CN108512449A - 基于svm dtc的容错三相四开关中点电位补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于SVM DTC的容错三相四开关中点电位补偿方法，该方法从分析三相四开关逆变器的基本电压矢量对电容中点电位平衡的影响处着手，通过改变零矢量的合成方式来有效的抑制了电容中点电位的不平衡程度。各开关管的驱动信号是通过直流母线电压、逆变器的调制电压、直流母线电容电压差以及调制周期计算得到的，将得到的各开关管驱动信号用以对逆变器进行驱动控制。本发明能够有效的抑制电容中点电压不平衡的程度，使电机的速度更为平稳，转矩脉动更小，并且可以在电容容值相同时应用于更大的功率场合下。本发明可应用于三相四开关逆变器的控制领域，如由三相四开关逆变器供电的电机驱动系统、并网逆变器或有源滤波器中对逆变器的控制。

Description

基于SVM DTC的容错三相四开关中点电位补偿方法
技术领域
本发明涉及逆变器控制技术领域，具体涉及基于SVM DTC的容错三相四开关中点电位补偿方法。
背景技术
随着电力电子器件及其控制技术的迅速发展，电力电子逆变器在交流电机变频调速、新能源发电等场合已得到广泛应用。三相六开关电压型逆变器控制的电机驱动系统凭借着其主电路简单，控制方法灵活的优势得到了广泛应用。然而，该逆变器的电力电子器件及其驱动控制电路受限于当前的技术及工艺水平，故障率相对于其他电气系统较高。同时，对于电力牵引这种需要连续操作，可靠程度要求高的大功率应用场合，逆变器故障将导致牵引力丧失，会影响生产运营效果，严重时甚至会威胁到生产与人身安全。因此如何保证故障情况下系统的持续运行有着重要的研究意义。
起初，三相四开关(FSTPI)的拓扑结构，如图1所示(a相故障)，被应用于某些需要降低成本的场合，因其可以通过减少功率开关器件的数量来降低逆变器成本。随之，FSTPI被应用于三相六开关的容错方案中，如图2所示，因其结构简单，利用率较高，体积小，成本较低，可以适用于较大功率的应用场合，故而有很大的研究价值。
目前，针对于FSTPI的控制方法是基于空间矢量脉宽调制的直接转矩控制方法(SVM DTC)，提出了采用四开关表，如图3所示，以及合成零矢量的方案。相比于三相六开关，FSTPI需要两个直流母线电容进行充放电，并且故障相取电自电容中点，故而会导致电容中点电位不平衡。中点电位不平衡会使三相四开关的四个基本矢量发生偏移，如图4所示，如果不进行中点电位的补偿，获得的磁链幅值将会变小，使输出电压降低；其输出特性变差会导致转矩脉动增大，影响SVM DTC的控制效果；并且幅值变小的基本电压矢量的作用时间增大，就会进一步引起电容的充放电加剧，从而导致中点电位更加不平衡，严重时会导致一个电容放电过度控制失败。值得注意的是，为了在实际的生产操作中有效的降低成本，选取的直流母线电容应尽量较小，这就会进一步加剧不平衡的现象。
目前针对于此的解决方法是在电容中点不平衡时改变FSTPI的四个基本电压矢量的作用时间来合成目标电压矢量，并用其中的U(0，0)和U(1，1)电压矢量合成零矢量。该方法虽然能够在中点电位不平衡时依然输出给定的目标电压矢量，但会进一步加剧直流母线电容电压的不平衡程度，长时间运行会导致输出性能变差，甚至会导致其中一个电容完全放电，导致控制失败。
为解决该问题，需要探索一种新的方法，能够有效的控制电容母线中点电位的不平衡程度，使电机的速度更为平稳，转矩脉动更小，可以长期运行。
发明内容
由此，本发明基于目前的研究方法提供了一种基于SVM DTC的容错三相四开关中点电位补偿方法，通过改进零矢量的合成方式，用U(0，1)、U(1，0)合成，能够有效的控制电容母线中点电位的不平衡程度，提高了输出的性能，并且可以在电容容值相同时应用于更大的功率场合下。
基于上述目的，本发明提供的技术方案步骤如下：
(1)采集三相四开关逆变器的直流母线电压Vdc以及与直流母线上下电容电压差ΔU
(2)将所述逆变器的调制电压转换至静止α-β坐标系下，得到电压矢量Vαβ。
(3)通过电压矢量Vαβ的α轴β轴分量判断其所在扇区N
(4)根据直流母线电压Vdc、电容电压差ΔU、电压矢量Vαβ以及扇区N可以计算出在一个调制周期TPWM内基本电压矢量作用时间T1、T2，零矢量作用时间T0，并且零矢量由U(01)和U(10)合成。
(5)采用七段式来完成目标电压矢量的合成，得到逆变器两开关相上下桥臂各开关管对应的驱动信号，用以实现对逆变器的控制。
