CN109039133A - 一种基于等效零矢量的脉冲宽度调制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于等效零矢量的脉冲宽度调制方法及装置，属于电力电子变流器技术领域。本发明根据空间矢量算法确定调制波空间矢量作用时间，采用时间相等的临近对称矢量代替调制波空间矢量中的零矢量，保证三相变流器电压输出的基础上达到降低变流器端口共模电压的效果。本发明完全保留了现有空间矢量计算部分，由电压指令计算通过空间矢量算法，得到载波信号，与现有的减小共模电压的矢量调制方法相比，大大节省了计算量，提高了效率。

Description

一种基于等效零矢量的脉冲宽度调制方法及装置
技术领域
本发明涉及一种基于等效零矢量的脉冲宽度调制方法及装置，属于电力电子变流器技术领域。
背景技术
随着工业及新能源发电技术的快速发展，基于电压源型的两电平三相变流器得到广泛应用，如光伏逆变器、储能变流器、风电变流器、有源滤波器、驱动变频器等等。在任何电压源变流器中，由于其开关管动作的原因，共模电压均存在。需要注意的是尽管变流器输出的差模电压中不存在共模成分，由共模电压产生的共模电流还会流过负载。这个电流大小取决于系统、电路结构和接地器的共模阻抗，且要消耗输入功率，还将对负载产生破坏作用。
在使用光伏逆变器的光伏逆变系统中，电池板对地寄生电容、逆变器输出滤波元件和电网阻抗形成一个共模谐振回路，产生对地共模漏电流，将影响并网电流的质量，导致电磁干扰，会危害人身及设备安全，增大系统的额外损耗，加速光伏组件的老化过程；而且对地电流过大还会造成共模滤波器的饱和，降低滤波效果，同时也可能造成系统的损坏。为了保证人身和设备的安全，漏电流必须被抑制在一定的范围内。
在变频器广泛应用中，变频器产生的高频共模电压，会在电动机转轴上感应出高幅值轴电压，并形成轴承电流，使电动机的轴承在短期内损坏，缩短电动机使用寿命；高速开关的电力电子器件在每次动作时都会对供电电源产生很强的电磁干扰，影响其它控制系统或电子设备的正常运行；当变频器与电动机之间不可避免地采用长线电缆连接时，在电动机端会产生过电压，加剧了电动机绕组绝缘压力，使上述负面效应产生的影响进一步显著。上述负面效应的存在使系统可靠性下降，故障率增加，但这些往往被变频器的使用者所忽视，而它所带来的实际损失可能会超过交流变频调速系统自身的成本。因此，研究PWM变频器产生的负面效应及其解决方法具有重要的理论意义和实用价值。
为了抑制共模电压，目前主要方法为增加共模磁环或LC滤波回路，该类方法虽然在一定程度上能够抑制共模电压，但不能从根本上消除共模电压的危害，局限性较大，大大增加系统成本、体积和复杂。
从广泛引用的空间矢量调制算法上进行分析研究，逆变器允许存在8种开关状态，这时在电动机三相绕组或输出电压中性点处，将存在共模电压，即逆变器输出的零序电压，其大小由下式给出。
Vcm＝(Va+Vb+Vc)/3 (1)
根据上式，如果电动机接三相对称正弦电压源，则Vcm＝0，系统中不存在由共模电压带来的危害。如接电压源变频器，共模电压大小根据逆变器中开关管所有允许的导通关断状态确定。如图2中(a)为例，逆变器三相输出均为-Udc/2，代入式(1)得出此时共模电压为-Udc/2；以图2中(b)为例，此时三相逆变器输出为-Udc/2，-Udc/2，+Udc/2，代入式(1)得此刻共模电压为-Udc/6；以下类推，可以得逆变器工作时所输出共模电压幅值的大小，如下式所示，可见共模电压具有四电平特性。
为了抑制共模电压，相关文献对无零矢量调试算法进行研究(NZPWM)，可将共模电压由原来的Udc/2降低到Udc/6，也即不使用零矢量S0(0,0,0)和S7(1,1,1)，使得逆变器输出共模电压只有幅值为Udc/6的状态，从而实现共模电压的抑制。
