CN110995115B - 一种改进三维空间矢量调制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改进三维空间矢量调制方法，用于调制三相四桥臂逆变器，包括如下步骤：步骤1：根据参考电压矢量在α‑β平面上的投影位置，对扇区进行判断；步骤2：根据判断出的扇区，按照预定规则选取4基本矢量；步骤3：求解所述参考电压矢量与选取的4基本矢量之间的预定数学关系，得到矢量作用时间；步骤4：按照得到的矢量作用时间，分配并生成各组桥臂的开关脉冲序列；步骤5：将生成的开关脉冲序列作为驱动电路的PWM指令信号，控制主功率管的开通与断开。该改进三维空间矢量调制方法用于调制三相四桥臂逆变器，不仅能够抑制输出共模电压，而且可以简化调制算法的复杂程度。本发明还公开了一种改进三维空间矢量调制系统。

Description

一种改进三维空间矢量调制方法及系统
技术领域
本发明涉及逆变器调制技术，尤其涉及一种改进三维空间矢量调制方法及系统。
背景技术
在负载环境复杂的三相系统中，不平衡负载会对逆变器的输出电压性能产生不利影响，引发三相不平衡的问题。三相四桥臂逆变器能够为负载侧的不平衡电流提供零序通路，具有较强的带不平衡负载的能力，因此被广泛的应用在不间断电源（UPS）、孤岛逆变器以及有源电力滤波器（APF）等领域。
为了能够对四桥臂逆变器进行有效的控制，多种不同类型的调制方案被提出并得到了应用，其中三维空间矢量调制方法因其输出电压谐波含量小、电压利用率高等特点，受到了越来越多的青睐。然而， 三维空间矢量调制方法并不是完美的，它会导致逆变器输出电压中含有高频的共模成分，不仅会对电机等敏感负载的寿命造成损害，还会干扰系统中通讯电子设备的正常运行，从而产生更加严重的危害。此外，三维空间矢量调制在算法的实现过程中，会涉及到大量且复杂的扇区判断以及占空比计算等工作，对数字控制器的性能提出了很大的挑战。
面对传统三维空间矢量调制方法所存在的输出共模电压高以及算法复杂度高的问题，研究者们提出了许多的改进方案。 文献“四桥臂变流器新型三维空间矢量脉宽调制方法”（中国电机工程学报，2011，31(33)：1-8）中提出了一种基于神经网络分类算法的三维空间矢量调制方法，它通过引入中间变量来简化扇区判断和占空比计算的过程，但是缺少对输出共模电压问题的讨论。 文献“抑制三相四桥臂逆变器共模电压的三维 SVPWM 控制策略”（电力系统自动化，2018，42(12)：122-126）中提出利用一对互补且邻近旋转参考矢量的非零矢量来替代零矢量的方案， 有效的降低了系统的输出共模电压，但是增加的“矢量替代”过程加剧了算法的复杂程度。 因此， 如何解决传统三维空间矢量调制所存在的输出共模电压高以及算法复杂度高的问题， 成为工程应用领域中亟待解决的难题。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种改进三维空间矢量调制方法，用于调制三相四桥臂逆变器，不仅能够抑制输出共模电压， 而且可以简化调制算法的复杂程度。
本发明提供一种改进三维空间矢量调制系统。
本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：
一种改进三维空间矢量调制方法，用于调制三相四桥臂逆变器，包括如下步骤：
步骤1：根据参考电压矢量在α-β平面上的投影位置，对扇区进行判断；
步骤2：根据判断出的扇区，按照预定规则选取4基本矢量；
步骤3：求解所述参考电压矢量与选取的4基本矢量之间的预定数学关系，得到矢量作用时间；
步骤4：按照得到的矢量作用时间，分配并生成各组桥臂的开关脉冲序列；
步骤5：将生成的开关脉冲序列作为驱动电路的PWM指令信号，控制主功率管的开通与断开。
进一步地，在步骤1中，建立三维空间矢量坐标系αβγ，将所述参考电压矢量在所述三维空间矢量坐标系αβγ中进行分解，得到在α轴上的电压分量Vα和在β轴上的电压分量Vβ，将所述电压分量Vα和Vβ作为所述参考电压矢量在α-β平面上的投影位置。
