CN113364327B - 一种输出谐波最小化3d-azspwm调制策略过调制方法及系统 - Google Patents

一种输出谐波最小化3d-azspwm调制策略过调制方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种输出谐波最小化3D‑AZSPWM调制策略过调制方法及系统，属于逆变器调制技术领域，解决如何计算出3D‑AZSPWM调制策略最大线性调制度，在不改变3D‑AZSPWM调制策略同时调制差模分量和共模分量的特性的同时，通过过调制技术提升3D‑AZSPWM调制策略的调制范围的问题，通过计算得出3D‑AZSPWM调制策略最大线性调制度，给出一种空间调制参考矢量所在的空间调制体判断，过调制时联立相应的压缩平面约束方程和输出谐波最小化压缩方案约束方程，在不改变3D‑AZSPWM调制策略同时调制差模分量和共模分量的特性的前提下，通过过调制技术提升3D‑AZSPWM调制策略的调制范围，保持过调制时平面相角跟踪，最小化过调制时的输出谐波，过调制过程平滑，有效增强了3D‑AZSPWM调制策略的适用性。

Description

一种输出谐波最小化3D-AZSPWM调制策略过调制方法及系统
技术领域
本发明属于逆变器调制技术领域，涉及一种输出谐波最小化3D-AZSPWM调制策略过调制方法及系统。
背景技术
3D-AZSPWM调制(三维有源零状态脉宽调制)策略使用六个非零基础矢量合成参考电压矢量，能够同时对参考电压矢量的差模分量和共模分量进行调制，而且能够有效降低逆变器输出的共模电压峰峰值，因此被广泛应用于需要调制共模电压的零序环流控制中，如共直流母线及共中线双逆变器开绕组拓扑结构、三相四桥臂逆变器等。相比传统的仅关注差模分量调制的SVPWM调制策略，3D-AZSPWM调制策略因同时调制共模分量而导致其差模分量调制输出范围受限，因此亟需相关的线性调制范围计算及相应的过调制方案来拓展其调制范围，提升3D-AZSPWM调制策略的适用性。
现有技术中，公开日期为2018年6月20日的文献《共直流母线开绕组异步电机零序环流抑制策略研究》(杨淑英等，中国电机工程学报，2018年第38卷第12期3688-3698页)，公开了使用3D-AZSPWM调制策略实现共直流母线双逆变器开绕组系统零序环流闭环控制，但该文献并没有具体给出3D-AZSPWM调制策略最大线性调制度及相关的过调制策略。公开日期为2020年6月5日的文献《基于共中线拓扑的开绕组异步电机控制策略研究》(杨淑英等，中国电机工程学报，2020年第40卷第11期3681-3691页)公开了使用3D-AZSPWM调制策略实现共中线双逆变器开绕组系统零序环流闭环控制，但其没有给出3D-AZSPWM调制策略线性调制度范围及相关的过调制策略。
综上所述，现有技术存在以下问题：1)对于3D-AZSPWM调制策略，现有技术仅给出了基础合成原理及实现过程，没有给出3D-AZSPWM调制策略的线性调制范围，即最大线性调制度；2)没有给出3D-AZSPWM调制策略过调制时的约束方案，因而无法采用过调制约束方案有效拓展3D-AZSPWM调制策略的适用范围。
发明内容
本发明的目的在于如何计算出3D-AZSPWM调制策略最大线性调制度，在不改变3D-AZSPWM调制策略同时调制差模分量和共模分量的特性的前提下，通过过调制技术，保持过调制时平面相角跟踪，最小化过调制时的输出谐波，提升3D-AZSPWM调制策略的调制范围。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种输出谐波最小化3D-AZSPWM调制策略过调制方法，包括以下步骤：
步骤S1，计算参考电压矢量Vref的α-β平面分量的幅值m1、相位
Figure GDA0003628218250000021
和调制度M1，计算参考电压矢量Vref的γ轴分量Vγ的幅值m3及相位
Figure GDA0003628218250000022
计算参考电压矢量Vref的特征相位差
Figure GDA0003628218250000023
步骤S2，根据步骤S1中的幅值m3及特征相位差
Figure GDA0003628218250000024
计算3D-AZSPWM调制策略最大线性调制度Mmax1及最大压缩调制度Mmax2；
步骤S3，根据调制度M1、最大线性调制度Mmax1及最大压缩调制度Mmax2，进行过调制判断：
当计算M1<Mmax1时，为线性调制区域，采用线性调制区域发波控制，方法为：根据Vα、Vβ和Vγ，使用3D-AZSPWM调制策略计算基础电压矢量作用时间t1、t2、t3和t4进行发波控制；
当计算Mmax1≤M1≤Mmax2时，为过调制区域，采用过调制区域发波控制，方法为：
当t1≥0且t4≥0时，为过调制区域的圆弧区，根据Vα、Vβ和Vγ，使用3D-AZSPWM调制策略计算基础电压矢量作用时间t1、t2、t3和t4进行发波控制；
