CN109302119B - 全周期低共模电压运行的控制方法、控制器及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全周期低共模电压运行的控制方法、控制器及系统。其中,该方法适用于T型三电平逆变器电机驱动系统,包括:当T型三电平逆变器电机驱动系统运行在非死区时间时,采用低共模电压的模型预测控制策略,实现低电压运行;当T型三电平逆变器电机驱动系统运行在死区时间并且开关状态切换发生在两个或者三个桥臂之间时,将三相开关管全部断开,保证桥臂只输出大矢量,实现低共模电压运行;其中,大矢量为PNN,PPN,NPN,NPP,NNP和PNP,且共模电压幅值为1/6倍的输入电压值。其具有控制简单,无复杂参数调节的优势,具有很高的实用价值。
Description
技术领域
本发明属于电力电子控制领域,尤其涉及一种全周期低共模电压运行的控制方法、控制器及系统。
背景技术
T型三电平逆变器作为AC/DC接口变换器,将直流电变换为交流电。这种变换器拓扑结合了两电平拓扑的优点(如损耗小、开关器件少和运行简单等)和三电平NPC拓扑的优点(如开关损耗小和输出波形质量优等)在中低压领域如在光伏发电、电机驱动、直流输电等领域被广泛使用。特别是作为电机驱动装置,由于其输出电压波形质量优及控制的灵活性,为现代高性能PWM电机驱动提供了强有力的支持,带来了巨大的经济效益。但是许多问题也日益暴露出来,亟待解决。
T型三电平PWM逆变器驱动电机时,由于T型三电平逆变器开关状态的切换,三相输出电压之和不能为零,导致在电机的输入端产生高频的共模电压。高频的共模电压的频率与逆变器开关状态有关,幅值与直流侧的电压有关。
共模电压是T型三电平PWM逆变器电机驱动系统值得关注的问题。共模电压不仅增加了T型三电平逆变器开关器件的电压应力、交流侧电流谐波,还增加了电机负载的轴电压、轴电流,降低了电机的绕组绝缘能力。共模电压是导致感应电动机轴承损坏和产生EMI的主要原因。高EMI增加了系统损耗,降低了系统使用效率,缩短了电机使用寿命。调查统计发现电机轴承损坏导致的电机损坏占损坏总数的40%,而25%的电机轴承损坏是由于逆变器供电时共模电压引起的轴电流所导致的。
目前有许多学者针对共模电压降低进行了大量研究。A.V.Jouanne等学者提出了共模变压器法,在共模扼流圈同一磁心上缠绕一个终端连接阻尼电阻的第四绕组,来抑制共模EMI电流的振荡,进而消除电机端共模电压带来的其他负面效应。H7、H8拓扑通过增加开关器件的方法,改变系统的共模电压,使共模电压恒定。以上方法需要额外的无源器件,增加了系统成本、体积和损耗。
另一方面,随着嵌入式微处理器的高速发展,处理器运行速度越来越高,模型预测控制在电机驱动控制中得到了迅速发展。目前有许多学者采用模型预测控制策略实现T型三电平PWM逆变器电机驱动系统控制及降低系统的共模电压目标。模型预测控制具有不需要电流内环、调制模块,控制速度快等优点,提高了系统的性能。但是这种方法并没有考虑开关管切换时死区时间带来的影响。为了保证T型三电平逆变器的安全稳定运行,避免桥臂出现直通现象,死区时间必须加在驱动信号互补的开关管的驱动信号中。由于开关管状态的切换,在死区时间内共模电压会增高,影响电机的安全稳定运行。
因此,研究一种简单有效的控制方法,实现T型三电平逆变器电机驱动系统在非死区时间和死区时间内的全周期低共模电压的稳定运行具有重大意义。
发明内容
为了解决现有技术的不足,本发明的第一目的是提供一种全周期低共模电压运行的控制方法,当T型三电平逆变器电机驱动系统运行在非死区时间时,采用低共模电压的模型预测控制策略,实现低电压运行;当T型三电平逆变器电机驱动系统运行在死区时间并且开关状态切换发生在两个或者三个桥臂之间时,将三相开关管全部断开,此时桥臂只输出大矢量,实现低共模电压运行。
