CN112003520B - 光伏直驱空调永磁电机的同步空间矢量调制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光伏直驱空调永磁电机的同步空间矢量调制方法、系统、介质及设备，此方法包括步骤：永磁同步电机由异步调制启动，运行至第一预设频率时，切换到高分频的同步调制；经过一系列同步调制分频切换，降低分频数，最终以低分频的方式运行至最高频率；在降频时，经过一系列同步调制分频切换，升高分频数；运行至第二预设频率时，永磁同步电机由同步调制切换至异步调制，停机。本发明具有在低开关频率闭环控制时的稳定性高等优点。

Description

光伏直驱空调永磁电机的同步空间矢量调制方法及系统
技术领域
本发明主要涉及空调技术领域，特指一种光伏直驱空调永磁电机的同步空间矢量调制方法、系统、介质和设备。
背景技术
大型中央空调冷水机组，特别是永磁同步变频离心式水冷机组，其最大功率可上兆瓦，其中的机载换流器具有电流大，体积小的特点。由于功率器件开关损耗和机组散热条件原因，换流器的最高开关频率受到限制。另一方面，离心机最高运行频率会达到450Hz以上，开关频率与调制基波之间的载波比将变得很小，如果继续单纯采用异步调制策略进行控制，在电机高频率运行(频率越高，功率也相对越大)情况下，不仅会造成电机电流谐波变大，还会进一步影响机组的稳定运行。为了避免异步调制在低载波比情况下输出波形的严重不对称，电流谐波大等问题，在这种条件下通常会采用同步调制策略，不仅可以解决输出波形不对称(电流谐波也可以改善)，还能降低开关频率，提高机组效率。
同步调制主要有三类：1、中间60°同步调制，其特点是：算法简单、易于实现，在工业应用中有广泛应用；但该方法存在输出电压低次含量高、谐波性能差、电机转矩脉动大等缺点。2、特定谐波消除脉宽调制(SHEPWM)，能够实现对基波电压的准确控制，提高直流母线电压利用率，还能实现对特定次谐波的消除、减小谐波电流对电机影响，但实现上比较困难。3、同步空间矢量调制(同步SVPWM)，空间矢量调制的同步调制，继承了空间矢量调制方法的电压利用率高、转矩脉动等优点，但输出电压的基波幅值与电压指令存在偏差。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种采用同步调制来实现有效的低开关频率稳定控制的光伏直驱空调永磁电机的同步空间矢量调制方法、系统、介质和设备。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种光伏直驱空调永磁电机的同步空间矢量调制方法，包括：
永磁同步电机由异步调制启动，运行至第一预设频率时，切换到高分频的同步调制；
经过一系列同步调制分频切换，降低分频数，最终以低分频的方式运行至最高频率；
在降频时，经过一系列同步调制分频切换，升高分频数；
运行至第二预设频率时，永磁同步电机由同步调制切换至异步调制，停机。
作为上述技术方案的进一步改进：
降频时的分频切换点对应的频率小于升频时分频切换点对应的频率，以避免在切换点附近反复出现分频切换。
在同步调制中，采用固定载波的方式实现相对角度的开关切换。
开关切换的具体过程为：采用两个比较器CMPA和CMPB，每个载波周期可进行两次开关切换；在每个EPWM的周期中得到当前角度为θ，后续的角度为θ1和θ2；根据当前的开关角序列，检查在θ1和θ2中是否存在开关角，若存在开关角，则通过开关角计算CMPA或CAMB的比较器值实现开关切换。
在同步调制时，在获取到输入电压矢量后，根据所需的矢量组合设置零矢量分布系数计算占空比，然后在生成同步调制切换角的时候，再考虑矢量组合的极性。
对于任意两个基本矢量和零矢量的组合，按矢量开始极性和零矢量分布系数，一共有六种组合序列表达。
通过同步SVPWM的传统空间策略与同步SVPWM基本母线钳位策略之间的组合实现各种矢量的组合。
本发明还相应公开了一种光伏直驱空调永磁电机的同步空间矢量调制系统，包括：
