CN107834889B - 一种随机三维空间矢量脉宽调制方法及控制系统 - Google Patents

一种随机三维空间矢量脉宽调制方法及控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种随机三维空间矢量脉宽调制方法及控制系统。其系统包括：三相正弦波发生器和3D‑SVPWM波发生器、隔离电路、三相四桥臂逆变器依次连接，随机数发生器的输出端连接时间分配模块，时间分配模块再连接3D‑SVPWM波发生器；时间分配模块根据随机数发生器产生的随机数计算基本矢量在上升沿与下降沿的作用时间并传输给3D‑SVPWM波发生器，3D‑SVPWM波发生器根据接收到的三相正弦波、矢量作用时间及设定的开关频率产生控制信号，传输给三相四桥臂逆变器。本发明的调制方法能够在不改变三相四桥臂逆变器主电路拓扑的情况下，从源头上有效消除频谱中的离散谱成分，大大降低开关频率整数倍处的谐波幅值，并能很好得抑制电磁噪声，减少了电力电子器件产生的电磁污染。

Description

一种随机三维空间矢量脉宽调制方法及控制系统
技术领域
本发明涉及一种随机三维空间矢量脉宽调制方法及控制系统，属于电力电子技术领域。
背景技术
随着电力电子技术的快速发展，各种非线性负载的应用越来越普遍，通常要求UPS或逆变器具有对不平衡和非线性负载供电的能力，这时传统的三相三桥臂逆变器就显得无能为力。三相四桥臂逆变拓扑是近年来研究比较广泛的一种逆变拓扑结构，它可直接对中性电流进行控制，具有控制灵活、无需大的直流链接电容等优点。
国内外已有不少学者对于三相四桥臂逆变器的调制策略进行研究，三维空间矢量脉宽调制(3D-SVPWM)策略由于具有直流母线电压利用率高等优点而被广泛应用。然而采用该控制策略的逆变器通常工作在恒定的开关频率下，使得在开关频率整数倍处出现幅值较大的谐波，对电力系统的危害十分广泛：于系统而言，这些谐波是主要的电磁干扰源，谐波降低了系统的电磁兼容品质，严重时甚至会影响系统中其他器件和设备的正常运行；于负载而言，谐波会引起不期望的损耗，产生开关噪声。减小开关噪声辐射的最佳方式是使逆变器的开关频率达到18kHz以上，但这种方式极大地增加了逆变器的开关损耗。
发明内容
本发明的目的在于提出一种随机三维空间矢量脉宽调制方法及采用该方法的控制系统，以改善3D-SVPWM调制策略造成的谐波问题，将集中在开关频率整数倍处的谐波幅值均匀的分布到整个频域范围内，能够在较低的开关频率下减小谐波引起的噪声等不良效应。
本发明是通过以下技术方案实现上述技术目的的。
本发明所述的随机三维空间矢量脉宽控制系统，包括三相四桥臂逆变器、随机数发生器、时间分配模块、三相正弦波发生器、隔离电路和3D-SVPWM波发生器，三相正弦波发生器和3D-SVPWM波发生器、隔离电路、三相四桥臂逆变器依次连接，随机数发生器的输出端连接时间分配模块，时间分配模块的输出端再连接3D-SVPWM波发生器；所述三相正弦波发生器首先产生三相正弦波传输给3D-SVPWM波发生器，所述时间分配模块根据随机数发生器产生的随机数计算基本矢量在上升沿与下降沿的作用时间并传输给3D-SVPWM波发生器，所述隔离电路用于保护三相四桥臂逆变器不受损坏，所述3D-SVPWM波发生器根据接收到的三相正弦波、矢量作用时间及设定的开关频率产生控制信号，产生控制信号经隔离电路传输给三相四桥臂逆变器，控制三相四桥臂逆变器上下开关管的工作状态。
本发明所述的随机三维空间矢量脉宽调制方法，包括以下步骤：
步骤1，构建上述随机三维空间矢量控制系统；
步骤2，三相正弦波发生器产生三相正弦波传输给3D-SVPWM波发生器；
步骤3，随机数发生器根据随机数生成算法生成随机变量ξ，并传输给所述时间分配模块；
步骤4，时间分配模块根据接收到的随机变量ξ计算基本电压矢量V0,V1,V2,V3在上升沿的作用时间T0-1,T1-1,T2-1,T3-1和下降沿的作用时间T0-2,T1-2,T2-2,T3-2，并传输给3D-SVPWM波发生器；其中下标“-1”表示上升沿，下标“-2”表示下降沿；