目前NZPWM调制方法常有RSPWM、AZSPWM1、AZSPWM3、NSPWM，它们的调制原理不同，在抑制共模电压的同时，其直流电压利用率和谐波特性有一定的差异，使得它们的应用场合有所不同。但是以上均需要对传统空间矢量作用时间进行重新计算，改动较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于等效零矢量的脉冲宽度调制方法及装置，以解决目前空间矢量脉宽调制过程中存在的计算量大的问题。
本发明为解决上述技术问题而提供一种基于等效零矢量的脉冲宽度调制方法，该脉冲宽度调制方法包括以下步骤：
1)利用空间矢量算法确定调制波空间矢量作用时间，所述调制波空间矢量包括零矢量和有效电压矢量；
2)采用时间相等的临近对称矢量代替调制波空间矢量中的零矢量。
本发明根据空间矢量算法确定调制波空间矢量作用时间，采用时间相等的临近对称矢量代替调制波空间矢量中的零矢量，保证三相变流器电压输出的基础上达到降低变流器端口共模电压的效果。本发明完全保留了现有空间矢量计算部分，由电压指令计算通过空间矢量算法，得到载波信号，与现有的减小共模电压的矢量调制方法相比，大大节省了计算量，提高了效率。
进一步地，本发明给出具体的零矢量替换方法，所述步骤2)是根据电压指令所在扇区，将各扇区内的零矢量与该扇区两个相邻矢量代替。
进一步地，本发明采用现有的SVPWM空间矢量计算方式得到空间矢量作用时间，提高了计算效率，所述步骤1)采用SVPWM调制算法确定调制波空间矢量作用时间。
进一步地，本发明给出了调制波空间矢量作用时间的计算过程，调制波空间矢量作用时间的确定过程如下：
1)将除零矢量外的六个有效电压矢量的坐标平面划分为相互间隔60度的六个扇区；
2)根据零矢量和各扇区内的有效电压矢量合成与各扇区对应的期望电压矢量，并计算各期望电压矢量在对应扇区内相邻有效电压矢量和零矢量的作用时间，该时间即为调制波空间矢量作用时间。
进一步地，本发明还给出了空间矢量的作用顺序，在得到调制波空间矢量作用时间后，需根据输出波形对称的原则确定有效电压矢量和零矢量的作用顺序。
进一步地，为了降低开关损耗，本发明的有效电压矢量和零矢量的作用顺序的确定过程为：将零矢量作用时间平均分成四分，在开关周期首尾两端各放一份，中间放两份；将有效电压矢量的作用时间平分成两份后，分别插在首部零矢量与中间零矢量和中间零矢量与尾部零矢量之间。
本发明还提供了一种基于等效零矢量的脉冲宽度调制装置，该脉宽调制装置包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
1)利用空间矢量算法确定调制波空间矢量作用时间，所述调制波空间矢量包括零矢量和有效电压矢量；
2)采用时间相等的临近对称矢量代替调制波空间矢量中的零矢量。
所述步骤2)是根据电压指令所在扇区，将各扇区内的零矢量与该扇区两个相邻矢量代替。
进一步地，所述步骤1)采用SVPWM调制算法确定调制波空间矢量作用时间。
进一步地，调制波空间矢量作用时间的确定过程如下：
1)将除零矢量外的六个有效电压矢量的坐标平面划分为相互间隔60度的六个扇区；
2)根据零矢量和各扇区内的有效电压矢量合成与各扇区对应的期望电压矢量，并计算各期望电压矢量在对应扇区内相邻有效电压矢量和零矢量的作用时间，该时间即为调制波空间矢量作用时间。
进一步地，在得到调制波空间矢量作用时间后，需根据输出波形对称的原则确定有效电压矢量和零矢量的作用顺序。
进一步地，有效电压矢量和零矢量的作用顺序的确定过程为：将零矢量作用时间平均分成四分，在开关周期首尾两端各放一份，中间放两份；将有效电压矢量的作用时间平分成两份后，分别插在首部零矢量与中间零矢量和中间零矢量与尾部零矢量之间。
附图说明
图1是三相电压型变流器结构图；
图2是变流器所允许的八种开关状态示意图；
图3是八个基本电压矢量图；
图4是扇区S1的期望电压矢量合成图；
图5是扇区S1的输出PWM波形图
图6-a是扇区S1采用常规SVPWM的调制波形图；
图6-b是扇区S1采用AZSPWM的调制波形图；
图7是本发明等效零矢量调制方法实现流程图；