同步切换模块，用于永磁同步电机由异步调制启动，运行至第一预设频率时，切换到高分频的同步调制；
第一分频切换模块，用于经过一系列同步调制分频切换，降低分频数，最终以低分频的方式运行至最高频率；
第二分频切换模块，用于在降频时，经过一系列同步调制分频切换，升高分频数；
异步切换模块，用于运行至第二预设频率时，永磁同步电机由同步调制切换至异步调制，停机。
本发明进一步公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的永磁电机的同步空间矢量调制方法的步骤。
本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的永磁电机的同步空间矢量调制方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明对光伏直驱空调同步空间矢量调制(同步SVPWM)方法进行了设计，分析给出并同步调制的矢量组合方式和实现方案；通过仿真和实验验证了同步调制实现及其切换的有效性，并且成功的应用在多联机压缩机的变频控制中，使其在最高180Hz运行频率已等效开关频率900Hz稳定运行，这也为后续再大功率的机组的验证成功提供了坚实的基础。
本发明采用同步调制来实现有效的低开关频率稳定控制，适用于低载波比的系统；本发明对光伏直驱空调同步空间矢量调制(同步SVPWM)方法进行设计，给出同步调制的实现方案，并通过仿真验证该同步调制实现方案的有效性；最后通过在永磁同步电机矢量控制系统中应用同步SVPWM调制，验证了该调制方法在低开关频率的闭环控制的稳定性。
附图说明
图1为本发明中电压型三相逆变器在实施例的电路原理图。
图2为本发明中电压矢量分布图。
图3为本发明中永磁同步电机矢量控制框图。
图4为本发明中同步调制开关角切换原理图。
图5为本发明中同步调制开环脉冲验证仿真模型图。
图6为本发明中N＝3时各策略的三相输出脉冲波形图；其中(a)为CSVS策略的三相输出脉冲波形图；(b)为BBCS策略的三相输出脉冲波形图。
图7为本发明中N3P7切换到N5P11的三相脉冲和电流波形图。
图8为本发明中同步SVPWM在压缩机中的调制切换策略示意图。
图9为本发明中同步调制启动升频和降频关机的波形图。
图10为本发明中7分频切换到5分频的实验波形图。
图11为本发明中5分频180Hz运行实验波形图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
先就同步SVPWM调制原理进行介绍：对于两电平三相逆变器，如图1所示，根据三相桥臂不同的开关状态组合，可以得到8种电压空间矢量，包括6个有效电压矢量和2个零电压矢量，其在复平面的分布如图2所示。
SVPWM是以伏秒平衡原则保证在每个采样周期内，通过电压矢量所在扇区的3个有效电压矢量和零电压矢量的线性组合生成所需的参考电压矢量。因此通过给到参考电压矢量就可以计算获取各相脉冲在开关周期内的占空比。
同步SVPWM调制的是建立在SVPWM占空比计算之上，相比异步调制SVPWM(异步调制只与载波相关，但载波与电压矢量角度没有相关性)，同步调制的脉冲作用与电压矢量角度严格相关。另外同步SVPWM是通过确定每个扇区的采样点个数实现一个电流周期固定输出的脉冲个数。下表1是基于传统空间矢量策略的同步SVPWM切换方式(简称CSVS)：
表1：同步SVPWM的传统空间策略(第I扇区)(CSVS)
Figure BDA0002550538580000031
Figure BDA0002550538580000041
举例说明：假设在扇区I的采样点数为3，此时通过输入，由SVPWM计算的30°时的A相占空比为0.7，那么在30°～50°区间中，A相要输出一个占空比0.7的波形，这个波形的周期就是电机从30°运行到50°的时期，因此输出脉冲的频率与电机的运行频率彼此相关，且相位关系也是固定的。
通过传统的空间矢量策略实现的同步SVPWM，其脉冲数P＝3N，其中N为每个扇区的采样点数量。通过其他切换策略，能够实现采样点不变的情况下减小脉冲数量，实现P＝2N+1，如下面的基本母线钳位策略(简称BBCS)。