步骤5，3D-SVPWM波发生器根据接收到的三相正弦波、基本矢量在上升沿的作用时间T0-1,T1-1,T2-1,T3-1和下降沿的作用时间T0-2,T1-2,T2-2,T3-2以及设定的开关频率fs，产生3D-SVPWM波，经隔离电路传输给三相四桥臂逆变器。
具体的，所述随机数发生器所采用的随机数生成算法可以为同余法、随机数列表法、二进制线性随机数生成算法或它们的改进算法，或为其他可以产生随机数的数学算法。
具体的，所述步骤4中，时间分配模块根据接收到的随机变量ξ计算基本矢量在上升沿的作用时间T0-1,T1-1,T2-1和T3-1，以及下降沿的作用时间T0-2,T1-2,T2-2和T3-2的具体方法为：
步骤4.1：设合成参考电压矢量V*的基本矢量为V0,V1,V2,V3；
步骤4.2：根据伏秒平衡法则，以所得四个基本矢量V0,V1,V2,V3合成参考矢量，
式中，T0，T，T2，T3分别为基本矢量V0,V1,V2,V3的作用时间，Ts为采样周期；
步骤4.3：根据接收的随机变量ξ，时间分配模块计算三角载波上升沿的时间为ξTs，下降沿的时间为(1-ξ)Ts；
步骤4.4：根据下式计算三角载波上升沿基本电压矢量的作用时间T1-1,T2-1,T3-1和T0-1；
其中，零矢量V0 +＝1111和在上升沿的作用时间T00-1和T01-1分别为
步骤4.5：根据下式计算三角载波下降沿基本电压矢量的作用时间T1-2,T2-2,T3-2和T0-2；
其中，零矢量V0 +和在下降沿的作用时间T00-2和T01-2分别为
该调制算法三角载波不一定关于中心轴对称，而是根据随机变量ξ而变化，所述三角载波上升沿与下降沿的时间分别为ξTs和(1-ξ)Ts。
该调制算法不同于随机零矢量调制与随机中心位置调制，所有矢量作用时间在三角载波的上升沿和下降沿随机分配，因此具有更好的随机化效果。
本发明的有益效果为：本发明提出的调制方法和控制器能够在不改变三相四桥臂主电路拓扑的情况下，从源头上有效消除频谱中的离散谱成分，大大降低开关频率整数倍处的谐波幅值，并能很好得抑制电磁噪声，减少了电力电子器件产生的电磁污染。
附图说明
图1为三相四桥臂逆变器的拓扑结构示意图。
图2为本发明随机三维空间矢量脉宽调制控制系统原理图。
图3为WELL算法生成随机数的工作过程。
图4为第I三棱柱的空间矢量分布。
图5为现有技术中三维空间矢量调制算法各桥臂脉冲波形示意图。
图6为本发明实施例调制算法各桥臂脉冲波形示意图。
图7为现有技术采用三维空间矢量调制算法时相电压的频谱图。
图8为采用本发明实施例调制算法时相电压的频谱图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚,下面将通过实施方式对本发明作进一步地详细描述。
本发明涉及一种随机三维空间矢量脉宽调制方法及控制系统，三相四桥臂逆变器的拓扑结构如图1所示，图中有8个IGBT开关管，其中每个桥臂上下开关管的控制信号为互补对称输出，三相四桥臂逆变器以第四桥臂的中点作为输出的中性点，产生中性点电流流入负载，使逆变器可以输出三相独立电压，从而满足在不平衡负载或非线性负载条件下为负载提供对称电压。
本发明的随机三维空间矢量脉宽调制方法包括以下步骤：
步骤1)，构建随机三维空间矢量控制系统。图2为本发明的控制系统原理图，包括三相四桥臂逆变器1、随机数发生器2、时间分配模块3、三相正弦波发生器4、隔离电路5和3D-SVPWM波发生器6，三相正弦波发生器4和3D-SVPWM波发生器6、隔离电路5、三相四桥臂逆变器1依次连接，随机数发生器2的输出端连接时间分配模块3，时间分配模块的输出端3再连接3D-SVPWM波发生器6；所述三相正弦波发生器4首先产生三相正弦波传输给3D-SVPWM波发生器6，所述时间分配模块3根据随机数发生器2产生的随机数计算基本矢量在上升沿与下降沿的作用时间并传输给3D-SVPWM波发生器6，所述隔离电路5用于保护三相四桥臂逆变器1不受损坏，所述3D-SVPWM波发生器6根据接收到的三相正弦波、矢量作用时间及设定的开关频率产生控制信号，产生控制信号经隔离电路5传输给三相四桥臂逆变器1，控制三相四桥臂逆变器1上下开关管的工作状态。
