CN111446879B - 一种基于虚拟电压矢量的五相逆变器共模电压抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟电压矢量的五相逆变器共模电压抑制方法，包括：选择α‑β子空间三个相邻大矢量按固定占空比合成有效虚拟电压矢量，选择方向相反的两个大矢量按0.5的占空比合成虚拟零矢量，消除x‑y子空间的谐波电压；简化虚拟电压矢量控制集，有效减小了预测模型和评价函数的计算次数；在预测模型的基础上加入对控制器固有一拍延时的补偿；简化评价函数，省去权重系数，避免了参数的整定。本发明有效抑制低次谐波电流的同时，共模电压降低了80％；本发明简化了控制集，降低了计算复杂度，易于数字化实现。

Description

一种基于虚拟电压矢量的五相逆变器共模电压抑制方法
技术领域
本发明属于电力电子与电力传动领域中五相电机交流控制系统设计与制造领域，具体涉及一种基于虚拟电压矢量的五相逆变器共模电压抑制方法。
背景技术
模型预测控制具有控制简单灵活、开关频率低和多目标优化等优点，近年受到越来越多的关注，其中有限集模型预测电流控制(finite control set model predictivecurrent control，FCS-MPCC)是电力电子领域常用的方法之一，直接对电流进行控制，其概念直观且实现简单。传统的模型预测控制方法会产生较大的共模电压(common-modevoltage，CMV)，在共模电压作用下，电机轴上会逐渐积累电荷，当达到一定程度会击穿绝缘的润滑剂，产生轴电流和漏电流，形成共模电磁干扰，影响到系统其它用电设备正常工作；此外共模电压过大会使电机轴电压和轴电流过大，引起电机发热，降低电机寿命。因此降低共模电压的控制方法得到了日益广泛的关注和研究。
五相逆变器在大功率、高可靠性的应用领域，如铁路机车牵引传动、电动汽车、船舶电力推进等，与三相电压源型逆变器相比有着转矩脉动低、低压大功率、控制自由度多等突出的优点。经典的五相逆变器FCS-MPCC方法将多个有效电压矢量和1个零矢量作为有限控制集，但该方法存在着谐波含量高和计算量大的问题。因此改进算法大多关注于谐波的抑制和计算负担的减轻，对共模电压抑制的研究较少。现有的五相逆变器共模电压抑制方法在评价函数中加入共模电压评价项，抑制产生大共模电压的矢量选择频率，但这牺牲了部分稳态性能，且评价函数权重系数的整定缺乏理论支撑，参数整定困难。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种基于虚拟电压矢量的五相逆变器共模电压抑制方法。
一种基于虚拟电压矢量的五相逆变器共模电压抑制方法，包括以下步骤：
步骤1：选择α-β子空间中相邻的3个大矢量，依次按照0.382、0.236、0.382的固定占空比合成为虚拟电压矢量，共得到10个有效虚拟电压矢量Vvk，k＝1,2,3…10。选择方向相反的2个大矢量，按照相同的占空比(0.5)合成虚拟零矢量。虚拟电压矢量在x-y子空间的投影幅值都为0，得α-β子空间中有效虚拟电压矢量幅值：
|Vv|αβ＝0.5527Vdc
其中，|Vv|αβ为α-β子空间中有效虚拟电压矢量幅值，Vdc为直流母线电压。
步骤2：对虚拟电压矢量控制集进行简化：若上一控制周期的最优虚拟矢量为Vold，则当前控制周期选择与Vold相邻的4个虚拟电压矢量、虚拟零矢量和Vold构造虚拟电压矢量控制集，有效减小了预测模型和评价函数的计算次数。
步骤3：通过预测模型估计电流，并对控制器固有的一拍延时进行补偿，将6组电流估计值代入评价函数得到最优矢量选择；评价函数G只包含α-β子空间电流项，不含权重系数：
Figure BDA0002491378880000021
其中，iα *和iβ *为k时刻α和β轴给定参考电流，iα k+2和iβ k+2为k+2时刻α和β轴电流估计值。
本发明与现有技术相比的有益技术效果为：
本发明采用产生共模电压最小的电压矢量合成虚拟电压矢量，共模电压降低了80％；合成后的虚拟电压矢量在x-y子空间的投影幅值为0，不会产生谐波电压，从而抑制了低次谐波电流；评价函数中仅包含α-β子空间电流评价项，不含权重因子，从而避免了复杂的参数整定；简化了控制集，降低了计算复杂度，易于数字化实现。
附图说明
图1为五相两电平电压源型逆变器拓扑结构图。
图2为五相逆变器在α-β子空间的电压矢量分布图。
图3为五相逆变器在x-y子空间的电压矢量分布图。
图4为α-β子空间虚拟电压矢量合成情况。
图5为x-y子空间虚拟电压矢量合成情况
图6为一个控制周期内逆变器输出的开关序列及其对应的CMV值(以Vv1为例)。
图7为矢量控制集简化前的电压矢量选择示意图。
图8为矢量控制集简化后的电压矢量选择示意图。
图9为现有的虚拟电压矢量方法的相电流和CMV实验波形。
图10为现有的五相逆变器共模电压抑制方法的相电流和CMV实验波形。
图11为本发明的方法的相电流和CMV实验波形。
