CN116032144B - 谐波与中点电位协同控制的同步过调制算法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种谐波与中点电位协同控制的同步过调制算法,属三电平逆变器调制领域,该算法采用4段式矢量合成方式,根据面积等效原理设计使输出电压5、7次谐波最小的一组脉冲序列以及用于中点电位控制的两组脉冲序列,基于当前中点电位采样值和中点电位预测方程确定基本电压矢量作用时间最优取值A best、B best、C best,以此实现5、7谐波与中点电位协同控制。本发明相比较于传统算法而言降低了开关损耗,显著优于传统算法,解决了传统同步过调制算法电流、转矩谐波大和中点电位波动的问题,具有算法简单,适用性强的优点。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子与电力传动领域中二极管钳位的三电平逆变器调制领域,具体涉及谐波与中点电位协同控制的同步过调制算法。
背景技术
目前,二极管钳位型三电平逆变器由于其所需开关数量较少、拥有较低的管压降、输出谐波含量以及dv/dt较低等优点已经泛运用于中高压大功率交流调速等领域。三电平逆变器相比传统两电平逆变器能够承受高电压,在相同开关频率条件下输出波形谐波含量减少,转矩脉动低。
传统的异步调制算法有载波脉冲宽度调制和空间电压矢量调制,但是在低载波比的条件下,这两种算法容易造成输出电压不对称的问题,进而影响输出谐波性能,导致逆变器输出的谐波增大,电机输出转矩脉动增加,严重影响控制性能,产生机械振动和噪声等。且由于三电平自身结构的特点,其在工作时需要对中点电位进行控制,特别针对过调制区,中点电位控制能力由于小矢量作用时间较短将严重下降,此时将导致支撑电容的电压不均衡,严重时将导致过压故障。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足,提供一种谐波与中点电位协同控制的同步过调制算法,本发明所提算法具有较低的开关频率,同时解决了传统同步过调制算法电流、转矩谐波大和中点电位波动的问题,具有算法简单,适用性强的优点。
为达到上述目的,本发明采取的技术方案是:
谐波与中点电位协同控制的同步过调制算法,包括以下步骤:
S1,根据二极管钳位的三电平逆变器拓扑结构,在一个基波周期内分别进行30次参考电压矢量采样,30个参考电压矢量为U ref1~ U ref30,将所述30个参考电压矢量U ref1~U ref30的幅值U m与2/3倍直流母线电压U dc求比值得到调制度n。
S2,对于所述30个参考电压矢量U ref1~ U ref30,分别设计4段式矢量合成方式,第一次采样的参考电压矢量u ref1由+-0;+--;+-0;+00四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i a,i c;第二次采样的参考电压矢量u ref2由+00;+-0;+--;0--四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i c;第三次采样的参考电压矢量u ref3由0--;+--;+--;0--四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为i a,0;第四次采样的参考电压矢量u ref4由0--;+--;+0-;+00四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i b;第五次采样的参考电压矢量u ref5由+00;+0-;+--;+0-四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i a,i b;第六次采样的参考电压矢量u ref6由+0-;++-;+0-;00-四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i c,i b;第七次采样的参考电压矢量u ref7由00-;+0-;++-;++0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i b;第八次采样的参考电压矢量u ref8由++0;++-;++-;++0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为i c,0;第九次采样的参考电压矢量u ref9由++0;++-;0+-;00-四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i a;第十次采样的参考电压矢量u ref10由00-;0+-;++-;0+-四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i c,i a;第十一次采样的参考电压矢量u ref11由0+-;-+-;0+-;0+0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i b,i a;第十二次采样的参考电压矢量u ref12由0+0;0+-;-+-;-0-四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i a;第十三次采样的参考电压矢量u