CN113472250B - 一种抵抗三相四开关逆变器中电容电压偏移的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及三相四开关逆变器控制方法，特别是涉及一种三相四开关逆变器中电容电压偏移的抵抗方法。该方法首先根据系统要求的电压抑制速度，设定调节因子k；采集两个电容C1和C2的真实电压值VDC1和VDC2，两者相减得到两个电容C1和C2的电压差值；之后利用调节因子对电容电压反馈值进行电压修正，得到电容电压的修正值V* DC1和V* DC2；将电压差值和电容电压的修正值施加到系统的空间矢量脉宽调制控制系统中，系统将会自动产生相应的开关信号Sb、Sc施加到相应的开关器件上，从而抑制电容电压的偏移，并使系统正常工作。该方法不需要添加滤波器或者陷波器，也不需要复杂的计算过程，同时避免了系统时滞问题。

Description

一种抵抗三相四开关逆变器中电容电压偏移的方法
所属技术领域
本发明涉及三相四开关逆变器控制方法，特别是涉及一种三相四开关逆变器中电容电压偏移的抵抗方法。
背景技术
近年来，将三相六开关逆变器一个桥臂上的两个开关器件用电容器代替而形成的三相四开关逆变器具有广泛的应用前景，这种新的逆变器拓扑结构减少了两个开关器件，不仅降低了系统成本，减少了驱动电路，在低成本应用中具有更大的优势，更为重要的是这种拓扑结构可以看作三相六开关逆变器的某一桥臂功率管故障容错的拓扑。但是这种拓扑结构也存在问题，其中之一就是直流母线电容器电压不平衡，由于单相负载直接连接到直流母线上下电容器中点，当电容器中点电流一旦不对称，两个电容器的电压就会偏移，当两个电容器的电压在运行过程中不一致时，会显著降低系统性能。
关于现有的抑制电容电压偏移的策略，大致可以分为两类：其一是利用滤波器或者陷波器提取直流分量来达到抑制的效果[1]。其二是采用模型预测控制策略，这种方法的基础是数学建模，并通过已知的状态信息和未来信息，预测出系统未来某个时间段的输出量，最后通过最优化选择得到最优控制信号，同时需要满足目标函数值最小，最后将其施加到被控对象上[2]。
总之，当直流母线电容器电压不平衡时，电机绕组上的电压会波动，电压空间矢量会发生畸变，严重影响系统的可靠性，甚至破坏逆变器。然而，为了解决上述问题，前文所述方案中，当采用低通滤波器时，其小带宽限制了抑制方案的动态性能。采用模型预测控制策略时，参数整定工作量很大，可能导致系统的时滞问题，复杂的控制算法的实用性也有一定的限制。
[1]C.Zhu,Z.Zeng and R.Zhao,"Comprehensive Analysis and Reduction ofTorque Ripples in Three-Phase Four-Switch Inverter-Fed PMSM Drives UsingSpace Vector Pulse-Width Modulation,"inIEEE Transactions on PowerElectronics,vol.32,no.7,pp.5411-5424,July 2017,doi:10.1109/TPEL.2016.2605160.
[2]D.Sun,J.Su,C.Sun and H.Nian,"A Simplified MPFC With CapacitorVoltage Offset Suppression for the Four-Switch Three-Phase Inverter-Fed PMSMDrive,"inIEEE Transactions on Industrial Electronics,vol.66,no.10,pp.7633-7642,Oct.2019,doi:10.1109/TIE.2018.2880699.