进一步地，所述参考电压矢量在α-β平面的α轴上的电压分量为Vα、在α-β平面的β轴上的电压分量为Vβ，则在步骤1中对所述扇区进行判断时包括如下步骤：
步骤1.1：引入辅助变量A、B、C和N，并定义如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
；
N=A+2*B+4*C；
步骤1.2：依据计算出的变量N，以及预设的变量N与各扇区之间的对应关系，得到对应的扇区。
进一步地，对各扇区进行编号，则在步骤1.2中预设的变量N与各扇区S的编号之间的对应关系如下：
若变量N=3，则扇区 S=Ⅰ；
若变量N=1，则扇区S=Ⅱ；
若变量N=5，则扇区S=Ⅲ；
若变量N=4，则扇区S=Ⅳ；
若变量N=6，则扇区S=Ⅴ；
若变量N=2，则扇区S=Ⅵ。
进一步地，在步骤2中选取与判断出的扇区邻近的共模电压为零的两个基本矢量、以及互补的一对基本矢量，构成所需的4基本矢量。
进一步地，4个基本矢量的矢量作用时间分别为T1、T2、T3和T4，开关周期为Ts，所述参考电压矢量在α-β平面的γ轴上的电压分量为Vγ，则在步骤3中所述参考电压矢量与选取的4基本矢量的矢量作用时间之间的预定数学关系如下：
当扇区S=Ⅰ时，满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
；
当扇区S=Ⅱ时，满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；
当扇区S=Ⅲ时，满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
；
当扇区S=Ⅳ时，满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
；
当扇区S=Ⅴ时，满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
；
当扇区S=Ⅵ时，满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
。
进一步地，4个基本矢量分别为V1、V2、V3和V4，分别对应于T1、T2、T3和T4，则
当扇区S=Ⅰ时，V1=nnnp、V2=pnnp、V3=ppnn和V4=pppn；
当扇区S=Ⅱ时，V1=nnnp、V2=npnp、V3=ppnn和V4= pppn；
当扇区S=Ⅲ时，V1=nnnp、V2=npnp、V3=nppn和V4=pppn；
当扇区S=Ⅳ时，V1=nnnp、V2=nnpp、V3=nppn和V4=pppn；
当扇区S=Ⅴ时，V1=nnnp、V2=nnpp、V3=pnpn和V4=pppn；
当扇区S=Ⅵ时，V1=nnnp、V2=pnnp、V3=pnpn和V4=pppn。
进一步地，在步骤4中各组桥臂的开关脉冲序列采用中心对称的脉冲序列形式。
一种改进三维空间矢量调制系统，包括：
扇区判断模块，用于根据参考电压矢量在α-β平面上的投影位置，对扇区进行判断；
矢量选择模块，用于根据判断出的扇区，按照预定规则选取4基本矢量；
矢量作用时间计算模块，用于求解所述参考电压矢量与选取的4基本矢量之间的预定数学关系，得到矢量作用时间；
脉冲序列分配模块，用于按照得到的矢量作用时间，分配并生成各组桥臂的开关脉冲序列，然后将生成的开关脉冲序列作为驱动电路的PWM指令信号，控制主功率管的开通与断开。
本发明具有如下有益效果：
（1）该改进三维空间矢量调制方法及系统可以将三相四桥臂逆变器的输出共模电压幅值限制在直流输入电压的四分之一以下，与现有的三维空间矢量调制方法相比，输出共模电压幅值降低了一半；
（2）该改进三维空间矢量调制方法及系统可以简化算法的执行过程与数据处理量，与现有的三维空间矢量调制方法相比，只需要经历一次扇区的判断过程，并且占空比计算矩阵的数量也由现有的24个减少为至6个；