图8是SVPWM与AZSPWM实际脉冲输出对比波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
本发明在原空间矢量脉宽调制(SVPWM)调制算法基础上保留调制波空间矢量作用时间计算部分，对载波比较脉冲生成部分进行修改，运用一定规律采用时间相等的临近对称矢量代替原零矢量(000及111)，保证三相变流器电压输出的基础上达到降低变流器端口共模电压的效果，其实施步骤如图7所示。
下面以三相电压型两电平逆变桥的脉宽调制方法为例进行说明，如图1所示，本发明所针对的三相电压型逆变桥由六个功率开关管组成，这六个开关管分别由PWM1-PWM6信号进行驱动控制。六个功率开关管共组成三对桥臂，工作方式是每对桥臂上的两个功率管为互补导通工作方式。为防止短路，每对桥臂的上下两个功率开关管不能同时导通，因此上下两个管采用互锁模式。其中，SA、SB、SC分别表示A、B、C三个桥臂上的两个开关的逻辑状态，将上桥臂功率开关器件导通且下桥臂关断的状态记作“1”，上桥臂功率开关器件关断且下桥臂开通的状态记作“0”。由以上可知，六个功率开关器件共有八种开关组合，分别是：s1(100)、s2(110)、s3(010)、s4(011)、s5(001)、s6(101)、s0(000)和s7(111)。
对上述八个开关状态进行分析可得到对应三相电压型逆变桥各个状态的几个基本空间矢量。八种开关状态组合对应于八个空间电压矢量，可它们称为基本电压矢量。三个桥臂上功率开关管的开关状态八个组合对应的三相合成电压矢量和三相电压列于表1中。
表1
由上表中各电压矢量可以看出，八个空间电压矢量中，除了零电压矢量u0和u7以外，其余六个有效电压矢量u1～u6的幅值都是Udc，在空间上相互之间相差π/3。如果在两相静止坐标系下将它们表示出来，让每个电压矢量的起点都为坐标原点，那么，两个零电压矢量位于坐标原点，六个有效电压矢量将整个坐标平面分作相互间隔π/3的六个扇区，如图3所示。
逆变器输出的三相正弦波供电在空间中形成的是圆形旋转磁场，而逆变桥的开关状态只有六个有效基本电压矢量，若采用在一个周期内每个有效矢量只作用一次的方式，那就只能在空间上生成正六边形的旋转磁场，但是六边形旋转磁场带有较大的谐波分量，这必将导致电磁转矩和转速的脉动。为了获得接近圆形的旋转磁场，就必须需要更多空间位置不同的电压矢量以供选择。但是三相逆变器只有八个基本电压矢量，为了解决这个问题，根据空间矢量的平行四边形合成法则，用六个有效的基本电压矢量中两个相邻的电压矢量以及零矢量合成出更多不同空间位置的电压矢量，从而使得到空间中旋转磁场更加接近圆形。
六个有效的基本电压矢量能够将整个电压矢量空间均分为六个对称的扇区，每个扇区均为60度的扇形区域，以u1和u2所夹的区域为S1扇区，逆时针旋转，依次划分为S1-S6，如图3所示。
当期望输出的电压输出矢量落在某一个扇区内，可将该扇区的两个非零的基本电压矢量和零矢量等效地合成期望输出矢量，此处的等效是指，等效前后矢量产生的定子磁链的增量在一个PWM周期内是近似相等的。
本发明先进行载波比较得到空间电压矢量即三个桥臂六个开关管动作信号，再对零矢量开关信号用该扇区两个相邻矢量进行替换。其中载波比较法过程为：
当三相调制波均大于载波时，最大调制波与最小调制波对应脉冲为1(0)，中间值调制波对应脉冲为0(1)；
当三相调制波均小于载波时，最大调制波与最小调制波对应脉冲为0(1)，中间值调制波对应脉冲为1(0)；
其他工况，当调制波小于载波时，对应脉冲为1。
如图8所示，PWM_CMPR1、PWM_CMPR2、PWM_CMPR3分别为A、B、C三相调制波，与载波进行比较，并生产脉冲Sw1、Sw3、Sw5的开关信号PWM1、PWM2、PWM3。
当PWM_CMPR1、PWM_CMPR2、PWM_CMPR3均大于载波时，PWM_CMPR1-3的最大值与最小值对应脉冲为1(0)，如PWM_CMPR2>PWM_CMPR1>PWM_CMPR3,则PWM2、PWM3为1(0)，PWM1为0(1)；