本发明的一种全周期低共模电压运行的控制方法,适用于T型三电平逆变器电机驱动系统,包括:
当T型三电平逆变器电机驱动系统运行在非死区时间时,采用低共模电压的模型预测控制策略,实现低电压运行;
当T型三电平逆变器电机驱动系统运行在死区时间并且开关状态切换发生在两个或者三个桥臂之间时,将三相开关管全部断开,保证桥臂只输出大矢量,实现低共模电压运行;其中,大矢量为PNN,PPN,NPN,NPP,NNP和PNP,且共模电压幅值为1/6倍的输入电压值。
其中,本发明T型三电平逆变器电机驱动系统,包括T型三电平逆变器,所述T型三电平逆变器的直流侧为直流电压源,负载为三相交流电机。
T型三电平逆变器的12个开关管,共采用12路开关驱动信号,每一相中有4个开关管和4路开关驱动信号。为避免桥臂出现直通现象,每一相中开关驱动信号互补的开关管的驱动信号中必须加入死区时间。
本发明的全周期低共模电压运行的控制策略,能够实现逆变器电流的跟踪以及低共模电压运行。
进一步的,当T型三电平逆变器电机驱动系统运行在非死区时间时,低共模电压的模型预测控制策略是基于T三电平逆变器模型的控制策略,其具体过程为:
根据控制目标建立价值函数,T型三电平模型预测控制的控制目标为电流跟踪和直流侧中点电压的平衡控制。
进一步的,在低共模电压的模型预测控制过程中,根据价值函数从空间电压矢量有限集中选出一个最优的空间电压矢量作为下一个开关周期的开关管驱动信号,控制电路的状态,实现控制目标。
进一步的,在低共模电压的模型预测控制过程中,采用空间电压矢量有限集中的小矢量控制直流侧中点电压,根据直流侧的等效电路模型,在T型三电平逆变器中P型小矢量减小上侧电容电压,N型小矢量减小下侧电容电压。
进一步的,空间电压矢量有限集共有19个空间电压矢量,分别为:
大矢量:PNN,PPN,NPN,NPP,NNP和PNP,且共模电压幅值为1/6倍的输入电压值;
中矢量:PON,OPN,NPO,NOP,ONP和PNO,且共模电压幅值为0;
小矢量:POO,OON,OPO,NOO,OOP,ONO,且共模电压幅值为1/6倍的输入电压值;
零矢量:OOO,且共模电压幅值为0。
在低共模电压模型预测控制策略中,每一个空间电压矢量都有可能与19个矢量切换,不同开关矢量切换时必须加入死区时间。在这段死区时间内桥臂输出电压就会存在共模电压大的空间电压矢量(ONN,PPO,NON,OPP,NNO,POP,PPP,NNN)。
在死区时间内,为了实现低共模电压运行,当开关矢量发生在两相桥臂或者三相桥臂之间时,将开关管全部断开,此时电流会通过反并联二极管续流,此时桥臂输出为大矢量,此时共模电压的幅值限制在1/6倍的输入电压值。根据电流续流方向,判断出此时所输出的大矢量。
本发明的一种全周期低共模电压运行的控制策略能够解决T型三电平逆变器电机驱动系统共模电压高的问题,实现全周期低共模电压运行。
本发明的第二目的是提供一种全周期低共模电压运行的控制器,其能够解决T型三电平逆变器电机驱动系统共模电压高的问题,实现全周期低共模电压运行。
本发明的一种全周期低共模电压运行的控制器,其适用于T型三电平逆变器电机驱动系统,所述全周期低共模电压运行的控制器被配置为:
当T型三电平逆变器电机驱动系统运行在非死区时间时,采用低共模电压的模型预测控制策略,实现低电压运行;
当T型三电平逆变器电机驱动系统运行在死区时间并且开关状态切换发生在两个或者三个桥臂之间时,将三相开关管全部断开,保证桥臂只输出大矢量,实现低共模电压运行;其中,大矢量为PNN,PPN,NPN,NPP,NNP和PNP,且共模电压幅值为1/6倍的输入电压值。