当t1<0或t4<0时，为过调制区域的边界区，对参考电压矢量Vref的α-β平面分量进行修改：
首先根据Vα、Vβ和Vγ对参考电压矢量Vref所在的调制体进行调制体序号判断，由判断的调制体序号选择对应的压缩平面约束方程；
然后与输出谐波最小化压缩方案约束方程联立计算得出修改后参考电压矢量α轴分量
Figure GDA0003628218250000025
参考电压矢量β轴分量
Figure GDA0003628218250000026
所述的输出谐波最小化压缩方案约束方程如下：
Figure GDA0003628218250000027
最后根据修改后参考电压矢量α轴分量
Figure GDA0003628218250000031
修改后参考电压矢量β轴分量
Figure GDA0003628218250000032
和Vγ，使用3D-AZSPWM调制策略计算修改后基础电压矢量作用时间
Figure GDA0003628218250000033
和
Figure GDA0003628218250000034
进行发波控制。
本发明的技术方案通过计算得出3D-AZSPWM调制策略最大线性调制度，给出一种空间调制参考矢量所在的空间调制体判断，过调制时联立相应的压缩平面约束方程和输出谐波最小化压缩方案约束方程，在不改变3D-AZSPWM调制策略同时调制差模分量和共模分量的特性的前提下，通过过调制技术提升3D-AZSPWM调制策略的调制范围，保持过调制时平面相角跟踪，最小化过调制时的输出谐波，过调制过程平滑，有效增强了3D-AZSPWM调制策略的适用性。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S1中计算参考电压矢量Vref的α-β平面分量的幅值m1、相位
Figure GDA0003628218250000035
和调制度M1的公式为：
Figure GDA0003628218250000036
其中，Vα、Vβ分别为参考电压矢量Vref对三维空间坐标系中坐标轴α、β轴的投影分量以直流电压Udc进行标幺化后的值。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S1中计算参考电压矢量Vref的γ轴分量Vγ的幅值m3及相位
Figure GDA0003628218250000037
的公式为：
Figure GDA0003628218250000038
其中，Vγ，1为第一正交分量、Vγ，2为第二正交分量；第一正交分量、第二正交分量是对Vγ进行正交分解，得出两个相差90度的分量。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S1中计算参考电压矢量Vref的特征相位差
Figure GDA0003628218250000041
计算式如下：
Figure GDA0003628218250000042
其中，
Figure GDA0003628218250000043
为参考电压矢量Vref的γ轴分量Vγ的相位，
Figure GDA0003628218250000044
为参考电压矢量Vref的α-β平面分量的相位。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S2中计算3D-AZSPWM调制策略最大线性调制度Mmax1及最大压缩调制度Mmax2具体为：
定义函数式W1，
Figure GDA0003628218250000045
定义函数式W2，
Figure GDA0003628218250000046
其中，θ1的取值范围为
Figure GDA0003628218250000047
在θ1的取值范围内计算函数式W1最小值为W1min，计算函数式W2最小值为W2min，当W1min≤W2min时，Mmax1＝W1min，当W1min>W2min时，Mmax1＝W2min，计算函数式曲线W1和函数式W2曲线交点的函数值即为Mmax2。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的调制体序号判断的具体方式为：
定义调制体序号判断的中间变量为第一变量A、第二变量B、第三变量C、第四变量N，定义函数式F1，
Figure GDA0003628218250000048
定义函数式F2，F2＝2Vγ-Vα，定义函数式F3，
Figure GDA0003628218250000049
则：
当F1≥0时，A＝1；当F1<0时，A＝0；当F2≥0时，B＝1；当F2<0时，B＝0；当F3≥0时，C＝1；当F3<0时，C＝0；N＝A+2B+4C；
第四变量N的每一个值对应一个调制体序号，具体如下：N＝5对应调制体1；N＝1对应调制体2；N＝3对应调制体3；N＝2对应调制体4；N＝6对应调制体5；N＝4对应调制体6。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的由判断的调制体序号选择对应的压缩平面约束方程的具体方式为：