（3）该改进三维空间矢量调制方法及系统可以保证三相四桥臂逆变器的所有主功率管的开关频率保持一致，并且在每个开关周期的起始时刻，每组桥臂的开关状态保持固定不变，方便数字控制领域的应用。
附图说明
图1为三相四桥臂逆变器系统的原理结构图；
图2为本发明提供的改进三维空间矢量调制方法的系统原理图；
图3为本发明提供的改进三维空间矢量调制方法的空间矢量图；
图4为本发明提供的改进三维空间矢量调制方法的空间矢量在α-β平面上的投影图；
图5为本发明提供的改进三维空间矢量调制方法在扇区S= I时的开关脉冲序列图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
实施例一
一种改进三维空间矢量调制方法，如图1所示用于调制三相四桥臂逆变器，采用现有的三维空间矢量调制方法中的8个基本矢量来合成参考电压矢量，并且依据伏秒平衡的原则确定8个基本矢量与参考电压矢量之间的数学关系，最终生成8路PWM信号，由驱动电路控制主功率管的开关动作，简化了算法的同时也起到了抑制三相四桥臂逆变器输出共模电压的作用。
如图2-5所示，该方法包括如下步骤：
步骤1：根据参考电压矢量在α-β平面上的投影位置，对扇区进行判断。
在该步骤1中，建立三维空间矢量坐标系αβγ，将所述三相四桥臂逆变器的参考电压矢量V在所述三维空间矢量坐标系αβγ中进行分解，得到在α轴上的电压分量Vα、在β轴上的电压分量Vβ以及在γ轴上的电压分量Vγ，其中电压分量Vα和Vβ即为所述参考电压矢量V在α-β平面上的投影位置。
在步骤1中计算出所述电压分量Vα和Vβ后，进而对所述扇区进行判断时包括如下步骤：
步骤1.1：引入辅助变量A、B、C和N，并定义如下：
Figure 906216DEST_PATH_IMAGE002
；
Figure 823356DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 665410DEST_PATH_IMAGE006
；
N=A+2*B+4*C。
步骤1.2：依据计算出的变量N，以及预设的变量N与各扇区之间的对应关系，得到对应的扇区。
在该步骤1.2中，对各扇区进行编号，则预设的变量N与各扇区S的编号之间的对应关系如下：
若变量N=3，则扇区S=Ⅰ；
若变量N=1，则扇区S=Ⅱ；
若变量N=5，则扇区S=Ⅲ；
若变量N=4，则扇区S=Ⅳ；
若变量N=6，则扇区S=Ⅴ；
若变量N=2，则扇区S=Ⅵ。
本实施例中采用罗马数字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ来对所述参考电压矢量在α-β平面上的各个扇区进行编号，在具体实现时也可采用其他具有标识作用的符号来对各个扇区进行编号，因此，各个扇区的编号形式不应影响本案的保护范围。
本案在步骤1中对所述扇区进行判断时，仅使用到所述参考电压矢量在α轴和β轴上的电压分量，便可直接完成所述扇区编号的判断，不涉及γ 轴上的电压分量的运算工作，节省了大量数据运算。
步骤2：根据判断出的扇区，按照预定规则选取4基本矢量。
在该步骤2中，优选地选取与判断出的扇区邻近的共模电压为零的两个基本矢量、以及互补的一对基本矢量，构成所需的4基本矢量。
即根据判断出的扇区，4基本矢量的选取原则如下：
当扇区S=Ⅰ时，选取的4基本矢量为：nnnp、pnnp、ppnn和pppn；
当扇区S=Ⅱ时，选取的4基本矢量为：nnnp、npnp、ppnn和pppn；
当扇区S=Ⅲ时，选取的4基本矢量为：nnnp、npnp、nppn和pppn；
当扇区S=Ⅳ时，选取的4基本矢量为：nnnp、nnpp、nppn和pppn；
当扇区S=Ⅴ时，选取的4基本矢量为：nnnp、nnpp、pnpn和pppn；
当扇区S=Ⅵ时，选取的4基本矢量为：nnnp、pnnp、pnpn和pppn。