表2：同步SVPWM基本母线钳位策略(第I+I I扇区)(BBCS)
Figure BDA0002550538580000042
在同样的采样点情况下，由于矢量组合方式的不同，BBCS每周期的输出脉冲相比CSVS要少一些。要实现BBCS策略，就要实现各种矢量的组合；对于任意两个基本矢量和零矢量的组合，按矢量开始极性和零矢量分布系数，一共有6种表达。所以要实现基本母线电压钳位的同步调制策略，就需要灵活合成下列矢量并把它们组合起来。
表3：扇区I矢量组合方式
Figure BDA0002550538580000051
在SVPWM模块获取到输入电压矢量后，要根据所需的矢量组合设置零矢量分布系数计算作用占空比，然后在生成同步调制切换角的时候再考虑矢量组合的极性。
结合同步调制，永磁同步电机矢量控制如图3所示：
与传统的异步调制的光伏直驱空调永磁电机矢量控制系统唯一不同的是在脉冲生成的处理不同。要实现一个全速范围稳定的矢量控制系统，对应的光伏直驱空调永磁电机的同步空间矢量调制方法，所采用的技术方案为：
永磁同步电机由异步调制启动，运行至第一预设频率时，切换到高分频的同步调制；
随着运行频率的提高，经过一系列同步调制分频切换，降低分频数以减小开关频率，最终以低分频的方式运行至最高频率；
在降频时，经过一系列同步调制分频切换，升高分频数；
运行至第二预设频率时，永磁同步电机由步调制切换至异步调制，停机。
本实施例中，采用固定载波(10kHz锯齿波)的方式实现相对角度的开关切换，如图4所示；具体地，对于EPWM模块，采用两个比较器CMPA和CMPB，每个载波周期可进行两次开关切换。在每个EPWM的周期中断通过角度计算模块得到当前角度为θ，后续的角度为θ1和θ2(实际上是令角度延迟2个载波周期)；根据当前的开关角序列，检查在θ1和θ2中是否存在开关角，若存在开关角(最多两个)，则通过开关角计算CMPA或CAMB的比较器值实现开关切换。此方法的特点是：从异步切换到同步操作方便，采样频率与角度计算统一。
本发明还相应公开了一种光伏直驱空调永磁电机的同步空间矢量调制系统，包括：
同步切换模块，用于永磁同步电机由异步调制启动，运行至第一预设频率时，切换到高分频的同步调制；
第一分频切换模块，用于经过一系列同步调制分频切换，降低分频数，最终以低分频的方式运行至最高频率；
第二分频切换模块，用于在降频时，经过一系列同步调制分频切换，升高分频数；
异步切换模块，用于运行至第二预设频率时，永磁同步电机由步调制切换至异步调制，停机。
本发明的光伏直驱空调永磁电机的同步空间矢量调制系统，用于执行如上所述的方法，同样具有如上方法所述的优点。
本发明进一步公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的光伏直驱空调永磁电机的同步空间矢量调制方法的步骤。
本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的光伏直驱空调永磁电机的同步空间矢量调制方法的步骤。
本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。存储器可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现各种功能。存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart MediaCard,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其它易失性固态存储器件等。
下面借助如图5所示的MATLAB/Simulink仿真模型去验证同步调制脉冲输出：
其中不对称半桥的直流电压源输入为600V，在PWM脉冲生成模块生成PWM触发下，逆变出电压作用在一个三相星形接法的阻感负载，可通过观察负载上的电压和电流波形以验证输出脉冲是否正确。脉冲生成模块则模拟程序中EPWM的配置，其中脉冲生成模块既可支持异步调制又可实现同步调制，而且它还会为占空比计算模块提供一个采样时钟。