调制体1的压缩平面约束方程为：
Figure GDA0003628218250000051
调制体2的压缩平面约束方程为：
Figure GDA0003628218250000052
调制体3的压缩平面约束方程为：
Figure GDA0003628218250000053
调制体4的压缩平面约束方程为：
Figure GDA0003628218250000054
调制体5的压缩平面约束方程为：
Figure GDA0003628218250000055
调制体6的压缩平面约束方程为：
Figure GDA0003628218250000056
一种应用于所述的输出谐波最小化3D-AZSPWM调制策略过调制方法的系统，包括：第一直流源Udc1、第二直流源Udc2、第一三相两电平逆变器VSI1、第二三相两电平逆变器VSI2、三相定子绕组OEWIM、中线I、电容C1、电容C2、电容C3和电容C4；
所述电容C1和电容C2串联后连接在第一直流源Udc1的直流正母线P与直流负母线N之间，电容C1、电容C2的公共节点记为点O；所述电容C3和电容C4串联后连接在第二直流源Udc2的直流正母线P'与直流负母线N'之间，电容C3、电容C4的公共节点记为点O'，所述中线I连接点O与点O'，第一直流源Udc1和第二直流源Udc2直流电压均为Udc；
所述第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂中，每相桥臂包括2个带反并联二极管的开关管，即第一三相两电平逆变器VSI1共包括6个带反并联二极管的开关管，6个开关管分别记为Sn1j，其中n表示相序，n＝a,b,c，j表示开关管的序号，j＝1,2；第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂相互并联在直流正母线P与直流负母线N之间，即开关管Sa11、Sb11、Sc11的集电极并联后连接直流正母线P，开关管Sa12、Sb12、Sc12的发射极并联后连接直流负母线N；在第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂中，开关管Sa11和开关管Sa12串联，开关管Sb11和开关管Sb12串联，开关管Sc11和开关管Sc12串联，其连接点分别记为第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂中点a1、b1、c1；
所述第二三相两电平逆变器VSI2的三相桥臂中，每相桥臂包括2个带反并联二极管的开关管，即第二三相两电平逆变器VSI2共包括6个带反并联二极管的开关管，6个开关管分别记为Sn2j；第二三相两电平逆变器VSI2的三相桥臂相互并联在直流正母线P'与直流负母线N'之间，即开关管Sa21、Sb21、Sc21的集电极并联后连接直流正母线P'，开关管Sa22、Sb22、Sc22的发射极并联后连接直流负母线N'；在第二三相两电平逆变器VSI2的三相桥臂中，开关管Sa21和开关管Sa22串联，开关管Sb21和开关管Sb22串联，开关管Sc21和开关管Sc22串联，其连接点分别记为第二三相两电平逆变器VSI2的三相桥臂中点a2、b2、c2；
所述三相定子绕组OEWIM中包括三相绕组，A相绕组、B相绕组和C相绕组的左端口分别接第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂中点a1、b1、c1，A相绕组、B相绕组和C相绕组的右端口分别接第二三相两电平逆变器VSI2的三相桥臂中点a2、b2、c2。
本发明的优点在于：
本发明的技术方案通过计算得出3D-AZSPWM调制策略最大线性调制度，给出一种空间调制参考矢量所在的空间调制体判断，过调制时联立相应的压缩平面约束方程和输出谐波最小化压缩方案约束方程，在不改变3D-AZSPWM调制策略同时调制差模分量和共模分量的特性的同时，通过过调制技术提升3D-AZSPWM调制策略的调制范围，保持过调制时平面相角跟踪，最小化过调制时的输出谐波，过调制过程平滑，有效增强了3D-AZSPWM调制策略的适用性。
附图说明
图1为本发明中涉及的共中线开绕组拓扑结构；
图2为本发明实施例中任意一个调制体内的过调制运行流程图；
图3为本发明实施例中3D-AZSPWM调制策略总调制体说明图；
图4为本发明实施例中3D-AZSPWM调制策略调制体分开说明图；
图5为实验中各参数准确情况下，通过步骤1计算得出的参考电压矢量γ轴分量Vγ的幅值m3的变化情况示意图；
图6为实验中各参数准确情况下，通过步骤1计算得出的参考电压矢量Vref的特征相位差
Figure GDA0003628218250000071
的变化情况示意图；