当PWM_CMPR1、PWM_CMPR2、PWM_CMPR3均小于载波时，PWM_CMPR1-3的中间值对应脉冲为1(0)，如PWM_CMPR2>PWM_CMPR1>PWM_CMPR3,则PWM2、PWM3为0(1)，PWM1为1(0)；
其他情况下，当PWM_CMPR大于载波值时对应脉冲为0，小于载波时对应脉冲为1，如PWM_CMPR1大于载波，则PWM1为0。
PMW1、PMW3、PMW5取反分别得到Sw2、Sw4、Sw6的开关信号PMW2、PMW4、PMW6。
本发明采用平行四边形合成的原则来产生空间电压矢量us，根据伏秒平衡原则，任意电压矢量us均可由其相邻的两个电压矢量ux、uy及零矢量u0合成，根据伏秒平衡可列出它们之间的关系式。
u0T0+uxTx+uyTy＝usT (3)
其中，Tx、Ty、T0分别是为相邻矢量ux、uy和零矢量u0的作用时间；T为采样周期或一个开关周期。而且：
T＝Tx+Ty+T0 (4)
|ux|＝|uy|＝Ud (5)
对于扇区S1而言，需要采用基本空间矢量ux、uy和零矢量u0来合成期望电压矢量，图4是对应的期望电压空间矢量合成图，其中us表示期望合成的电压矢量，θ为期望输出电压矢量与扇区起始角的夹角。
由图4可知，期望输出电压矢量与基本空间矢量之间的关系为：
其中T1和T2分别表示一个周期T内基本空间矢量u1和u2的作用时间。
将得到期望电压矢量us投影到两相静止αβ坐标系，投影矢量分别为uα和uβ，这两个矢量的幅值分别为，可得到电压矢量的分别为：
将式(7)和|u1|＝|u2|＝Ud代入式(6)中，可得到期望电压矢量us在扇区S1内相邻基本矢量u1、u2和零矢量的作用时间：
同理对于扇区S2，可得：
将|u2|＝|u3|＝Ud代入式(9)，可得到矢量us在扇区S2内相邻基本矢量u2、u3和零矢量的作用时间：
采用同样的方法，可依次求得其它各扇区相邻基本矢量的作用时间如下：
扇区S1：
扇区S2：
扇区S3：
扇区S4：
扇区S5：
扇区S6：
为了简化计算量，可设中间变量X、Y、Z，且
通过上述过程，即可确定六个扇区内相邻基本矢量的作用时间序列如表2所示。
表2
在确定基本矢量和零矢量作用顺序的过程中，依据输出波形对称的原则，将零矢量作用时间平均分成四份，在开关周期的首尾两端各放一份，中间放两份，两个基本电压矢量的作用时间平分成两份后，分别插在首中部和中尾部零矢量之间，按照开关损耗最小的原则，首尾的零矢量取u0，中间的零矢量取u7，以扇区S1为例，此时PWM波形如图5所示，逆变器的输出序列为：u0-u1-u2-u7-u2-u1-u0，其中u0与u7的作用时间相同。
因此，同样以扇区S1为例，由现有技术中SVPWM修改为本发明的AZSPWM只需要更换原调制方法中u0(000)与u7(111)矢量，用相邻2个矢量u3(010)和u6(101)对冲完成，输出序列更换为：u6-u1-u2-u3-u2-u1-u6或u3-u1-u2-u6-u2-u1-u3。同样以S1空间为例，常规SVPWM与AZSPWM调制对比见图6-a和图6-b中所示。
同理，其他扇区AZPWM实现方案如下：
a)电压指令在第二扇区S2则用u1、u4替换，脉冲序列由u0-u3-u2-u7-u2-u3-u0更改为u1-u3-u2-u4-u2-u3-u1或u4-u3-u2-u1-u2-u3-u4；
b)电压指令在第三扇区S3则用u2、u5替换，脉冲序列由u0-u3-u4-u7-u4-u3-u0更改为u2-u3-u4-u5-u4-u3-u2或u5-u3-u4-u2-u4-u3-u5；
c)电压指令在第四扇区S4则用u3、u6替换，脉冲序列由u0-u5-u4-u7-u4-u5-u0更改为u3-u5-u4-u6-u4-u5-u3或u6-u5-u4-u3-u4-u5-u6；
d)电压指令在第五扇区S5则用u1、u4替换，脉冲序列由u0-u5-u6-u7-u6-u5-u0更改为u1-u5-u6-u4-u6-u5-u1或u4-u5-u6-u1-u6-u5-u4；
