CN108712064A - 一种电压源逆变器模型预测的共模电压抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电压源逆变器模型预测的共模电压抑制方法，该方法包括：计算电压源逆变器目标电压矢量及确定备选的电压矢量并组成集合，计算电压矢量集合中每个电压矢量的电压值uαi及uβi，采集电压源逆变器当前周期电流ia、ib及ic并变换为iα、iβ，根据iα、iβ、电压矢量集合中每个电压矢量的电压值uαi及uβi，计算下一周期的每个电压矢量的预测电流值iαi、iβi，并利用目标函数计算每个电压矢量的gi值；确定最小值gi对应的电压矢量。因此，本发明实施例提供的电压源逆变器模型预测的共模电压抑制方法，同时使用零电压矢量和非零电压矢量进行预测电流计算，在使用零电压矢量来减小电流畸变率的同时，通过选择奇电压矢量和偶电压矢量，达到了减小共模电压变化率的目标。

Description

一种电压源逆变器模型预测的共模电压抑制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种电压源逆变器模型预测的共模电压抑制方法。
背景技术
在光伏并网逆变器系统中，较大的共模电压会对地产生漏电流，影响光伏并网逆变器的工作效率，严重时还会给人身安全造成危害。在电机驱动控制领域，较大的共模电压会对电机产生轴电压和轴电流，进而会损坏电机轴承，降低电机的使用寿命。如何实现共模电压抑制是光伏并网发电系统和电机驱动系统领域的研究热点和难点。
现有技术中的共模电压抑制方法，如专利文件201510724306.6公开的基于两电平逆变器的永磁同步电机模型预测共模电压的抑制方法仅采用非零电压矢量进行模型预测控制，以实现抑制逆变器输出共模电压的目的。
然而，现有技术中的共模电压抑制方法，均由于舍弃零电压矢量，导致电流的总谐波畸变率较大。
发明内容
本发明实施例提供了一种电压源逆变器模型预测的共模电压抑制方法，解决了现有技术中共模电压抑制方法中电流的总谐波畸变率较大的问题。
一方面，本发明实施例提供的电压源逆变器模型预测的共模电压抑制方法，包括：S1，根据设定的电压源逆变器输出角频率ω,根据公式θ＝∫ωdt计算所述电压源逆变器的输出角度θ；S2，根据所述电压源逆变器的输出电流指令及所述输出角度θ，计算所述电压源逆变器当前周期静止αβ坐标系下的输出电流指令及
S3，根据所述输出角度θ、输出角频率ω、所述输出电流指令及计算所述电压源逆变器下一周期静止αβ坐标系下的输出电流指令及 其中，所述Ts为所述电压源逆变器的控制周期；S4，根据所述输出电流指令及计算所述电压源逆变器下一周期的目标电压矢量及 其中，所述L为电压源逆变器输出的负载电感，R为电压源逆变器输出的负载电阻；S5，根据所述目标电压矢量及计算所述目标电压矢量的角度θu：S6，根据所述角度θu，计算所述角度θu所在的扇区M：当时，记M＝1；当时，记M＝2；当时，记M＝3；当时，记M＝4；当时，记M＝5；当时，记M＝6；S7，根据所述电压源逆变器的开关状态Sa、Sb、Sc，确定所述电压源逆变器输出的电压矢量V(SaSbSc)；其中，所述开关状态Sa、Sb、Sc等于0或1；若Sa＝0，Sb＝0，Sc＝0，记电压矢量为V0(000)；若Sa＝1，Sb＝0，Sc＝0，记电压矢量为V1(100)；若Sa＝1，Sb＝1，Sc＝0，记电压矢量为V2(110)；若Sa＝0，Sb＝1，Sc＝0，记电压矢量为V3(010)；若Sa＝0，Sb＝1，Sc＝1，记电压矢量记为V4(011)；若Sa＝0，Sb＝0，Sc＝1，记电压矢量为V5(001)；若Sa＝1，Sb＝0，Sc＝1，记电压矢量为V6(101)；若Sa＝1，Sb＝1，Sc＝1，记电压矢量为V7(111)，其中，Sa＝1表示电压源逆变器a相桥臂上管导通，下管关断；Sa＝0表示电压源逆变器a相桥臂上管关断，下管导通；Sb＝1表示电压源逆变器b相桥臂上管导通，下管关断；Sb＝0表示电压源逆变器b相桥臂上管关断，下管导通；Sc＝1表示电压源逆变器c相桥臂上管导通，下管关断；Sc＝0表示电压源逆变器c相桥臂上管关断，下管导通；S8，根据所述角度θu所在的扇区M，确定备选的所述电压矢量，多个备选的所