图7为实验中各参数准确情况下，通过步骤2绘制的函数式曲线W1和函数式W2曲线，并计算得出的3D-AZSPWM调制策略最大线性调制度Mmax1及最大压缩调制度Mmax2示意图；
图8为实验中各参数准确情况下，从调制度M＝0.72到调制度M＝0.8时使用3D-AZSPWM策略调制时共中线开绕组电驱动系统总输出的基波电压幅值变化情况示意图；
图9为实验中各参数准确情况下，从调制度M＝0.72到调制度M＝0.8时使用3D-AZSPWM策略调制时共中线开绕组电驱动系统输出的共模电压幅值情况；
图10为实验中各参数准确情况下，从调制度M＝0.72到调制度M＝0.8时使用3D-AZSPWM策略调制时共中线开绕组电驱动系统输出的基波电压THD变化情况示意图；
图11为实验中测得调制体判断中第四变量N的值变化趋势图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
实施例一
图1为本发明中涉及的三相两电平电压型逆变器拓扑结构，由该图可见，本策略涉及的共中线开绕组电驱动系统拓扑结构包括第一直流源Udc1、第二直流源Udc2、第一三相两电平逆变器VSI1、第二三相两电平逆变器VSI2、三相定子绕组OEWIM、中线I、电容C1、电容C2、电容C3和电容C4；
所述电容C1和电容C2串联后连接在第一直流源Udc1的直流正母线P与直流负母线N之间，电容C1、电容C2的公共节点记为点O；所述电容C3和电容C4串联后连接在第二直流源Udc2的直流正母线P'与直流负母线N'之间，电容C3、电容C4的公共节点记为点O'，所述中线I连接点O与点O'，第一直流源Udc1和第二直流源Udc2直流电压均为Udc；
所述第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂中，每相桥臂包括2个带反并联二极管的开关管，即第一三相两电平逆变器VSI1共包括6个带反并联二极管的开关管，6个开关管分别记为Sn1j，其中n表示相序，n＝a,b,c，j表示开关管的序号，j＝1,2；第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂相互并联在直流正母线P与直流负母线N之间，即开关管Sa11、Sb11、Sc11的集电极并联后连接直流正母线P，开关管Sa12、Sb12、Sc12的发射极并联后连接直流负母线N；在第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂中，开关管Sa11和开关管Sa12串联，开关管Sb11和开关管Sb12串联，开关管Sc11和开关管Sc12串联，其连接点分别记为第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂中点a1、b1、c1；
所述第二三相两电平逆变器VSI2的三相桥臂中，每相桥臂包括2个带反并联二极管的开关管，即第二三相两电平逆变器VSI2共包括6个带反并联二极管的开关管，6个开关管分别记为Sn2j；第二三相两电平逆变器VSI2的三相桥臂相互并联在直流正母线P'与直流负母线N'之间，即开关管Sa21、Sb21、Sc21的集电极并联后连接直流正母线P'，开关管Sa22、Sb22、Sc22的发射极并联后连接直流负母线N'；在第二三相两电平逆变器VSI2的三相桥臂中，开关管Sa21和开关管Sa22串联,开关管Sb21和开关管Sb22串联，开关管Sc21和开关管Sc22串联，其连接点分别记为第二三相两电平逆变器VSI2的三相桥臂中点a2、b2、c2；
所述三相定子绕组OEWIM中包括三相绕组，A相绕组、B相绕组和C相绕组的左端口分别接第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂中点a1、b1、c1，A相绕组、B相绕组和C相绕组的右端口分别接第二三相两电平逆变器VSI2的三相桥臂中点a2、b2、c2。
本发明包括下述步骤：
图2为本发明实施例中任意一个调制体内的过调制运行流程图，对应步骤1-步骤3。
步骤1，设三相两电平逆变器需要调制的参考电压矢量为Vref，参考电压矢量为Vref对应两个逆变器VSI1和VSI2其中任意一个输出的参考电压矢量，将参考电压矢量Vref对三维空间坐标系中坐标轴α、β、γ轴的投影分量以直流电压Udc进行标幺化，分别记为参考电压矢量α轴分量Vα、参考电压矢量β轴分量Vβ、参考电压矢量γ轴分量Vγ，使用参考电压矢量α轴分量Vα、参考电压矢量β轴分量Vβ计算得出参考电压矢量Vref的α-β平面分量的幅值m1、参考电压矢量Vref的α-β平面分量的相位
Figure GDA0003628218250000096
和参考电压矢量Vref的α-β平面分量对应的调制度M1，计算式如下：
Figure GDA0003628218250000091