发明内容
现有的抑制电容电压偏移的策略存在以下的问题：
(1)利用滤波器或者陷波器提取直流分量来达到抑制的效果，其小带宽将严重影响电容电压偏移抑制方案的控制性能；
(2)采用模型预测控制策略时，参数整定工作量大，可能导致系统的时滞问题；另外，控制方法的参数整定非常困难，控制算法的实用性也受到限制；
(3)上述的方案操作不是特别简便，在实际工程应用时，会存在局限性。
为了解决上述问题，本发明没有采用滤波器或者陷波器，因此不需要考虑带宽对电容电压偏移抑制方案控制性能的影响；省去了复杂的算法，系统工作量很小，策略简单，在工业应用中具有极强的可操作性；添加了只针对电容电压偏移的调节因子，根据实际要求设定合适的值，就可以达到理想的效果。
针对上述存在的问题，本发明提供一种自抵抗三相四开关逆变器中电容电压偏移的方法，主要为：首先根据系统要求的电压抑制速度，设定调节因子k；采集两个电容C1和C2的真实电压值VDC1和VDC2，两者相减得到两个电容C1和C2的电压差值；之后利用调节因子对电容电压反馈值进行电压修正，得到电容电压的修正值V* DC1和V* DC2；将电压差值和电容电压的修正值施加到系统的空间矢量脉宽调制控制系统中，系统将会自动产生相应的开关信号Sb、Sc施加到相应的开关器件上，从而抑制电容电压的偏移，并使系统正常工作。
本方案的主要原理如下：
在三相四开关系统正常工作时，会有四个基本电压矢量，其值会受到两个电容电压的影响；假设两个电容电压的修正值V* DC1和V* DC2之和与电容电压的真实值VDC1和VDC2之和相等；以第一扇区为例说明，当三相四开关系统正常工作时，合成输出电压矢量过程中，根据原期望输出电压矢量uα和uβ，可以计算出原基本电压矢量的作用时间T00、T10和T11；
Figure BDA0003149185740000021
其中，uα和uβ是原期望输出电压矢量的分解值；V00和V11为原基本电压矢量；T00、T10和T11为原基本电压矢量的作用时间；TS为合成期望输出电压矢量作用周期；VDC为直流母线电压值，Δu为VDC2与VDC1之差。
当采用本方案时，合成输出电压矢量过程中，期望输出电压矢量不变化，基本电压矢量发生变化，变为V’00和V’11，可以计算出新基本电压矢量的作用时间T’00、T’10和T’11。
Figure BDA0003149185740000031
其中，Δu’为V* DC2与V* DC1之差。
将上式得到的新基本电压矢量的作用时间T’00、T’10和T’11替换原基本电压矢量的作用时间T00、T10和T11，就会产生新的期望输出电压矢量u’α和u’β，如公式(3)所示：
Figure BDA0003149185740000032
这样就会得到的新的期望输出电压矢量，其与原期望输出电压矢量相比，如公式(4)所示，添加了一个电压偏置：
Figure BDA0003149185740000033
原基本电压矢量的偏差为公式(5)，当公式(4)中添加的电压偏置与原基本电压矢量的偏差相抵消时，即为公式(6)，即可抑制电容电压偏移；
Figure BDA0003149185740000034
Figure BDA0003149185740000035
公式(6)可以计算得到：
Figure BDA0003149185740000036
设置V* DC1和V* DC2为公式(8)，上述的过程是k＝1时的情况，没有考虑抑制速度的影响，因此当考虑抑制速度时，需要调节k即可抑制电容电压偏移。
Figure BDA0003149185740000041
本发明中的技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明的三相四开关逆变器中电容电压偏移的抑制方法不需要添加滤波器或者陷波器，也不需要复杂的计算过程，因此不会存在小带宽将影响电容电压偏移抑制方案的控制性能的问题，此外，简单的算法避免了系统时滞问题。方案中包含一个调节因子，根据实际要求的抑制速度来设定调节因子，如要求快速抑制，设定较大的调节因子，如要求较小的抑制速度，设定较小的调节因子。当设定好调节因子之后，利用调节因子对电容电压反馈值进行电压修正，将电容电压的修正值施加到系统的空间矢量脉宽调制控制系统中，控制系统将会驱动开关器件，此时，系统将自动抵抗电容电压偏移，当电容电压满足要求后，也不用需要有其他操作，该方法具有良好的抑制效果和自动反偏移能力。此方法具有极强的可操作性和广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明方法适用的三相四开关逆变器及其基本结构图；