述电压矢量组成一个电压矢量集合，其中：当M＝1，或M＝3，或M＝5时，选择备选电压矢量V0(000)、V1(100)、V3(010)、V5(001)构成一个电压矢量集合；当M＝2，或M＝4，或M＝6时，选择备选电压矢量V2(110)、V4(011)、V6(101)、V7(111)构成一个电压矢量集合；所述电压矢量集合包含4个备选电压矢量；S9，根据所述电压矢量集合，计算所述电压矢量集合中的每个电压矢量的电压值uαi及uβi，当M＝1，或M＝3，或M＝5时，i＝0，1，3，5，当M＝2，或M＝4，或M＝6时，i＝2，4，6，7：其中，Udc为电压源逆变器的直流侧电压；Sai，Sbi，Sci代表第i个电压矢量所对应的开关状态；S10，采集所述电压源逆变器当前周期三相电流ia、ib及ic，并进行坐标转换，得到：S11，根据所述iα、iβ、每个电压矢量集合的电压矢量的电压值uαi及uβi，并计算下一周期的每个电压矢量集合的预测电流值iαi及iβi：S12，将所述iαi及iβi代入目标函数gi：计算得到每个电压矢量的gi值；S13，比较并确定所有的所述gi值中的最小值，确定所述最小值gi对应的电压矢量V(SaSbSc)。
综上，本发明实施例提供的电压源逆变器模型预测的共模电压抑制方法，考虑到漏电流和轴电流的产生均与共模电压的变化率有关，同时使用零电压矢量和非零电压矢量进行预测电流计算，本发明在使用零电压矢量来减小电流畸变率的同时，通过合理选择奇电压矢量和偶电压矢量，达到了减小共模电压变化率影响的目标。
附图说明
图1为本发明实施例提供的电压源逆变器模型预测的共模电压抑制方法的流程的示意图。
图2为本发明实施例提供的电压源逆变器模型预测的共模电压抑制方法的电压源逆变器拓扑结构示意图；
图3为本发明实施例提供的电压源逆变器模型预测的共模电压抑制方法的电压矢量集扇区分布示意图；
图4为本发明实施例提供的电压源逆变器模型预测的共模电压抑制方法的原理结构示意图；
图5为现有技术的共模电压仿真结果示意图；
图6为现有技术的电流仿真结果示意图；
图7为现有技术的电流FFT仿真结果示意图；
图8为本发明实施例提供的电压源逆变器模型预测的共模电压抑制方法的共模电压仿真结果示意图；
图9为本发明实施例提供的电压源逆变器模型预测的共模电压抑制方法的电流仿真结果示意图；
图10为本发明实施例提供的电压源逆变器模型预测的共模电压抑制方法的电流FFT仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合本发明中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
应理解，本发明实施例中，输出电流指令是期望逆变器输出的电流。该指令电流对应一个目标电压。采集电压源逆变器当前三相电流是逆变器实际输出的电流。通过控制，使得实际的电流尽可能的跟随指令电流变化。
还应理解，本发明实施例中的预测电流值是根据逆变器的数学模型和作用的电压矢量计算出来的。逆变器有多个电压矢量，每个电压矢量作用时会产生不同的电流。如果多个电压矢量中的某个电压矢量作用了，则输出一个该电压矢量的电流。本发明实施例中，通过数学模型计算出电压矢量作用时的输出电流。然后将该预测电流与设定的指令电流进行比较，即带入目标函数求误差。应理解，如果多个电压矢量分别进行作用，则可以预测多个电流，并带入目标函数求误差。最后对所有的误差作比较，确定误差最小的电压矢量，即该电压矢量的控制效果好，则可以将该电压矢量作为真正的输出电压矢量。
为了便于理解和说明，下面通过图1至图4详细阐述本发实施例提供的电压源逆变器模型预测的共模电压抑制方法，如图所示：
S1，根据设定的电压源逆变器输出角频率ω,根据公式θ＝∫ωdt计算该电压源逆变器的输出角度θ。
S2，根据设定的该电压源逆变器的输出电流指令及该输出角度θ，计算该电压源逆变器当前周期静止αβ坐标系下的输出电流指令及
S3，根据步骤S1得到的该输出角度θ和输出角频率ω、步骤S2得到的该输出电流指令及计算该电压源逆变器下一周期静止αβ坐标系下的输出电流指令及
其中，该Ts为该电压源逆变器的控制周期。
S4，根据步骤S2得到的该输出电流指令及步骤S3得到的下一周期输出电流计算该电压源逆变器下一周期的目标电压矢量及