对参考电压矢量γ轴分量Vγ进行正交分解，得出两个相差90度的分量，分别记为参考电压矢量γ轴分量Vγ的第一正交分量Vγ，1和参考电压矢量γ轴分量Vγ的第二正交分量Vγ，2，计算得出参考电压矢量γ轴分量Vγ的幅值m3及参考电压矢量γ轴分量Vγ的相位
Figure GDA0003628218250000092
计算式如下：
Figure GDA0003628218250000093
计算参考电压矢量Vref的特征相位差
Figure GDA0003628218250000094
计算式如下：
Figure GDA0003628218250000095
步骤2，根据步骤1所得的参考电压矢量γ轴分量Vγ的幅值m3及参考电压矢量Vref的特征相位差
Figure GDA0003628218250000101
计算3D-AZSPWM调制策略最大线性调制度Mmax1及最大压缩调制度Mmax2：
定义函数式W1如下：
Figure GDA0003628218250000102
定义函数式W2如下：
Figure GDA0003628218250000103
其中θ1的取值范围为
Figure GDA0003628218250000104
在θ1的取值范围内计算函数式W1最小值为W1min，计算函数式W2最小值为W2min，当W1min≤W2min时，Mmax1＝W1min，当W1min>W2min时，Mmax1＝W2min，计算函数式曲线W1和函数式W2曲线交点的函数值即为Mmax2。
步骤3，根据步骤1及步骤2所得参考电压矢量Vref的α-β平面分量对应的调制度M1和3D-AZSPWM调制策略最大线性调制度Mmax1及最大压缩调制度Mmax2，进行过调制判断；
当计算M1<Mmax1时，为线性调制区域，进入步骤3.1；
当计算Mmax1≤M1≤Mmax2时，为过调制区域，进入步骤3.2；
步骤3.1，计算M1<Mmax1时的线性调制区域，根据参考电压矢量α轴分量Vα、参考电压矢量β轴分量Vβ和参考电压矢量γ轴分量Vγ，使用3D-AZSPWM调制策略计算基础电压矢量作用时间t1、基础电压矢量作用时间t2、基础电压矢量作用时间t3和基础电压矢量作用时间t4进行发波控制；时间t1、t2、t3、t4的具体计算过程参见公开日期为2018年6月20日的文献《共直流母线开绕组异步电机零序环流抑制策略研究》(杨淑英等，中国电机工程学报，2018年第38卷第12期)的3692-3693页。
步骤3.2，计算Mmax1≤M1≤Mmax2时的过调制区域；
步骤3.21，根据参考电压矢量α轴分量Vα、参考电压矢量β轴分量Vβ和参考电压矢量γ轴分量Vγ，使用3D-AZSPWM调制策略计算基础电压矢量作用时间t1、基础电压矢量作用时间t2、基础电压矢量作用时间t3和基础电压矢量作用时间t4；
当t1≥0且t4≥0时，为过调制区域的圆弧区，进入步骤3.22；
当t1<0或t4<0时，为过调制区域的边界区，进入步骤3.23；
步骤3.22，由计算得出的基础电压矢量作用时间t1、基础电压矢量作用时间t2、基础电压矢量作用时间t3和基础电压矢量作用时间t4进行发波控制；
步骤3.23，对参考电压矢量Vref的α-β平面分量进行修改，首先根据参考电压矢量α轴分量Vα、参考电压矢量β轴分量Vβ和参考电压矢量γ轴分量Vγ对参考电压矢量Vref所在的调制体进行调制体序号判断，由判断的调制体序号选择对应的压缩平面约束方程，然后与输出谐波最小化压缩方案约束方程联立计算得出修改后参考电压矢量α轴分量
Figure GDA0003628218250000111
参考电压矢量β轴分量
Figure GDA0003628218250000112
根据修改后参考电压矢量α轴分量
Figure GDA0003628218250000113
参考电压矢量β轴分量
Figure GDA0003628218250000114
和参考电压矢量γ轴分量Vγ，使用3D-AZSPWM调制策略计算基础电压矢量作用时间
Figure GDA0003628218250000115
基础电压矢量作用时间
Figure GDA0003628218250000116
基础电压矢量作用时间
Figure GDA0003628218250000117
和基础电压矢量作用时间
Figure GDA0003628218250000118
进行发波控制；时间
Figure GDA0003628218250000119
的具体计算过程参见公开日期为2018年6月20日的文献《共直流母线开绕组异步电机零序环流抑制策略研究》(杨淑英等，中国电机工程学报，2018年第38卷第12期)的3692-3693页。
调制体序号判断具体方式为：定义调制体序号判断的中间变量为第一变量A、第二变量B、第三变量C、第四变量N，定义函数式F1，
Figure GDA00036282182500001110
定义函数式F2，F2＝2Vγ-Vα，定义函数式F3，
Figure GDA00036282182500001111
则：