进一步的,所述全周期低共模电压运行的控制器,还被配置为:
当T型三电平逆变器电机驱动系统运行在非死区时间时,低共模电压的模型预测控制策略是基于T三电平逆变器模型的控制策略,其具体过程为:
根据控制目标建立价值函数,T型三电平模型预测控制的控制目标为电流跟踪和直流侧中点电压的平衡控制。
进一步的,所述全周期低共模电压运行的控制器,还被配置为:
在低共模电压的模型预测控制过程中,根据价值函数从空间电压矢量有限集中选出一个最优的空间电压矢量作为下一个开关周期的开关管驱动信号,控制电路的状态,实现控制目标。
进一步的,所述全周期低共模电压运行的控制器,还被配置为:
在低共模电压的模型预测控制过程中,采用空间电压矢量有限集中的小矢量控制直流侧中点电压,根据直流侧的等效电路模型,在T型三电平逆变器中P型小矢量减小上侧电容电压,N型小矢量减小下侧电容电压。
进一步的,空间电压矢量有限集共有19个空间电压矢量,分别为:
大矢量:PNN,PPN,NPN,NPP,NNP和PNP,且共模电压幅值为1/6倍的输入电压值;
中矢量:PON,OPN,NPO,NOP,ONP和PNO,且共模电压幅值为0;
小矢量:POO,OON,OPO,NOO,OOP,ONO,且共模电压幅值为1/6倍的输入电压值;
零矢量:OOO,且共模电压幅值为0。
本发明的第三目的是提供一种全周期低共模电压运行的控制系统,其能够解决T型三电平逆变器电机驱动系统共模电压高的问题,实现全周期低共模电压运行。
本发明的一种T型三电平逆变器混合控制系统,其包括上述所述的全周期低共模电压运行的控制器。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)非死区运行时间内采用低共模电压模型预测控制策略,该控制策略是基于逆变器的数学模型的控制策略;不需要电流内环控制器,避免了控制器的设计和复杂参数的设计;该混合控制策略不需要内环控制模块和调制模块;具有控制简单、直观、快速的特点。
(2)低共模电压模型预测控制策略是基于目标函数选择的最优的空间电压矢量,不需要调制模块;避免了复杂的三角函数的数学计算。
(3)采用正负小矢量控制直流侧中点电压,实现中点电压的平衡控制。
(4)采用混合控制策略,在非死区运行时间范围内,采用低共模电压模型预测控制策略,在死区时间内,当开关矢量发生在两相桥臂或者三相桥臂之间时,采用开关管全部断开的控制策略,实现了死区时间与非死区时间的全周期低共模电压运行,避免了死区时间高共模电压对带来的不利影响。
(5)本发明提出的全周期低共模电压运行的控制策略实现了全周期低共模电压运行、交流侧电流的跟踪控制、直流侧中点电压的平衡控制。
(6)本发明的正小矢量减小上侧电容电压,负小矢量减小下侧电容电压。通过价值函数选择合适的正负小矢量实现直流侧中点电压的平衡控制。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。
图1为T型三电平逆变器电机驱动系统;
图2为T型三电平逆变器空间矢量图;
图3(a)为P到O且电流大于0时的开关状态的切换过程;
图3(b)为P到O且电流小于0时的开关状态的切换过程;
图3(c)为O到P且电流大于0时的开关状态的切换过程;
图3(d)为O到P且电流小于0时的开关状态的切换过程;
图4为根据电流方向划分的区域;
图5(a)为电流为(++-)时正小电压矢量切换时过程死区时间产生高共模的示例;
图5(b)为电流为(++-)时负小电压矢量切换时过程死区时间产生高共模的示例;
图6(a)为正小矢量对直流侧中点电压的影响;