其中，该L为电压源逆变器输出的负载电感，R为电压源逆变器输出的负载电阻。
S5，根据步骤S4得到的下一周期的该目标电压矢量及计算该目标电压矢量的角度θu：
S6，根据该角度θu，计算该角度θu所在的扇区M：
具体的，当时，记M＝1；当时，记M＝2；当时，记M＝3；当时，记M＝4；当时，记M＝5；当时，记M＝6。
S7，根据该电压源逆变器的开关状态Sa、Sb、Sc，确定该电压源逆变器输出的电压矢量V(SaSbSc)。
具体的，若Sa＝0，Sb＝0，Sc＝0，记电压矢量为V0(000)；
若Sa＝1，Sb＝0，Sc＝0，记电压矢量为V1(100)；
若Sa＝1，Sb＝1，Sc＝0，记电压矢量为V2(110)；
若Sa＝0，Sb＝1，Sc＝0，记电压矢量为V3(010)；
若Sa＝0，Sb＝1，Sc＝1，记电压矢量为V4(011)；
若Sa＝0，Sb＝0，Sc＝1，记电压矢量为V5(001)；
若Sa＝1，Sb＝0，Sc＝1，记电压矢量为V6(101)；
若Sa＝1，Sb＝1，Sc＝1，记电压矢量为V7(111)。
其中，开关状态Sa、Sb、Sc等于0或1；
Sa＝1表示电压源逆变器a相桥臂上管导通，下管关断；
Sa＝0表示电压源逆变器a相桥臂上管关断，下管导通；
Sb＝1表示电压源逆变器b相桥臂上管导通，下管关断；
Sb＝0表示电压源逆变器b相桥臂上管关断，下管导通；
Sc＝1表示电压源逆变器c相桥臂上管导通，下管关断；
Sc＝0表示电压源逆变器c相桥臂上管关断，下管导通。
S8，根据目标电压矢量的角度θu所在的扇区M，确定备选的该电压矢量，并由多个该备选的电压矢量组成一个电压矢量集合。
具体的，当M＝1，或M＝3，或M＝5时，则可以选择备选电压矢量V0(000)、V1(100)、V3(010)、V5(001)构成一个电压矢量集合；当M＝2，或M＝4，或M＝6时，选择备选电压矢量V2(110)、V4(011)、V6(101)、V7(111)构成一个电压矢量集合。电压矢量V1(100)、V3(010)、V5(001)被称为奇电压矢量，电压矢量V2(110)、V4(011)、V6(101)被称为偶电压矢量。
应理解，当从电压矢量V0(000)、V1(100)、V3(010)、V5(001)中选择备选矢量时，可保证共模电压在每个周期内的变化率为Udc/3，从而有助于减小漏电流和轴电流。当从电压矢量V2(110)、V4(011)、V6(101)、V7(111)中选择备选矢量时，也可保证共模电压在每个周期内的变化率为Udc/3，从而有助于减小漏电流和轴电流。同时，无论目标电压矢量出于哪一个扇区，都会选择零电压矢量V0(000)或V7(111)作为备选矢量，从而有助于降低电流的总谐波畸变率。
S9，根据该备选矢量集合，计算每个电压矢量集合的每个电压矢量的电压值uαi及uβi：
其中，Udc为电压源逆变器的直流侧电压；Sai，Sbi，Sci代表第i个电压矢量所对应的开关状态；当M＝1，或M＝3，或M＝5时，i＝0，1，3，5，当M＝2，或M＝4，或M＝6时，i＝2，4，6，7。
S10，采集该电压源逆变器当前三相电流ia、ib及ic，并进行坐标转换，得到：
S11，根据该iα、iβ、每个电压矢量集合中的每个电压矢量的电压值uαi及uβi，并计算下一周期的每个电压矢量集合的中的每个电压矢量的预测电流值iαi及iβi：
S12，将该iαi及iβi代入目标函数gi：
计算得到每个电压矢量集合的gi值；
S13，比较并确定所有的该gi值中的最小值，确定该最小值gi对应的电压矢量V(SaSbSc)。
进一步，为了更加清楚的解释本发明实施例，且验证本发明的有效性，进行了仿真验证。如图5至图10所示。仿真所用电压源逆变器的直流侧电压Udc为150V，负载电感L为20mH，电阻R为0.05欧，采样周期Ts为50微秒。仿真时，设定的电压源逆变器输出角频率ω为314rad/s。图5、图6及图7分别为现有技术中共模电压波形、电流波形及FFT分析波形的仿真结果示意图。图8、图9、和图10为本发明实施例提供的共模电压波形，电流波形及电流FFT分析波形仿真结果示意图。对比可见，本发明的方法可以将共模电压的变化率控制在Udc/3，与现有技术相比，有助于减小漏电流。与此同时，本发明方法的电流总谐波畸变率为2.48％，与现有技术中电流总谐波畸变率为2.86％相比得到了明显的减小。