步骤2)，三相正弦波发生器4产生三相正弦波传输给3D-SVPWM波发生器6。
步骤3)，随机数发生器2根据随机数生成算法生成随机变量ξ，并传输给所述时间分配模块3。随机数发生器2所采用的随机数生成算法可以是同余法、随机数列表法、二进制线性(F2-Linear)随机数生成算法、改进的同余法中的一种,或为其他可以产生随机数的数学算法。实施例中采用WELL算法生成随机数ξ，它是二进制线性随机数生成算法的一种类型。它具有比其它随机数生成算法更长的周期并且能够产生高质量的均匀分布随机数等优点。
WELL算法生成随机数的工作过程如图3所示；T个状态向量(S[0]到S[T-1])共包含k＝w×T-p(0≤p＜w)位。其中，前T-1个状态向量均包含w位随机分布的二进制序列，状态向量S[T-1]的最后p位总为0。在每轮随机数生成过程中，S[0]、S[M1]、S[M2]、S[M3]、S[T-2]、S[T-1]等6个状态向量经过异或、与等位运算生成两个新的w位状态向量FB1和FB2。FB2作为本轮的随机数输出，随后，S[1]到S[T-2]等T-2个状态向量分别按图示的方向移动w位，并同时将FB1和FB2替代本轮的状态向量S[0]、S[1]。
本发明实施例采用WELL1024算法，相应的参数为p＝0，T＝32，w＝32，M1＝3，M2＝24，M3＝10。
步骤4)，时间分配模块3根据接收到的随机变量ξ计算基本矢量在上升沿的作用时间T0-1,T1-1,T2-1,T3-1和下降沿的作用时间T0-2,T1-2,T2-2,T3-2，并传输给所述3D-SVPWM波发生器6；
如图4所示，设合成参考电压矢量V*的基本矢量为V0,V1,V2,V3，当期望输出矢量位于第I三棱柱的第3个四面体时，合成期望输出矢量所需的基本电压矢量包括三个非零电压矢量V1＝1110,V2＝1000,V3＝1100和两个零电压矢量V0 +＝1111,相应的矢量作用顺序为V0 -→V2→V3→V1→V0 +→V1→V3→V2→V0 -。基本电压矢量的作用时间与脉冲位置受三角载波上升沿与下降沿的时间ξTs和(1-ξ)Ts的影响，具体包括如下步骤：
S1：在一个采样周期中，期望输出矢量与基本电压矢量满足伏秒平衡法则
V*Ts＝T1V1+T2V2+T3V3+T0V0 (4)
式中，Ts＝T1+T2+T3+T0,T1,T2,和T3为三个非零电压矢量的作用时间，T0为零电压矢量的作用时间。
在α-β-γ坐标系下对各基本电压矢量进行标幺化处理，可得V1,V2,V3的坐标值分别为(2/3 0 1/3),(0 0 1)，代入式(4)可得在α-β-γ坐标下的伏秒平衡式。
分别为期望输出矢量在α-β-γ坐标系下的投影；公式(5)整理得基本矢量的作用时间如式(6)所示
S2：随机数发生器根据随机数生成算法生成随机变量ξ，随机变量ξ的变化范围为[0,1]，此时三角载波上升沿的时间为ξTs，下降沿的时间为(1-ξ)Ts；
S3：计算三角载波上升沿基本电压矢量的作用时间T1-1,T2-1,T3-1和T0-1，公式为；
其中，零矢量V0 +和V0 -在上升沿的作用时间T00-1和T01-1分别为
S4：计算三角载波下降沿基本电压矢量的作用时间T5-2，T7-2，T8-2和T0-2，公式为；
其中，零矢量V0 +和在下降沿的作用时间T00-2和T01-2分别为