以N＝3的CSVS和BBCS举例，验证其输出脉冲的矢量组合是否符合下表所示：
表4：N＝3CSVS和BBCS采样和矢量组合策略
Figure BDA0002550538580000061
按照上述矢量组合策略生成的CSVS和BBCS的脉冲波形如图6所示：其中，上、中、下分别代表A、B、C三相的PWM脉冲，可以看出输出脉冲的矢量组合方式与设计是相符合的。
通过仿真模型，可验证从7分频(3个采样点)到11分频(5个采样点)的切换过程和三相电流波形响应(运行频率50Hz)，如图7所示，仿真结果表明同步调制脉冲输出正常，二期分频切换时无电流冲击。
下面进一步通过实验进行验证，其中实验验证所选择的永磁同步电机为多联机压缩机，其参数如下：
表5：实验永磁同步电机参数
Item Unit Value
极对数(Pole Pairs,PP) 2
定子电阻(Stator Resistance,Rs) Ohm 0.35
d轴电感(d-axis Inductance,Ld) H 5.20E-03
q轴电感(q-axis Inductance,Lq) H 1.19E-02
反电势常数(Back-EMF Constant,Ke) V-s/rad 0.278
转矩常数(Torque Constant,Kt) Nt-m/A 0.834
转动惯量(Inertia,Jm) kgm^2 0.00406
根据电机的运行特性，所设计的调制切换策略如图8所示：
如图8所示，电机由异步调制启动，运行至55Hz时，切换到同步33分频，之后经过一系列同步分频切换，最终以同步5分频的方式运行至压缩机的最高频率180Hz。注意，当降频的时候，切换点比图8所示的要小5Hz，以避免在切换点附近反复出现分频切换。
根据上述切换策略，实验验证方案是：让机组从开机启动，然后一直运行到180Hz，稳定运行一段时间后，再降频运行到45Hz关机。在此过程中压缩机依次经历定位、电流闭环运行、切入转速闭环、异步切入同步、升频的同步分频切换、180Hz运行、降频的同步分频切换、同步切入异步环节。其运行波形如图9所示：
从图9可以看出，在整个运行过程，异步和同步调制的切换和同步分频间的切换过程中都未出现冲击电流，7分频到5分频切换后电流有些波动，但随着运行频率的增加而略微稳定一些，如图10所示。从图11所示的5分频180Hz的运行波形可以看出，每个周期的电流波形基本一致，每个周期都是5个脉冲输出，符合5分频的设计要求；当运行频率到180Hz时，其等效开关频率只有900Hz。通过上述实验，基本上说明了同步SVPWM调制的闭环控制性能是满足永磁同步电机矢量控制要求的，而且可在较低的开关频率稳定运行。
本发明对光伏直驱空调同步空间矢量调制(同步SVPWM)方法进行了设计，分析给出并同步调制的矢量组合方式和实现方案；通过仿真和实验验证了同步调制实现及其切换的有效性，并且成功的应用在多联机压缩机的变频控制中，使其在最高180Hz运行频率已等效开关频率900Hz稳定运行，这也为后续再大功率的机组的验证成功提供了坚实的基础。
本发明采用同步调制来实现有效的低开关频率稳定控制，适用于低载波比的系统；本发明对光伏直驱空调同步空间矢量调制(同步SVPWM)方法进行设计，给出同步调制的实现方案，并通过仿真验证该同步调制实现方案的有效性；最后通过在永磁同步电机矢量控制系统中应用同步SVPWM调制，验证了该调制方法在低开关频率的闭环控制的稳定性。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种光伏直驱空调永磁电机的同步空间矢量调制方法，适用于低载波比的系统，其特征在于，包括：
永磁同步电机由异步调制启动，运行至第一预设频率时，切换到高分频的同步调制；
经过一系列同步调制分频切换，降低分频数，最终以低分频的方式运行至最高频率；
在降频时，经过一系列同步调制分频切换，升高分频数；