当F1≥0时，A＝1,
当F1<0时，A＝0，
当F2≥0时，B＝1,
当F2<0时，B＝0，
当F3≥0时，C＝1,
当F3<0时，C＝0，
N＝A+2B+4C，
第四变量N的每一个值对应一个调制体序号，具体如下：
N＝5对应调制体1；N＝1对应调制体2；N＝3对应调制体3；N＝2对应调制体4；N＝6对应调制体5；N＝4对应调制体6。
第四变量N不同值与调制体序号的对应关系见下表：
N 5 1 3 2 6 4
调制体 1 2 3 4 5 6
图3为本发明实施例中3D-AZSPWM调制策略总调制体说明图，为3D-AZSPWM调制策略在α-β-γ三维空间上的总调制体。
图4为本发明实施例中3D-AZSPWM调制策略调制体分开说明图，对图3中的总调制体分为六个调制体进行标注序号。
由判断的调制体序号选择对应的压缩平面约束方程具体方式为：
调制体1的压缩平面约束方程为：
Figure GDA0003628218250000121
调制体2的压缩平面约束方程为：
Figure GDA0003628218250000122
调制体3的压缩平面约束方程为：
Figure GDA0003628218250000123
调制体4的压缩平面约束方程为：
Figure GDA0003628218250000124
调制体5的压缩平面约束方程为：
Figure GDA0003628218250000125
调制体6的压缩平面约束方程为：
Figure GDA0003628218250000126
输出谐波最小化压缩方案约束方程如下：
Figure GDA0003628218250000127
即实现含过调制的3D-AZSPWM调制策略发波控制。
为了验证本发明的有效性，对本发明进行了实验验证。共中线开绕组电驱动系统拓扑结构第一直流源Udc1和第二直流源Udc2的直流电压Udc均为280V，第一三相两电平逆变器VSI1和第二三相两电平逆变器VSI2主电路由三菱智能IGBT功率模块PM100CLA120构成，开关频率fs＝9600Hz，死区设定3μs。使用三相异步电机作为负载，异步电机参数：额定功率pn＝3kW，额定相电压UN＝220V，定子电阻Rs＝1.93Ω，互感Lm＝0.19H，定子电感Ls＝0.21H，极对数P＝2，运行频率fe＝50Hz。将共中线开绕组电驱动系统需要调制的参考电压矢量180度解耦平均分配给第一三相两电平逆变器VSI1和第二三相两电平逆变器VSI2进行调制，即两个三相两电平逆变器需要调制的参考电压矢量大小相等，方向相反。
图5给出了对应第一三相两电平逆变器VSI1通过步骤1计算得出的参考电压矢量γ轴分量Vγ的幅值m3约为0.03，对应第一三相两电平逆变器VSI1的共模电压需求为8.4V,对应共中线开绕组电驱动系统总的共模电压需求为16.8V。
图6给出了通过步骤1计算得出第一三相两电平逆变器VSI1的参考电压矢量Vref特征相位差
Figure GDA0003628218250000131
约为0.5。
图7给出了在参考电压矢量γ轴分量Vγ的幅值m3约为0.03，参考电压矢量Vref的特征相位差
Figure GDA0003628218250000132
约为0.5条件下通过步骤2绘制的函数式曲线W1和函数式W2曲线，计算得出的对应第一三相两电平逆变器VSI1使用3D-AZSPWM调制策略最大线性调制度Mmax1为0.742，即对应第一三相两电平逆变器VSI1使用3D-AZSPWM调制策略线性调制最大输出132.25V，计算得出最大压缩调制度Mmax2为0.907。
图8给出了第一三相两电平逆变器VSI1参考电压矢量Vref的α-β平面分量对应的调制度M1从0.72上升到0.8时，使用3D-AZSPWM调制策略调制时共中线开绕组电驱动系统总输出基波电压幅值变化情况示意图。可见使用本过调制策略能够有效地将总输出基波电压幅值突破传统线性调制最大约束264.5V，提升到274V左右，有效提升3D-AZSPWM调制策略调制范围。
图9给出了第一三相两电平逆变器VSI1参考电压矢量Vref的α-β平面分量对应的调制度M1从0.72上升到0.8时，使用3D-AZSPWM调制策略调制时共中线开绕组电驱动系统总输出的共模电压幅值情况示意图，可见在实现过调制的同时能够保持输出的共模电压幅值不变，满足共中线开绕组等零序环流闭环控制所需的共模分量的调制。
图10给出了第一三相两电平逆变器VSI1参考电压矢量Vref的α-β平面分量对应的调制度M1从0.72上升到0.8时，使用3D-AZSPWM调制策略调制时共中线开绕组电驱动系统总输出的基波电压THD变化情况示意图，可见所提方案较之其他过调制方案基波电压THD更小，谐波表现较好。
在实验中，还采用以下方式对调制体序号判断进行了验证。