e)电压指令在第六扇区S6则用u2、u5替换，脉冲序列由u0-u1-u6-u7-u6-u1-u0更改为u2-u1-u6-u5-u6-u1-u2或u5-u1-u6-u2-u6-u1-u5。
由此可以得到不同扇区电压指令对应的脉冲序列，根据该脉冲序列即可实现对逆变器各开关管的控制。
上述方法可以作为一种计算机程序，存储在基于等效零矢量的脉冲宽度调制装置中的存储器中并可在基于等效零矢量的脉冲宽度调制装置中的处理器上运行，该装置中的处理器可以采用单片机、FPGA、DSP、PLC或MCU等实现，存储器可以采用RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、移动磁盘、CD-ROM或者本领域已知的任何其他形式的存储介质，可以将该存储介质耦接至处理器，使处理器能够从该存储介质读取信息，或者该存储介质可以是处理器的组成部分。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种基于等效零矢量的脉冲宽度调制方法，其特征在于，该脉冲宽度调制方法包括以下步骤：
1)利用空间矢量算法确定调制波空间矢量作用时间，所述调制波空间矢量包括零矢量和有效电压矢量；
2)采用时间相等的临近对称矢量代替调制波空间矢量中的零矢量。
2.根据权利要求1所述的基于等效零矢量的脉冲宽度调制方法，其特征在于，所述步骤2)是根据电压指令所在扇区，将各扇区内的零矢量与该扇区两个相邻矢量代替。
3.根据权利要求1或2所述的基于等效零矢量的脉冲宽度调制方法，其特征在于，所述步骤1)采用SVPWM调制算法确定调制波空间矢量作用时间。
4.根据权利要求1所述的基于等效零矢量的脉冲宽度调制方法，其特征在于，调制波空间矢量作用时间的确定过程如下：
1)将除零矢量外的六个有效电压矢量的坐标平面划分为相互间隔60度的六个扇区；
2)根据零矢量和各扇区内的有效电压矢量合成与各扇区对应的期望电压矢量，并计算各期望电压矢量在对应扇区内相邻有效电压矢量和零矢量的作用时间，该时间即为调制波空间矢量作用时间。
5.根据权利要求4所述的基于等效零矢量的脉冲宽度调制方法，其特征在于，在得到调制波空间矢量作用时间后，需根据输出波形对称的原则确定有效电压矢量和零矢量的作用顺序。
6.根据权利要求5所述的基于等效零矢量的脉冲宽度调制方法，其特征在于，有效电压矢量和零矢量的作用顺序的确定过程为：将零矢量作用时间平均分成四分，在开关周期首尾两端各放一份，中间放两份；将有效电压矢量的作用时间平分成两份后，分别插在首部零矢量与中间零矢量和中间零矢量与尾部零矢量之间。
7.一种基于等效零矢量的脉冲宽度调制装置，其特征在于，该脉宽调制装置包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
1)利用空间矢量算法确定调制波空间矢量作用时间，所述调制波空间矢量包括零矢量和有效电压矢量；
2)采用时间相等的临近对称矢量代替调制波空间矢量中的零矢量。
8.根据权利要求7所述的基于等效零矢量的脉冲宽度调制装置，其特征在于，所述步骤2)是根据电压指令所在扇区，将各扇区内的零矢量与该扇区两个相邻矢量代替。
9.根据权利要求7或8所述的基于等效零矢量的脉冲宽度调制装置，其特征在于，所述步骤1)采用SVPWM调制算法确定调制波空间矢量作用时间。
10.根据权利要求7所述的基于等效零矢量的脉冲宽度调制装置，其特征在于，调制波空间矢量作用时间的确定过程如下：
1)将除零矢量外的六个有效电压矢量的坐标平面划分为相互间隔60度的六个扇区；
2)根据零矢量和各扇区内的有效电压矢量合成与各扇区对应的期望电压矢量，并计算各期望电压矢量在对应扇区内相邻有效电压矢量和零矢量的作用时间，该时间即为调制波空间矢量作用时间。
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