图12为本发明方法与两种传统方法执行时间的对比。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本申请的一个实施例，参考图1，本方案对象为五相两电平电压源型逆变器。五相逆变器共有32个基本电压矢量，包括30个有效电压矢量和2个零矢量。定义开关函数为Si(i＝a,b,c,d,e)，当上桥臂导通时，Si＝1；下桥臂导通时，Si＝0，且上桥臂与下桥臂不能同时导通。根据扩展的派克旋转变换矩阵能将自然坐标系下的对称物理量分别映射到α-β和x-y两个正交子空间中。α-β子空间中的大、中、小电压矢量幅值分别为0.6472Udc、0.4Udc、0.2472Udc。图2、图3示出五相逆变器在α-β和x-y子空间的电压矢量分布图，
五相逆变器共模电压uCM的表达式为：
Figure BDA0002491378880000031
不同电压矢量产生的共模电压值如表1所示，显然小矢量和大矢量产生的CMV最小。
表1不同电压矢量CMV
Figure BDA0002491378880000032
图4、图5为α-β和x-y子空间虚拟电压矢量合成情况。3个大矢量分别在两个子空间中合成新的电压矢量，为了消除三次谐波，令x-y子空间合成的矢量幅值为0，以Vv1为例，给出3个大矢量组合占空比计算式：
Figure BDA0002491378880000033
其中，λ1、λ2、λ3为三个大矢量的占空比。可得α-β子空间中有效虚拟电压矢量幅值：
|Vv|αβ＝0.5527Vdc
由表1可知零矢量产生的CMV最大，为了减小CMV，选择两个方向相反的大矢量等占空比合成虚拟零矢量替换传统零矢量。同时为了减小开关频率，根据上一时刻的最优矢量，得到10组虚拟零矢量合成方式，如表2所示，其中Vold为上一时刻最优电压矢量。
表2虚拟零矢量合成
Figure BDA0002491378880000041
图6为一个控制周期内的开关序列及其对应的CMV值(以Vv1为例)。
图7为一个控制周期内的矢量选择情况，共需计算11次电流估计值和评价值。为了减轻计算负担，采用图8所示的矢量选择策略，每个控制周期仅需计算6次电流估计值和评价值，且对控制性能基本无影响。
预测模型需要考虑控制器固有的一拍延时，延时补偿后的电流预测模型为：
Figure BDA0002491378880000042
其中，iαβ k为k时刻α-β子空间的采样电流；iαβ k+2为k+2时刻α-β子空间的估计电流；uαβ k为k时刻最优电压矢量在α、β轴的投影值；uαβ k+1为控制集中的电压矢量在α、β轴的投影值；R为负载侧电阻；L为负载侧电感；Ts为控制周期。
虚拟电压矢量在x-y子空间的投影幅值为0，因此评价函数只需包含α-β子空间电流评价项，如下：
Figure BDA0002491378880000043
现有的虚拟电压矢量方法都是通过同方向的大矢量和中矢量合成虚拟电压矢量，虽然减小了电流谐波含量，但该方法使用了零矢量和中矢量，因此CMV很大；现有的五相逆变器共模电压抑制方法在评价函数中加入共模电压评价项，减少零矢量和中矢量的选用频率，从而抑制CMV，但该方法牺牲了部分稳态性能。图9为现有虚拟电压矢量方法的相电流和CMV波形，图10为现有五相逆变器共模电压抑制方法的相电流和CMV波形，图11为本发明提出方法的相电流和CMV波形。显然本发明提出的方法在保持良好稳态性能的同时，将共模电压降低到了±0.1Vdc(±10V)。
图12给出了本发明方法与两种传统方法执行时间的对比。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本发明的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于虚拟电压矢量的五相逆变器共模电压抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：选择α-β子空间中相邻的3个大矢量，依次按照0.382、0.236、0.382的固定占空比合成为虚拟电压矢量，共得到10个有效虚拟电压矢量Vvk，k＝1,2,3…10；选择方向相反的2个大矢量，按照相同的占空比合成虚拟零矢量；虚拟电压矢量在x-y子空间的投影幅值都为0，得α-β子空间中有效虚拟电压矢量幅值：
|Vv|αβ＝0.5527Vdc
其中，|Vv|αβ为α-β子空间中有效虚拟电压矢量幅值，Vdc为直流母线电压；
步骤2：对虚拟电压矢量控制集进行简化：若上一控制周期的最优虚拟矢量为Vold，则当前控制周期选择与Vold相邻的4个有效虚拟电压矢量、虚拟零矢量和Vold构造虚拟电压矢量控制集；
步骤3：通过预测模型估计电流，并对控制器固有的一拍延时进行补偿，将6组电流估计值代入评价函数得到最优矢量选择；评价函数G只包含α-β子空间电流项，不含权重系数：
Figure FDA0004082595420000011
其中，iα *和iβ *为k时刻α和β轴给定参考电流，iα k+2和iβ k+2为k+2时刻α和β轴电流估计值。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟电压矢量的五相逆变器共模电压抑制方法，其特征在于，所述步骤1中相同的占空比为0.5。
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