本案所使用到的基本矢量一共有8个（现有的三维空间矢量调制为16个），包括共模电压为零的6个基本矢量（ppnn、 nppn、 pnpn、 pnnp、 npnp 和 nnpp ）以及互补的一对基本矢量（pppn 和 nnnp）。
本实施例中采用n和p来表示各个基本矢量的电平状态，在具体实现时也可采用其他具有标识作用的符号来表示电平状态，因此，各个基本矢量的表达形式不应影响本案的保护范围。
步骤3：求解所述参考电压矢量与选取的4基本矢量的矢量作用时间之间的预定数学关系，得到矢量作用时间。
在步骤3中，4个基本矢量的矢量作用时间分别为T1、T2、T3和T4，开关周期为Ts，则在步骤3中所述参考电压矢量与选取的4基本矢量的矢量作用时间之间的预定数学关系如下：
当扇区S=Ⅰ时，满足：
Figure 636120DEST_PATH_IMAGE008
；
当扇区S=Ⅱ时，满足：
Figure 450492DEST_PATH_IMAGE010
；
当扇区S=Ⅲ时，满足：
Figure 335272DEST_PATH_IMAGE012
；
当扇区S=Ⅳ时，满足：
Figure 602305DEST_PATH_IMAGE014
；
当扇区S=Ⅴ时，满足：
Figure 863522DEST_PATH_IMAGE016
；
当扇区S=Ⅵ时，满足：
Figure 532401DEST_PATH_IMAGE018
。
本案在依据伏秒平衡的原则计算所述参考电压矢量与所述基本矢量的矢量作用时间之间的预定数学关系时，只需要涉及到 6 个占空比计算矩阵（现有的三维空间矢量调制为 24 个），节省了大量数据运算。
其中，4个基本矢量分别为V1、V2、V3和V4，分别对应于T1、T2、T3和T4，则
当扇区S=Ⅰ时，V1=nnnp、V2=pnnp、V3=ppnn和V4=pppn；
当扇区S=Ⅱ时，V1=nnnp、V2=npnp、V3=ppnn和V4= pppn；
当扇区S=Ⅲ时，V1=nnnp、V2=npnp、V3=nppn和V4=pppn；
当扇区S=Ⅳ时，V1=nnnp、V2=nnpp、V3=nppn和V4=pppn；
当扇区S=Ⅴ时，V1=nnnp、V2=nnpp、V3=pnpn和V4=pppn；
当扇区S=Ⅵ时，V1=nnnp、V2=pnnp、V3=pnpn和V4=pppn。
步骤4：按照得到的矢量作用时间，分配并生成各组桥臂的开关脉冲序列。
在该步骤4中，各组桥臂的开关脉冲序列优选采用中心对称的脉冲序列形式。
本案采用步骤3中计算出的矢量作用时间时，可以保证所述三相四桥臂逆变器的所有桥臂的开关脉冲序列的变化周期与开关周期Ts相等，并且，当脉冲序列的变化形式为中心对称时，在每个开关周期Ts的起始时刻，各组桥臂的开关逻辑始终保持不变：即A、B、C相桥臂的开关状态为上桥臂关断而下桥臂导通，N相桥臂的开关状态为上桥臂开通而下桥臂关断。
步骤5：将生成的开关脉冲序列作为驱动电路的PWM指令信号，控制主功率管的开通与断开。
实施例二
应用于实施例一所述的改进三维空间矢量调制方法的系统，如图2所示，包括：
扇区判断模块，用于根据参考电压矢量在α-β平面上的投影位置，对扇区进行判断；
矢量选择模块，用于根据判断出的扇区，按照预定规则选取4基本矢量；
矢量作用时间计算模块，用于求解所述参考电压矢量与选取的4基本矢量之间的预定数学关系，得到矢量作用时间；
脉冲序列分配模块，用于按照得到的矢量作用时间，分配并生成各组桥臂的开关脉冲序列，然后将生成的开关脉冲序列作为驱动电路的PWM指令信号，控制主功率管的开通与断开。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种改进三维空间矢量调制方法，其特征在于，用于调制三相四桥臂逆变器，包括如下步骤：
步骤1：根据参考电压矢量在α-β平面上的投影位置，对扇区进行判断；
步骤2：根据判断出的扇区，按照预定规则选取4个基本矢量；
步骤3：求解所述参考电压矢量与选取的4个基本矢量之间的预定数学关系，得到矢量作用时间；