其中VDC为直流母线电压值；iDC为直流母线的电流值；VDC1为电容C1电压值；VDC2为电容C2电压值；iC1为流过电容C1电流值；iC2为流过电容C2电流值；iA、iB、iC分别为电机的A、B、C三相的电流值；点A、B、C分别为电机的A、B、C三相绕组；S1、S2、S3、S4分别四个开关器件；PMSM为永磁同步电机。
图2为本发明方法的原理推导图；
其中V* basic为新基本电压矢量；Vbasic为原基本电压矢量；u* out为新期望输出电压矢量；uout为原期望输出电压矢量；T为新基本电压矢量作用时间。
图3为本发明方法的控制结构框图。
其中VDC1为电容C1电压真实值；VDC2为电容C2电压真实值；V* DC1为电容C1电压修正值；V* DC2为电容C2电压修正值；ΔA为策略抑制速度公式；Sb、Sc为脉宽调制策略产生的驱动信号。
具体实施方式
如图1-2所示，为本发明的三相四开关变逆变器中电容电压偏移的抑制方法的结构示意图，其中，图2展示了本发明方法的控制结构框图，其具体步骤如下：
S1、根据系统要求的电压抑制速度ΔA，代入到公式(9)中，设定一个调节因子k，如要求快速抑制，设定较大的调节因子，如要求慢速抑制，设定较小的调节因子；
Figure BDA0003149185740000051
S2、根据图1所示，采集两个电容C1和C2的真实电压值VDC1和VDC2，利用公式(8)对电容电压反馈值进行修正，得到电容电压的修正值V* DC1和V* DC2；
S3、将电容电压的修正值V* DC1和V* DC2，施加到系统的SVPWM中；
S4、系统中SVPWM根据输入的电容电压值产生相应的开关信号Sb、Sc施加到相应的开关器件上，使系统正常工作。
本发明提供了一个具体实施例如下：
首先讲系统要求的电压抑制速度代入公式(1)中，得到调节因子k的范围为0到1.8之间；采集两个电容C1和C2的真实电压值VDC1和VDC2分别为180V和131V，两者相减得到两个电容C1和C2的电压差值为49V；之后利用调节因子对电容电压反馈值进行电压修正，得到电容电压的修正值V* DC1和V* DC2；将电压差值和电容电压的修正值施加到系统的空间矢量脉宽调制控制系统中，系统将会自动产生相应的开关信号Sb、Sc施加到相应的开关器件上。实验结果如下表：
表1某种环境下采用本抵抗方案的实验结果
Figure BDA0003149185740000052
由结果可知，当k值增大时，抵抗电容电压电压偏移时间会减少，因此所设计的方案可以抑制电容电压的偏移，使系统正常工作。

Claims (1)

1.一种抵抗三相四开关逆变器中电容电压偏移的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将系统要求的电压抑制速度ΔA，代入到公式(1)中，设定一个调节因子k:
Figure FDA0003989757660000011
S2、采集两个电容C1和C2的真实电压值VDC1和VDC2，两者相减得到电压差值，利用公式(2)对电容电压反馈值进行修正，得到电容电压的修正值
Figure FDA0003989757660000012
和
Figure FDA0003989757660000013
Figure FDA0003989757660000014
S3、将电容电压的修正值
Figure FDA0003989757660000015
和
Figure FDA0003989757660000016
以及电压差值施加到系统的SVPWM中；
S4、系统中SVPWM根据输入的电容电压的修正值
Figure FDA0003989757660000017
和
Figure FDA0003989757660000018
以及电压差值产生相应的开关信号Sb、Sc施加到相应的开关器件上。
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