图6(b)为负小矢量对直流侧中点电压的影响。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了实现T型三电平逆变器全周期运行范围内的低共模电压的稳定运行,本发明提出一种混合控制策略。具体实施方式如下:
如图1所示,本发明的主电路拓扑为T型三电平逆变器,直流侧为直流电压源,T型三电平逆变器交流侧为三相交流输出,负载为三相交流电机M,三相交流输出每相线路上串联的电阻为R,串联的电感为L,Udc为输入电压,也就是直流侧为直流电压源的电压值。
直流侧滤波电容C1,C2实现直流侧电压滤波和支撑的功能,电容C1,C2的连接点形成中直流侧中性点O,实现交流侧三种电平的输出。
T型三电平逆变器含有12个带反并联二极管的IGBT开关管,每相有4个IGBT开关管,分别是Tj1,Tj2,Tj3,Tj4,(j=a,b,c),与之对应的反并联二极管分别是Dj1,Dj2,Dj3,Dj4;Tj2,Tj3共射极连接,Tj2的集电极与直流侧电容中点O连接,Tj3的集电极为交流侧输出,与电机负载相连接;Tj1与正直流母线相连接,Tj4与负直流母线相连。
为了保证系统的安全运行,避免桥臂的直通现象发生,开关管的驱动信号Tj1,Tj3互补,Tj2,Tj4互补。
桥臂输出电压、输出状态、开关函数与开关状态的对应关系如表I:
表I电网电流的方向和扇区的关系
根据图1中主电路拓扑与基尔霍夫电压定律得到T型三电平逆变器的数学模型为:
其中uao,ubo,uco为桥臂输出端到直流侧中点的电压;ia,ib,ic为相电流;uu,uv,uw为三相交流电机输入电压;uno为交流侧电机的公共端点n到直流侧电容中点O的电压;Ts为控制周期。
为了简化计算,基于(1)得到αβ坐标系下的离散化的数学:
为了补偿计算与控制延时问题,需要得到(k+1)的数学模型,所以公式(2)修正为:
直流侧电压方程为
其中C=C1=C2得到(k+1)周期的离散化方程为:
其中:
为了实现电流跟踪和直流侧中点电压的稳定,定义目标函数为:
定义共模电压为:
每相桥臂有3种输出状态,A,B,C三相桥臂共27个输出状态,对应27个空间电压矢量,如图2所示。根据输出电压的幅值,27个空间电压矢量分为大矢量、中矢量、小矢量、零矢量。
根据共模电压的表达式(8),小矢量ONN,PPO,NON,OPP,NNO,POP的共模电压为Udc/3,零矢量PPP,NNN的共模电压为Udc/2。各矢量的分类如表II:
表II空间电压矢量与幅值和共模电压的关系
为实现系统的低共模电压运行,在非死区运行时间内,采用低共模电压的模型预测控制策略,在该策略中共模电压为Udc/3的小矢量和共模电压为Udc/2的零矢量不被使用。换句话说,低共模电压模型预测控制策略只用19个共模低的空间电压矢量。根据价值函数(7)选出一个最优的空间电压矢量作为(k+1)周期的开关控制信号。所以在非死区运行时间内,T型三电平逆变器的共模电压幅值被限制在Udc/6范围内。
但是当开关状态从一个矢量切换到另外一个矢量时,为了避免桥臂直通,在两个开关状态之间需加入死区时间。在死区时间内,电流的方向影响桥臂输出电压。
图3(a)为P到O且电流大于0时的开关状态的切换过程;图3(b)为P到O且电流小于0时的开关状态的切换过程;图3(c)为O到P且电流大于0时的开关状态的切换过程;图3(d)为O到P且电流小于0时的开关状态的切换过程;从图3(a)-图3(d)中可以看出,根据电流方向不同,不同的切换状态的死区时间内出现的状态不同,表III中总结了所有不同状态切换时死区时间内出现的状态。
表III为不同状态切换时死区时间内出现的状态
