效构造零矢量，根据矢量对称分布方法，将两个反向非零矢量对称插入控制周期的首尾和中间，即在控制周期的首端和尾端插入V2矢量，在控制周期的中间插入V5矢量，控制V2和V5矢量作用的时间相等，以等效零矢量，开关状态的控制应遵循开关次数最少的原则，前半个周期每个扇区中矢量作用的顺序如下表：
3)、前半个周期中4个矢量V2、Vm、Vn和V5作用时间分别为tw/2、tm、tn、tw/2，tm+tn+tw＝Ts/2，三角载波周期为Ts，Vm、Vn为所选的非零有效矢量，在αβ坐标系中，根据平行四边形法则，由4个矢量可合成参考电压矢量，(u2α、u2β)、(umα、umβ)、(unα、unβ)、(u5α、u5β)和(uα、uβ)分别为V2、Vm、Vn、V5和参考电压矢量的α、β分量，矢量作用时间计算公式如下：
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4)当选取的4个非零矢量的作用顺序和作用时间都确定后，下面即可与三角载波比较生成开关状态，Ta、Tb、Tc分别表示各相上桥臂开关管在Ts/2内关断的时间，Tb *表示b相上桥臂开关管在Ts/2内导通的时间，Tb+Tb *＝Ts/2，当Ta、Tb *、Tc大于三角载波时，a、c相上桥臂关断，但b相上桥臂开通。
2.根据权利要求1所述共模电压最小化的空间电压矢量调制方法，其特征在于，所述步骤4)实现的具体方法：调制方法在数字控制器中常用计数器的值表示载波，用比较寄存器的值表示调制信号，保持计数器工作方式不变，仅通过改变比较寄存器的值Ta、Tb *、Tc，并将b相上下桥臂的触发脉冲信号互换输出，即实现共模电压最小化的空间电压矢量调制，比较寄存器的值Ta、Tb *、Tc修改后如下表：
其中参数Tx、Ty、Tz分别为：Tx＝tw/2，Ty＝Tx+tm，Tz＝Ty+tn。
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