运行至第二预设频率时，永磁同步电机由同步调制切换至异步调制，停机；
还包括基于MATLAB/Simulink仿真模型验证同步调制脉冲输出的方法，包括：
其中不对称半桥的直流电压源输入为600V，在PWM脉冲生成模块生成PWM触发下，逆变出电压作用在一个三相星形接法的阻感负载，可通过观察负载上的电压和电流波形以验证输出脉冲是否正确；脉冲生成模块则模拟程序中EPWM的配置，其中脉冲生成模块既可支持异步调制又可实现同步调制，而且它还会为占空比计算模块提供一个采样时钟；
还包括实验验证方法，具体为：实验验证所选择的永磁同步电机为多联机压缩机，根据电机的运行特性，所设计的调制切换策略为：电机由异步调制启动，运行至55Hz时，切换到同步33分频，之后经过一系列同步分频切换，最终以同步5分频的方式运行至压缩机的最高频率180Hz；
根据上述切换策略，实验验证方案是：让机组从开机启动，然后一直运行到180Hz，稳定运行一段时间后，再降频运行到45Hz关机；在此过程中压缩机依次经历定位、电流闭环运行、切入转速闭环、异步切入同步、升频的同步分频切换、180Hz运行、降频的同步分频切换、同步切入异步环节；
降频时的分频切换点对应的频率小于升频时分频切换点对应的频率，以避免在切换点附近反复出现分频切换；
在同步调制中，采用固定载波的方式实现相对角度的开关切换；
开关切换的具体过程为：采用两个比较器CMPA和CMPB，每个载波周期可进行两次开关切换；在每个EPWM的周期中得到当前角度为θ，后续的角度为θ1和θ2；根据当前的开关角序列，检查在θ1和θ2中是否存在开关角，若存在开关角，则通过开关角计算CMPA或CAMB的比较器值实现开关切换；
在同步调制时，在获取到输入电压矢量后，根据所需的矢量组合设置零矢量分布系数计算占空比，然后在生成同步调制切换角的时候，再考虑矢量组合的极性；对于任意两个基本矢量和零矢量的组合，按矢量开始极性和零矢量分布系数，一共有六种组合序列表达；
通过同步SVPWM的传统空间策略与同步SVPWM基本母线钳位策略之间的组合实现各种矢量的组合；
同步SVPWM调制原理：对于两电平三相逆变器，根据三相桥臂不同的开关状态组合，得到8种电压空间矢量，包括6个有效电压矢量和2个零电压矢量；
SVPWM是以伏秒平衡原则保证在每个采样周期内，通过电压矢量所在扇区的3个有效电压矢量和零电压矢量的线性组合生成所需的参考电压矢量；因此通过给到参考电压矢量就能计算获取各相脉冲在开关周期内的占空比；
同步SVPWM调制的是建立在SVPWM占空比计算之上，相比异步调制SVPWM，同步调制的脉冲作用与电压矢量角度严格相关；另外同步SVPWM是通过确定每个扇区的采样点个数实现一个电流周期固定输出的脉冲个数；通过传统的空间矢量策略实现的同步SVPWM，其脉冲数P＝3N，其中N为每个扇区的采样点数量； 其中基本母线钳位策略能够实现采样点不变的情况下减小脉冲数量，实现P＝2N+1。
2.一种光伏直驱空调永磁电机的同步空间矢量调制系统，用于执行如权利要求1所述的光伏直驱空调永磁电机的同步空间矢量调制方法，其特征在于，包括：
同步切换模块，用于永磁电机由异步调制启动，运行至第一预设频率时，切换到高分频的同步调制；
第一分频切换模块，用于经过一系列同步调制分频切换，降低分频数，最终以低分频的方式运行至最高频率；
第二分频切换模块，用于在降频时，经过一系列同步调制分频切换，升高分频数；
异步切换模块，用于运行至第二预设频率时，永磁同步电机由同步调制切换至异步调制，停机。
3.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如权利要求1所述的光伏直驱空调永磁电机的同步空间矢量调制方法的步骤。
4.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如权利要求1所述的光伏直驱空调永磁电机的同步空间矢量调制方法的步骤。
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