步骤4：按照得到的矢量作用时间，分配并生成各组桥臂的开关脉冲序列；
步骤5：将生成的开关脉冲序列作为驱动电路的PWM指令信号，控制主功率管的开通与断开；
其中，所述参考电压矢量在α-β平面的α轴上的电压分量为Vα、在α-β平面的β轴上的电压分量为Vβ，则在步骤1中对所述扇区进行判断时包括如下步骤：
步骤1.1：引入辅助变量A、B、C和N，并定义如下：
Figure 335610DEST_PATH_IMAGE001
；
Figure 152256DEST_PATH_IMAGE002
；
Figure 889268DEST_PATH_IMAGE003
；
N=A+2*B+4*C；
步骤1.2：依据计算出的变量N，以及预设的变量N与各扇区之间的对应关系，得到对应的扇区，对各扇区进行编号，预设的变量N与各扇区S的编号之间的对应关系如下：
若变量N=3，则扇区 S=Ⅰ；
若变量N=1，则扇区S=Ⅱ；
若变量N=5，则扇区S=Ⅲ；
若变量N=4，则扇区S=Ⅳ；
若变量N=6，则扇区S=Ⅴ；
若变量N=2，则扇区S=Ⅵ；
其中，4个基本矢量的矢量作用时间分别为T1、T2、T3和T4，开关周期为Ts，所述参考电压矢量在γ轴上的电压分量为Vγ，则在步骤3中所述参考电压矢量与选取的4个基本矢量的矢量作用时间之间的预定数学关系如下：
当扇区S=Ⅰ时，满足：
Figure 474970DEST_PATH_IMAGE004
；
当扇区S=Ⅱ时，满足：
Figure 904814DEST_PATH_IMAGE005
；
当扇区S=Ⅲ时，满足：
Figure 146440DEST_PATH_IMAGE006
；
当扇区S=Ⅳ时，满足：
Figure 985345DEST_PATH_IMAGE007
；
当扇区S=Ⅴ时，满足：
Figure 628816DEST_PATH_IMAGE008
；
当扇区S=Ⅵ时，满足：
Figure 963982DEST_PATH_IMAGE009
。
2.根据权利要求1所述的改进三维空间矢量调制方法，其特征在于，在步骤1中，建立三维空间矢量坐标系αβγ，将所述参考电压矢量在所述三维空间矢量坐标系αβγ中进行分解，得到在α轴上的电压分量Vα和在β轴上的电压分量Vβ，将所述电压分量Vα和Vβ作为所述参考电压矢量在α-β平面上的投影位置。
3.根据权利要求1所述的改进三维空间矢量调制方法，其特征在于，4个基本矢量分别为V1、V2、V3和V4，分别对应于T1、T2、T3和T4，则
当扇区S=Ⅰ时，V1=nnnp、V2=pnnp、V3=ppnn和V4=pppn；
当扇区S=Ⅱ时，V1=nnnp、V2=npnp、V3=ppnn和V4= pppn；
当扇区S=Ⅲ时，V1=nnnp、V2=npnp、V3=nppn和V4=pppn；
当扇区S=Ⅳ时，V1=nnnp、V2=nnpp、V3=nppn和V4=pppn；
当扇区S=Ⅴ时，V1=nnnp、V2=nnpp、V3=pnpn和V4=pppn；
当扇区S=Ⅵ时，V1=nnnp、V2=pnnp、V3=pnpn和V4=pppn。
4.根据权利要求1所述的改进三维空间矢量调制方法，其特征在于，在步骤4中各组桥臂的开关脉冲序列采用中心对称的脉冲序列形式。
5.一种改进三维空间矢量调制系统，其特征在于，应用于权利要求1所述的改进三维空间矢量调制方法中，包括：
扇区判断模块，用于根据参考电压矢量在α-β平面上的投影位置，对扇区进行判断；
矢量选择模块，用于根据判断出的扇区，按照预定规则选取4个基本矢量；
矢量作用时间计算模块，用于求解所述参考电压矢量与选取的4个基本矢量之间的预定数学关系，得到矢量作用时间；
脉冲序列分配模块，用于按照得到的矢量作用时间，分配并生成各组桥臂的开关脉冲序列，然后将生成的开关脉冲序列作为驱动电路的PWM指令信号，控制主功率管的开通与断开。
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