图5为普遍采用的三维空间矢量调制算法各桥臂脉冲波形示意图，图6为本发明实施例调制算法各桥臂脉冲波形示意图。结合图5，图6可知，在每个采样周期中，普遍采用的三维空间矢量调制算法的各个基本电压矢量具有固定的作用时间。本实施例调制算法的三角载波不一定关于中心轴对称，在不改变系统开关频率和采样频率的前提下，根据随机变量ξ而变化，所述三角载波上升沿与下降沿的时间分别为ξTs和(1-ξ)Ts。并且该调制算法不同于随机零矢量调制与随机中心位置调制，所有矢量作用时间在三角载波的上升沿和下降沿随机分配，因此具有更好的随机化效果。
步骤5)，3D-SVPWM波发生器6根据接收到的三相正弦波、基本矢量在上升沿的作用时间T0-1,T1-1,T2-1,T3-1和下降沿的作用时间T0-2,T1-2,T2-2,T3-2以及设定的开关频率fs，产生3D-SVPWM波，经隔离电路传输给三相四桥臂逆变器1。
图7为普遍采用的三维空间矢量调制算法时相电压的频谱图，图8为采用本发明实施例调制算法时相电压的频谱图。如图7所示，在开关频率及其整数倍处具有较大的谐波幅值；如图8所示，采用本发明提供的随机三维空间矢量脉宽调制方法后，高次谐波得到有效抑制，频谱中的离散谱成分基本消失。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点,其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施,本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰,均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种随机三维空间矢量脉宽调制控制系统，其特征在于，包括三相四桥臂逆变器(1)、随机数发生器(2)、时间分配模块(3)、三相正弦波发生器(4)、隔离电路(5)和3D-SVPWM波发生器(6)，三相正弦波发生器(4)和3D-SVPWM波发生器(6)、隔离电路(5)、三相四桥臂逆变器(1)依次连接，随机数发生器(2)的输出端连接时间分配模块(3)，时间分配模块的输出端(3)再连接3D-SVPWM波发生器(6)；所述三相正弦波发生器(4)首先产生三相正弦波传输给3D-SVPWM波发生器(6)，所述时间分配模块(3)根据随机数发生器(2)产生的随机数计算基本矢量在上升沿与下降沿的作用时间并传输给3D-SVPWM波发生器(6)，所述隔离电路(5)用于保护三相四桥臂逆变器(1)不受损坏，所述3D-SVPWM波发生器(6)根据接收到的三相正弦波、矢量作用时间及设定的开关频率产生控制信号，产生控制信号经隔离电路(5)传输给三相四桥臂逆变器(1)，控制三相四桥臂逆变器(1)上下开关管的工作状态。
2.根据权利要求1所述的随机三维空间矢量脉宽调制控制系统，其特征在于，所述随机数发生器(2)所采用的随机数生成算法为同余法、随机数列表法、二进制线性随机数生成算法或它们的改进算法。
3.根据权利要求1所述的随机三维空间矢量脉宽调制控制系统，其特征在于，所述时间分配模块(3)根据接收到的随机变量ξ计算基本矢量在上升沿的作用时间T0-1,T1-1,T2-1和T3-1，以及下降沿的作用时间T0-2,T1-2,T2-2和T3-2的具体方法为：
步骤1：设合成参考电压矢量V*的基本矢量为V0,V1,V2,V3；
步骤2：根据伏秒平衡法则，以所得四个基本矢量V0,V1,V2,V3合成参考矢量，
式中，T0，T，T2，T3分别为基本矢量V0,V1,V2,V3的作用时间，Ts为采样周期；
步骤3：根据接收的随机变量ξ，时间分配模块(3)计算三角载波上升沿的时间为ξTs，下降沿的时间为(1-ξ)Ts；
步骤4：根据下式计算三角载波上升沿基本电压矢量V0,V1,V2,V3的作用时间T0-1和T1-1,T2-1,T3-1；用下标“-1”表示上升沿；
其中，零矢量V0 +＝1111和在上升沿的作用时间T00-1和T01-1分别为
步骤5：根据下式计算三角载波下降沿基本电压矢量V0,V1,V2,V3的作用时间T0-2和T1-2,T2-2,T3-2；用下标“-2”表示下降沿；