由图11可见，在一个基波周期内第四变量N值按5、1、3、2、6、4顺序变化，对应参考电压矢量Vref从调制体1到调制体6连续旋转一周，可见调制体序号判断准确有效。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种输出谐波最小化3D-AZSPWM调制策略过调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，计算参考电压矢量Vref的α-β平面分量的幅值m1、相位
Figure FDA0003628218240000011
和调制度M1，计算参考电压矢量Vref的γ轴分量Vγ的幅值m3及相位
Figure FDA0003628218240000012
计算参考电压矢量Vref的特征相位差
Figure FDA0003628218240000013
步骤S2，根据步骤S1中的幅值m3及特征相位差
Figure FDA0003628218240000014
计算3D-AZSPWM调制策略最大线性调制度Mmax1及最大压缩调制度Mmax2；
步骤S3，根据调制度M1、最大线性调制度Mmax1及最大压缩调制度Mmax2，进行过调制判断：
当计算M1<Mmax1时，为线性调制区域，采用线性调制区域发波控制，方法为：根据Vα、Vβ和Vγ，使用3D-AZSPWM调制策略计算基础电压矢量作用时间t1、t2、t3和t4进行发波控制；
当计算Mmax1≤M1≤Mmax2时，为过调制区域，采用过调制区域发波控制，方法为：
当t1≥0且t4≥0时，为过调制区域的圆弧区，根据Vα、Vβ和Vγ，使用3D-AZSPWM调制策略计算基础电压矢量作用时间t1、t2、t3和t4进行发波控制；
当t1<0或t4<0时，为过调制区域的边界区，对参考电压矢量Vref的α-β平面分量进行修改：
首先根据Vα、Vβ和Vγ对参考电压矢量Vref所在的调制体进行调制体序号判断，由判断的调制体序号选择对应的压缩平面约束方程；
然后与输出谐波最小化压缩方案约束方程联立计算得出修改后参考电压矢量α轴分量
Figure FDA0003628218240000015
参考电压矢量β轴分量
Figure FDA0003628218240000016
所述的输出谐波最小化压缩方案约束方程如下：
Figure FDA0003628218240000017
最后根据修改后参考电压矢量α轴分量
Figure FDA0003628218240000018
修改后参考电压矢量β轴分量
Figure FDA0003628218240000019
和Vγ，使用3D-AZSPWM调制策略计算修改后基础电压矢量作用时间
Figure FDA0003628218240000021
和
Figure FDA0003628218240000022
进行发波控制。
2.根据权利要求1所述的一种输出谐波最小化3D-AZSPWM调制策略过调制方法，其特征在于，步骤S1中计算参考电压矢量Vref的α-β平面分量的幅值m1、相位
Figure FDA0003628218240000023
和调制度M1的公式为：
Figure FDA0003628218240000024
其中，Vα、Vβ分别为参考电压矢量Vref对三维空间坐标系中坐标轴α、β轴的投影分量以直流电压Udc进行标幺化后的值。
3.根据权利要求2所述的一种输出谐波最小化3D-AZSPWM调制策略过调制方法，其特征在于，步骤S1中计算参考电压矢量Vref的γ轴分量Vγ的幅值m3及相位
Figure FDA0003628218240000025
的公式为：
Figure FDA0003628218240000026
其中，Vγ，1为第一正交分量、Vγ，2为第二正交分量；第一正交分量、第二正交分量是对Vγ进行正交分解，得出两个相差90度的分量。
4.根据权利要求2所述的一种输出谐波最小化3D-AZSPWM调制策略过调制方法，其特征在于，步骤S1中计算参考电压矢量Vref的特征相位差
Figure FDA0003628218240000027
计算式如下：
Figure FDA0003628218240000028
其中，
Figure FDA0003628218240000029
为参考电压矢量Vref的γ轴分量Vγ的相位，
Figure FDA00036282182400000210
为参考电压矢量Vref的α-β平面分量的相位。
5.根据权利要求2所述的一种输出谐波最小化3D-AZSPWM调制策略过调制方法，其特征在于，步骤S2中计算3D-AZSPWM调制策略最大线性调制度Mmax1及最大压缩调制度Mmax2具体为：
定义函数式W1，
Figure FDA0003628218240000031
定义函数式W2，
Figure FDA0003628218240000032
其中，θ1的取值范围为
Figure FDA0003628218240000033
在θ1的取值范围内计算函数式W1最小值为W1min，计算函数式W2最小值为W2min，当W1min≤W2min时，Mmax1＝W1min，当W1min>W2min时，Mmax1＝W2min，计算函数式曲线W1和函数式W2曲线交点的函数值即为Mmax2。