图4为根据三相电流方向划分的六个区域。
当开关切换发生在两相桥臂或者三相之间时,在死区时间内容易出现共模电压高的矢量。如图5(a)和图5(b)所示,当矢量PNN切换到矢量OON时,切换发生在AB两个桥臂之间,当电流为II(++-)时,在死区时间内出现共模电压为-Udc/3的小矢量ONN;当矢量NPN切换到矢量PNO时,切换发生在ABC两个桥臂之间,当电流为II(++-)时,在死区时间内出现共模电压为-Udc/2的小矢量NNN。为了避免死区时间内高共模电压的矢量产生,在死区时间内强制所有的开关管全部关断,此时电流通过IGBT的反并联二极管续流,桥臂输出电压强制切换到大矢量,共模电压的幅值限制到Udc/6。达到死区时间降低共模电压的目的。
采用这种混合的控制策略实现了T型三电平逆变器全周期运行范围内低共模电压的运行。
图6(a)为正小矢量对直流侧中点电压的影响,图6(b)为负小矢量对直流侧中点电压的影响。其中,正小矢量减小上侧电容电压,负小矢量减小下侧电容电压。根据价值函数选择控制中点平衡所需要的正负小矢量,实现直流侧中点电位的平衡控制。
本发明提供的一种全周期低共模电压运行的控制器,适用于T型三电平逆变器电机驱动系统,所述全周期低共模电压运行的控制器被配置为:
当T型三电平逆变器电机驱动系统运行在非死区时间时,采用低共模电压的模型预测控制策略,实现低电压运行;
当T型三电平逆变器电机驱动系统运行在死区时间并且开关状态切换发生在两个或者三个桥臂之间时,将三相开关管全部断开,保证桥臂只输出大矢量,实现低共模电压运行;其中,大矢量为PNN,PPN,NPN,NPP,NNP和PNP,且共模电压幅值为1/6倍的输入电压值。
在具体实施中,所述全周期低共模电压运行的控制器,被配置为:
当T型三电平逆变器电机驱动系统运行在非死区时间时,低共模电压的模型预测控制策略是基于T三电平逆变器模型的控制策略,其具体过程为:
根据控制目标建立价值函数,T型三电平模型预测控制的控制目标为电流跟踪和直流侧中点电压的平衡控制。
具体地,所述全周期低共模电压运行的控制器,被配置为:
在低共模电压的模型预测控制过程中,根据价值函数从空间电压矢量有限集中选出一个最优的空间电压矢量作为下一个开关周期的开关管驱动信号,控制电路的状态,实现控制目标。
具体地,在低共模电压的模型预测控制过程中,采用空间电压矢量有限集中的小矢量控制直流侧中点电压,根据直流侧的等效电路模型,在T型三电平逆变器中P型小矢量减小上侧电容电压,N型小矢量减小下侧电容电压;
其中,空间电压矢量有限集共有19个空间电压矢量,分别为:
大矢量:PNN,PPN,NPN,NPP,NNP和PNP,且共模电压幅值为1/6倍的输入电压值;
中矢量:PON,OPN,NPO,NOP,ONP和PNO,且共模电压幅值为0;
小矢量:POO,OON,OPO,NOO,OOP,ONO,且共模电压幅值为1/6倍的输入电压值;
零矢量:OOO,且共模电压幅值为0。
本发明的一种全周期低共模电压运行的控制系统,包括上述所述的全周期低共模电压运行的控制器。
非死区运行时间内采用低共模电压模型预测控制策略,该控制策略是基于逆变器的数学模型的控制策略。本发明的该控制系统不需要电流内环控制器,避免了控制器的设计和复杂参数的设计。本发明的该控制系统中采用的低共模电压模型预测控制方法简单、直观,不需要内环控制模块和调制模块,具有控制简单、直观、快速的特点。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (8)
1.一种全周期低共模电压运行的控制方法,其特征在于,其适用于T型三电平逆变器电机驱动系统,包括:
当T型三电平逆变器电机驱动系统运行在非死区时间时,采用低共模电压的模型预测控制策略,实现低电压运行;
低共模电压的模型预测控制策略是基于T三电平逆变器模型的控制策略,其具体过程为:根据控制目标建立价值函数:
当T型三电平逆变器电机驱动系统运行在死区时间并且开关状态切换发生在两个或者三个桥臂之间时,将三相开关管全部断开,保证桥臂只输出大矢量,实现低共模电压运行;其中,大矢量为PNN,PPN,NPN,NPP,NNP和PNP,且共模电压幅值为1/6倍的输入电压值。
2.如权利要求1所述的一种全周期低共模电压运行的控制方法,其特征在于,在低共模电压的模型预测控制过程中,根据价值函数从空间电压矢量有限集中选出一个最优的空间电压矢量作为下一个开关周期的开关管驱动信号,控制电路的状态,实现控制目标。
3.如权利要求2所述的一种全周期低共模电压运行的控制方法,其特征在于,在低共模电压的模型预测控制过程中,采用空间电压矢量有限集中的小矢量控制直流侧中点电压,根据直流侧的等效电路模型,在T型三电平逆变器中P型小矢量减小上侧电容电压,N型小矢量减小下侧电容电压。
4.如权利要求2所述的一种全周期低共模电压运行的控制方法,其特征在于,空间电压矢量有限集共有19个空间电压矢量,分别为:
大矢量:PNN,PPN,NPN,NPP,NNP和PNP,且共模电压幅值为1/6倍的输入电压值;
中矢量:PON,OPN,NPO,NOP,ONP和PNO,且共模电压幅值为0;
小矢量:POO,OON,OPO,NOO,OOP,ONO,且共模电压幅值为1/6倍的输入电压值;
零矢量:OOO,且共模电压幅值为0。
5.一种全周期低共模电压运行的控制器,其特征在于,其适用于T型三电平逆变器电机驱动系统,所述全周期低共模电压运行的控制器被配置为:
当T型三电平逆变器电机驱动系统运行在非死区时间时,采用低共模电压的模型预测控制策略,实现低电压运行;
低共模电压的模型预测控制策略是基于T三电平逆变器模型的控制策略,其具体过程为:根据控制目标建立价值函数:
当T型三电平逆变器电机驱动系统运行在死区时间并且开关状态切换发生在两个或者三个桥臂之间时,将三相开关管全部断开,保证桥臂只输出大矢量,实现低共模电压运行;其中,大矢量为PNN,PPN,NPN,NPP,NNP和PNP,且共模电压幅值为1/6倍的输入电压值。
6.如权利要求5所述的一种全周期低共模电压运行的控制器,其特征在于,所述全周期低共模电压运行的控制器,还被配置为:
在低共模电压的模型预测控制过程中,根据价值函数从空间电压矢量有限集中选出一个最优的空间电压矢量作为下一个开关周期的开关管驱动信号,控制电路的状态,实现控制目标。
7.如权利要求6所述的一种全周期低共模电压运行的控制器,其特征在于,所述全周期低共模电压运行的控制器,还被配置为:
在低共模电压的模型预测控制过程中,采用空间电压矢量有限集中的小矢量控制直流侧中点电压,根据直流侧的等效电路模型,在T型三电平逆变器中P型小矢量减小上侧电容电压,N型小矢量减小下侧电容电压;
或空间电压矢量有限集共有19个空间电压矢量,分别为:
大矢量:PNN,PPN,NPN,NPP,NNP和PNP,且共模电压幅值为1/6倍的输入电压值;
中矢量:PON,OPN,NPO,NOP,ONP和PNO,且共模电压幅值为0;
小矢量:POO,OON,OPO,NOO,OOP,ONO,且共模电压幅值为1/6倍的输入电压值;
零矢量:OOO,且共模电压幅值为0。
8.一种全周期低共模电压运行的控制系统,其特征在于,其包括如权利要求5-7中任一项所述的全周期低共模电压运行的控制器。
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