其中，零矢量V0 +和在下降沿的作用时间T00-2和T01-2分别为
4.根据权利要求3所述的随机三维空间矢量脉宽调制控制系统，其特征在于，所述三角载波不一定关于中心轴对称，而是根据随机变量ξ而变化。
5.根据权利要求3所述的随机三维空间矢量脉宽调制控制系统，其特征在于，该方法中所有矢量作用时间在三角载波的上升沿和下降沿随机分配。
6.一种随机三维空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，构建随机三维空间矢量控制系统，包括依次连接的三相正弦波发生器(4)、3D-SVPWM波发生器(6)、隔离电路(5)和三相四桥臂逆变器(1)，随机数发生器(2)的输出端连接时间分配模块(3)，时间分配模块的输出端(3)再连接所述3D-SVPWM波发生器(6)；
步骤2，三相正弦波发生器(4)产生三相正弦波传输给3D-SVPWM波发生器(6)；
步骤3，随机数发生器(2)根据随机数生成算法生成随机变量ξ，并传输给所述时间分配模块(3)；
步骤4，时间分配模块(3)根据接收到的随机变量ξ计算基本电压矢量V0,V1,V2,V3在上升沿的作用时间T0-1,T1-1,T2-1,T3-1和下降沿的作用时间T0-2,T1-2,T2-2,T3-2，并传输给3D-SVPWM波发生器(6)；其中下标“-1”表示上升沿，下标“-2”表示下降沿；
步骤5，3D-SVPWM波发生器(6)根据接收到的三相正弦波、基本矢量在上升沿的作用时间T0-1,T1-1,T2-1,T3-1和下降沿的作用时间T0-2,T1-2,T2-2,T3-2以及设定的开关频率fs，产生3D-SVPWM波，经隔离电路(5)传输给三相四桥臂逆变器(1)。
7.根据权利要求书6所述的随机三维空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，所述随机数发生器(2)所采用的随机数生成算法为同余法、随机数列表法、二进制线性随机数生成算法或它们的改进算法。
8.根据权利要求书6所述的随机三维空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，所述步骤4中，时间分配模块(3)根据接收到的随机变量ξ计算基本矢量在上升沿的作用时间T0-1,T1-1,T2-1和T3-1，以及下降沿的作用时间T0-2,T1-2,T2-2和T3-2的具体方法为：
步骤4.1：设合成参考电压矢量V*的基本矢量为V0,V1,V2,V3；
步骤4.2：根据伏秒平衡法则，以所得四个基本矢量V0,V1,V2,V3合成参考矢量，
式中，T0，T，T2，T3分别为基本矢量V0,V1,V2,V3的作用时间，Ts为采样周期；
步骤4.3：根据接收的随机变量ξ，时间分配模块(3)计算三角载波上升沿的时间为ξTs，下降沿的时间为(1-ξ)Ts；
步骤4.4：根据下式计算三角载波上升沿基本电压矢量的作用时间T1-1,T2-1,T3-1和T0-1；
其中，零矢量V0 +＝1111和在上升沿的作用时间T00-1和T01-1分别为
步骤4.5：根据下式计算三角载波下降沿基本电压矢量的作用时间T1-2,T2-2,T3-2和T0-2；
其中，零矢量V0 +和在下降沿的作用时间T00-2和T01-2分别为
9.根据权利要求8所述的随机三维空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，所述三角载波不一定关于中心轴对称，而是根据随机变量ξ而变化。
10.根据权利要求8所述的随机三维空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，该方法中所有矢量作用时间在三角载波的上升沿和下降沿随机分配。
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