6.根据权利要求1所述的一种输出谐波最小化3D-AZSPWM调制策略过调制方法，其特征在于，所述的调制体序号判断的具体方式为：
定义调制体序号判断的中间变量为第一变量A、第二变量B、第三变量C、第四变量N，定义函数式F1，
Figure FDA0003628218240000034
定义函数式F2，F2＝2Vγ-Vα，定义函数式F3，
Figure FDA0003628218240000035
则：
当F1≥0时，A＝1；当F1<0时，A＝0；当F2≥0时，B＝1；当F2<0时，B＝0；当F3≥0时，C＝1；当F3<0时，C＝0；N＝A+2B+4C；
第四变量N的每一个值对应一个调制体序号，具体如下：N＝5对应调制体1；N＝1对应调制体2；N＝3对应调制体3；N＝2对应调制体4；N＝6对应调制体5；N＝4对应调制体6。
7.根据权利要求1所述的一种输出谐波最小化3D-AZSPWM调制策略过调制方法，其特征在于，所述的由判断的调制体序号选择对应的压缩平面约束方程的具体方式为：
调制体1的压缩平面约束方程为：
Figure FDA0003628218240000036
调制体2的压缩平面约束方程为：
Figure FDA0003628218240000037
调制体3的压缩平面约束方程为：
Figure FDA0003628218240000041
调制体4的压缩平面约束方程为：
Figure FDA0003628218240000042
调制体5的压缩平面约束方程为：
Figure FDA0003628218240000043
调制体6的压缩平面约束方程为：
Figure FDA0003628218240000044
8.一种应用于权利要求1-7任一项所述的输出谐波最小化3D-AZSPWM调制策略过调制方法的系统，其特征在于，包括：第一直流源Udc1、第二直流源Udc2、第一三相两电平逆变器VSI1、第二三相两电平逆变器VSI2、三相定子绕组OEWIM、中线I、电容C1、电容C2、电容C3和电容C4；
所述电容C1和电容C2串联后连接在第一直流源Udc1的直流正母线P与直流负母线N之间，电容C1、电容C2的公共节点记为点O；所述电容C3和电容C4串联后连接在第二直流源Udc2的直流正母线P'与直流负母线N'之间，电容C3、电容C4的公共节点记为点O'，所述中线I连接点O与点O'，第一直流源Udc1和第二直流源Udc2直流电压均为Udc；
所述第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂中，每相桥臂包括2个带反并联二极管的开关管，即第一三相两电平逆变器VSI1共包括6个带反并联二极管的开关管，6个开关管分别记为Sn1j，其中n表示相序，n＝a,b,c，j表示开关管的序号，j＝1,2；第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂相互并联在直流正母线P与直流负母线N之间，即开关管Sa11、Sb11、Sc11的集电极并联后连接直流正母线P，开关管Sa12、Sb12、Sc12的发射极并联后连接直流负母线N；在第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂中，开关管Sa11和开关管Sa12串联，开关管Sb11和开关管Sb12串联，开关管Sc11和开关管Sc12串联，其连接点分别记为第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂中点a1、b1、c1；
所述第二三相两电平逆变器VSI2的三相桥臂中，每相桥臂包括2个带反并联二极管的开关管，即第二三相两电平逆变器VSI2共包括6个带反并联二极管的开关管，6个开关管分别记为Sn2j；第二三相两电平逆变器VSI2的三相桥臂相互并联在直流正母线P'与直流负母线N'之间，即开关管Sa21、Sb21、Sc21的集电极并联后连接直流正母线P'，开关管Sa22、Sb22、Sc22的发射极并联后连接直流负母线N'；在第二三相两电平逆变器VSI2的三相桥臂中，开关管Sa21和开关管Sa22串联，开关管Sb21和开关管Sb22串联，开关管Sc21和开关管Sc22串联，其连接点分别记为第二三相两电平逆变器VSI2的三相桥臂中点a2、b2、c2；
所述三相定子绕组OEWIM中包括三相绕组，A相绕组、B相绕组和C相绕组的左端口分别接第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂中点a1、b1、c1，A相绕组、B相绕组和C相绕组的右端口分别接第二三相两电平逆变器VSI2的三相桥臂中点a2、b2、c2。
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