(6)在本发明中，电容电压波动的情况被考虑了进来，有效开关作用时间能够根据电容电压的波动进行实时的调节。本发明最大的优点在于，通过改变零矢量的合成方式(U(10)和U(01))能够有效的抑制电容中点电压不平衡的程度，提高了输出的性能，并且可以在电容容值相同时应用于更大的功率场合下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为a相发生故障后的三相四开关逆变器拓扑图；
图2为开关器件非冗余型三相六开关容错逆变器拓扑图；
图3为三相四开关逆变器基本电压矢量图；
图4(a)、(b)为中点电位不平衡时三相四开关逆变器基本电压矢量图；
图5为a相发生故障后三相四开关逆变器供电的永磁同步电机系统拓扑图；
图6(a)-(d)为在扇区1-4时三相四开关逆变器B、C相开关管驱动信号图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进一步进行清楚、完整、详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施例为基于a相故障容错的三相四开关逆变器供电的永磁同步电机系统实现，如图5所示。三相四开关型逆变器由直流电源、与电源正极相连的电容C1、与电源负极相连的电容C2以及功率开关管等部分组成，其中逆变器的A相故障，故三相永磁同步电机的A相连接到电容C1和C2的串联中点，B、C两相分别连接到每两个功率开关管的串联中点上。
本实施方式脉宽调制方法包括以下步骤：
(1)信号采集
利用定子电流传感器采集永磁同步电机的三相定子电流信号ia，ib，ic，利用定子电压传感器采集永磁同步电机的三相定子电压信号Va，Vb，Vc，利用直流母线电压传感器采集直流母线电压Vdc，利用电容电压传感器采集与电源正极相连的电容C1的电压Vc1、与电源负极相连的电容C2的电压Vc2，利用速度传感器得到转子的转速ωr。
(2)信号变换
将步骤(1)采集到的三相电流信号ia，ib，ic通过clark变换得到iα、iβ：
将步骤(1)采集到的三相电压信号Va，Vb，Vc通过clark变换得到Vα、Vβ：
(3)计算定子电压磁链矢量
其中，Rs为永磁同步电机的定子电阻。
(4)计算电磁转矩
Tg＝PN(fαiβ-fβiα)
其中，PN为永磁同步电机的极对数。
(5)计算目标电压矢量
根据步骤(3)所得的定子电压磁链矢量fα、fβ可以得到其幅值f和所处角度θ。
根据转子转速ωr和给定转速ω之差Δω，经PI控制器得到当前电磁转矩T，与计算所得的电磁转矩Tg之差为ΔT，经PI控制器得到所需增加的角度Δθ。
下一周期需要增大的电压磁链矢量的α轴分量大小Δfα为：
Δfα＝f*cos(θ+Δθ)-fcosθ
其中，f*为给定电压磁链幅值。
下一周期需要增大的电压磁链矢量的β轴分量大小Δfβ为：
Δfβ＝f*sin(θ+Δθ)-fsinθ
其中，f*为给定电压磁链幅值。
目标电压矢量的α轴分量大小Uα为：
其中，Rs为永磁同步电机的定子电阻，TPWM为一个PWM周期。
目标电压矢量的β轴分量大小Uβ为：
其中，Rs为永磁同步电机的定子电阻，TPWM为一个PWM周期。
(6)判断扇区
通过电压矢量Vαβ的α轴β轴分量判断其所在扇区为：
(7)计算T1、T2、T0
根据与电源正极相连的电容C1的电压Vc1、与电源负极相连的电容C2的电压Vc2可得上下电容电压差ΔU。根据直流母线电压Vdc、电容电压差ΔU、目标电压矢量UαUβ、PWM周期TPWM以及扇区N可计算得T1、T2、T0：
T0＝TPWM-T1-T2
(8)调制出B、C相的开关信号
通过七段式合成目标电压矢量的方式生成各开关管的开关信号，如图6(a)、(b)、(c)、(d)所示，其中1为上桥臂开关管导通，0为下桥臂开关管导通。
至此系统操作流程结束。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过改变零矢量的合成方式能够有效的抑制电容中点电压不平衡的程度，提高了输出的性能，并且可以在电容容值相同时应用于更大的功率场合下。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种三相四开关逆变器的零矢量合成方式：
一种基于SVM DTC的容错三相四开关中点电位补偿方法，通过改进零矢量的合成方式，用U(0，1)、U(1，0)合成，能够有效的控制电容母线中点电位的不平衡程度，提高了输出的性能，并且可以在电容容值相同时应用于更大的功率场合下。
2.一个周期内T1、T2、T0的计算方法。
3.考虑电容中点电位不平衡，通过不同电压矢量对电容中点电位的影响来控制电容中点不平衡程度。
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