ref13由-0-;-+-;-+-;-0-四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为i b,0;第十四次采样的参考电压矢量u ref14由-0-;-+-;-+0;0+0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i c;第十五次采样的参考电压矢量u ref15由0+0;-+0;-+-;-+0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i b,i c;第十六次采样的参考电压矢量u ref16由-+0;-++;-+0;-00四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i a,i c;第十七次采样的参考电压矢量u ref17由-00;-+0;-++;0++四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i c;第十八次采样的参考电压矢量u ref18由0++;-++;-++;0++四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为i a,0;第十九次采样的参考电压矢量u ref19由0++;-++;-0+;-00四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i b;第二十次采样的参考电压矢量u ref20由-00;-0+;-++;-0+四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i a,i b;第二十一次采样的参考电压矢量u ref21由-0+;--+;-0+;00+四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i c,i b;第二十二次采样的参考电压矢量u ref22由00+;-0+;--+;--0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i b;第二十三次采样的参考电压矢量u ref23由--0;--+;--+;--0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为i c,0;第二十四次采样的参考电压矢量u ref24由--0;--+;0-+;00+四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i a;第二十五次采样的参考电压矢量u ref25由00+;0-+;--+;0-+四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i c,i a;第二十六次采样的参考电压矢量u ref26由0-+;+-+;0-+;0-0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i b,i a;第二十七次采样的参考电压矢量u ref27由0-0;0-+;+-+;+0+四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i a;第二十八次采样的参考电压矢量u ref28由+0+;+-+;+-+;+0+四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为i b,0;第二十九次采样的参考电压矢量u ref29由+0+;+-+;+-0;0-0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i c;第三十次采样的参考电压矢量u ref30由0-0;+-0;+-+;+-0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i b,i c。
S3,根据所述调制度n和所述4段式矢量合成方式,并采用面积等效原理计算基本电压矢量的作用时间的取值范围,所述基本电压矢量的作用时间包括基本小矢量的作用时间A、基本中矢量的作用时间B、基本大矢量的作用时间C。
S4,令ΔU 0表示中点电位,f为中点电位控制介入阈值,根据以下步骤求出基本小矢量的作用时间A、基本中矢量的作用时间B、基本大矢量的作用时间C的最优取值A best、B best、C best;
(1)根据傅立叶分析和5、7次谐波最小原则,可以确定第一组所述基本小矢量的作用时间A、所述基本中矢量的作用时间B和所述基本大矢量的作用时间C的取值A 0、B 0、C 0;
(2)令A=0,得到第二组所述基本小矢量的作用时间A 1、所述基本中矢量的作用时间B 1和所述基本大矢量的作用时间C 1的取值;
(3)令A=max,得到第三组所述基本小矢量的作用时间A 2、所述基本中矢量的作用时间B 2和所述基本大矢量的作用时间C 2的取值;max为A的取值最大值,A的取值最大值为:
其中,A为基本小矢量的作用时间,Δt为采样间隔,n为调制度;
(4)当中点电位属于-f~+f范围内时: 确定第一组所述基本小矢量的作用时间A、所述基本中矢量的作用时间B和所述基本大矢量的作用时间C的第一组取值A 0、B 0、C 0为最优取值A best、B best、C best;