综上所述，本发明实施例提供的电压源逆变器模型预测的共模电压抑制方法，通过同时使用零电压矢量和非零电压矢量进行预测电流计算，考虑到漏电流和轴电流的产生均与共模电压的变化率有关，本发明在使用零电压矢量来减小电流畸变率的同时，通过合理选择奇电压矢量和偶电压矢量，达到了减小共模电压变化率影响的目标。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种电压源逆变器模型预测的共模电压抑制方法，其特征在于，包括：
S1，根据设定的电压源逆变器输出角频率ω，根据公式θ＝∫ωdt计算所述电压源逆变器的输出角度θ；
S2，根据所述电压源逆变器的输出电流指令及所述输出角度θ，按照以下公式计算所述电压源逆变器当前周期静止αβ坐标系下的输出电流指令及
S3，根据所述输出角度θ、输出角频率ω、所述输出电流指令及按照以下公式计算所述电压源逆变器下一周期静止αβ坐标系下的输出电流指令及
其中，所述Ts为所述电压源逆变器的控制周期；
S4，根据所述输出电流指令及按照以下公式计算所述电压源逆变器下一周期的目标电压矢量及
其中，所述L为电压源逆变器输出的负载电感，R为电压源逆变器输出的负载电阻；
S5，根据所述目标电压矢量及按照以下公式计算所述目标电压矢量的角度θu：
S6，根据所述角度θu，计算所述角度θu所在的扇区M：
当时，记M＝1；当时，记M＝2；当时，记M＝3；当时，记M＝4；当时，记M＝5；当时，记M＝6；
S7，根据所述电压源逆变器的开关状态Sa、Sb、Sc，确定所述电压源逆变器输出的电压矢量V(SaSbSc)；其中，所述开关状态Sa、Sb、Sc等于0或1；
若Sa＝0，Sb＝0，Sc＝0，记电压矢量为V0(000)；
若Sa＝1，Sb＝0，Sc＝0，记电压矢量为V1(100)；
若Sa＝1，Sb＝1，Sc＝0，记电压矢量为V2(110)；
若Sa＝0，Sb＝1，Sc＝0，记电压矢量为V3(010)；
若Sa＝0，Sb＝1，Sc＝1，记电压矢量为V4(011)；
若Sa＝0，Sb＝0，Sc＝1，记电压矢量为V5(001)；
若Sa＝1，Sb＝0，Sc＝1，记电压矢量为V6(101)；
若Sa＝1，Sb＝1，Sc＝1，记电压矢量为V7(111)；
其中，
Sa＝1表示电压源逆变器a相桥臂上管导通，下管关断；
Sa＝0表示电压源逆变器a相桥臂上管关断，下管导通；
Sb＝1表示电压源逆变器b相桥臂上管导通，下管关断；
Sb＝0表示电压源逆变器b相桥臂上管关断，下管导通；
Sc＝1表示电压源逆变器c相桥臂上管导通，下管关断；
Sc＝0表示电压源逆变器c相桥臂上管关断，下管导通；
S8，根据所述角度θu所在的扇区M，确定备选的所述电压矢量，多个备选的所述电压矢量组成一个电压矢量集合，其中：
当M＝1，或M＝3，或M＝5时，选择备选电压矢量V0(000)、V1(100)、V3(010)、V5(001)构成一个电压矢量集合；
当M＝2，或M＝4，或M＝6时，选择备选电压矢量V2(110)、V4(011)、V6(101)、V7(111)构成一个电压矢量集合；
S9，根据所述电压矢量集合，按照以下公式计算所述电压矢量集合中的每个电压矢量的电压值uαi及uβi，当M＝1，或M＝3，或M＝5时，i＝0，1，3，5，当M＝2，或M＝4，或M＝6时，i＝2，4，6，7：
其中，Udc为电压源逆变器的直流侧电压；Sai，Sbi，Sci代表第i个电压矢量所对应的开关状态；
S10，采集所述电压源逆变器当前周期三相电流ia、ib及ic，并进行坐标转换，得到：
S11，根据所述iα、iβ、所述电压矢量集合中的每个电压矢量的电压值uαi及uβi，计算下一周期的电压矢量集合中的每个电压矢量的预测电流值iαi及iβi：
S12，将所述预测电流值iαi及iβi代入目标函数gi：
计算得到每个电压矢量的gi值；
S13，比较并确定所有的所述gi值中的最小值，确定所述最小值gi对应的电压矢量V(SaSbSc)。
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