(5)当中点电位不属于-f~+f范围内时:将第二组取值A 1、B 1、C 1和第三组取值A 2、B 2、C 2分别带入中点电位预测方程:
其中,ΔU 0表示中点电位,U dc1为上母线电容电压值,U dc2为下母线电容电压值,i o1为基本小矢量的中点电流,i o2为基本中矢量的中点电流,A为基本小矢量的作用时间,基本中矢量的作用时间B ,F为母线电容,为定子角频率;
将中点电位ΔU 0更接近0的一组令为所述基本小矢量的作用时间A、所述基本中矢量的作用时间B和所述基本大矢量的作用时间C的最优取值A best、B best、C best。
S5,按照所述基本小矢量的作用时间A best、所述基本中矢量的作用时间B best和所述基本大矢量的作用时间C best的最优取值进行4段式矢量合成,并通过调制模块作用于开关器件。
进一步的,所述S2中,所有基本电压矢量表示如下:
+表示逆变模块上桥臂1管和2管导通,下桥臂3管和4管关断;0表示上桥臂1管关断、2管导通,下桥臂3管导通、4管关断;-表示上桥臂1管和2管关断,下桥臂3管和4管导通;对于每一相桥臂,+、0、-中任取三个形成的任意一种组合均对应一个基本电压矢量,共3个桥臂形成33=27个基本电压矢量。
进一步的,所述S3中的面积等效原理计算方法为:
其中Δt为采样间隔,r ref为所述参考电压矢量的幅值,r 1为所述基本小矢量的幅值,r 2为所述基本中矢量的幅值,r 3为所述基本大矢量的幅值,A为所述基本小矢量的作用时间、B为所述基本中矢量的作用时间,C为所述基本大矢量的作用时间。
所述S3中的基本小矢量的作用时间A、基本中矢量的作用时间B和基本大矢量的作用时间C的取值范围计算方法为:
其中n为调制度,Δt为采样间隔,A为所述基本小矢量的作用时间、B为所述基本中矢量的作用时间,C为所述基本大矢量的作用时间。
进一步的,所述S4中的傅立叶分析计算方法为:
其中θ为空间电压矢量在两相静止αβ坐标系中相对于α轴的夹角,U x表示x相桥臂输出相电压,x=R、S、T,a 0表示傅立叶分析后的直流分量,a k表示傅立叶分析后的k次谐波余弦分量,b k表示傅立叶分析后的k次谐波正弦分量,cos表示余弦函数,sin表示正弦函数,∑表示求和运算符号,∞表示正无穷,k为常数。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1) 算法采用4段式矢量合成方式,有效减少了逆变器的开关频率进而降低开关损耗;
(2) 通过最近三矢量原则合理选择基本电压矢量,并设计基本电压矢量的作用顺序,保证输出电压脉冲满足三相对称、半波对称以及1/4对称,有效解决低载波比条件下输出电压不对称导致的控制性能变差问题;
(3) 基于面积等效原理,在实现过调制的同时还满足伏秒平衡,有效降低输出电流谐波,进而抑制电机转矩脉动;
(4) 根据傅立叶分析或中点电位预测方程确定所述基本小矢量的作用时间A、所述基本中矢量的作用时间B和所述基本大矢量的作用时间C的最优取值A best、B best、C best,同时实现中点电位的控制,进而极大改善了逆变器输出电流谐波性能,降低了电机输出电磁转矩脉动。
附图说明
下面将对附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为二极管钳位的三电平逆变器拓扑图;
图2为基本电压矢量在两相静止αβ坐标系中的分布图;
图3为参考电压矢量分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
具体的实施步骤如下:
谐波与中点电位协同控制的同步过调制算法,包括以下步骤:
步骤1:图1为二极管钳位的三电平逆变器拓扑图。如图1所示:在二极管钳位的三电平逆变器中,每相桥臂共有三种开关状态,+表示逆变模块上桥臂1管和2管导通,下桥臂3管和4管关断;0表示上桥臂1管关断、2管导通,下桥臂3管导通、4管关断;-表示上桥臂1管和2管关断,下桥臂3管和4管导通。
图2为基本电压矢量在两相静止αβ坐标系中的分布图。如图2所示:对于每一相桥臂,+、0、-中任取三个形成的任意一种组合均对应一个基本电压矢量,共3个桥臂形成33=27个基本电压矢量。
步骤2:图3为参考电压矢量分布图,如图3所示:根据最近三矢量原则,确定采样参考电压矢量时所选用的基本电压矢量,每个参考电压矢量的采样所用基本电压矢量如下:
参考电压矢量u ref1和u ref2将由基本电压矢量+--、+-0、+00或0--合成;参考电压矢量u ref3将由基本电压矢量+--、+00、0--合成;参考电压矢量u ref4和u ref5将由基本电压矢量+--、+0-、+00或0--合成;参考电压矢量u ref6和u ref7将由基本电压矢量++-、+0-、++0或00-合成;参考电压矢量u ref8将由基本电压矢量++-、++0、00-合成;参考电压矢量 u ref9和u ref10将由基本电压矢量++-、0+-、++0或00-合成;参考电压矢量u ref11和u ref12将由基本电压矢量0+-、-+-、0+0或-0-合成;参考电压矢量u ref13将由基本电压矢量-+-、0+0、-0-合成;参考电压矢量u ref14和u ref15将由基本电压矢量-+-、-+0、0+0或-0-合成;参考电压矢量u ref16和u ref17将由基本电压矢量-+0、-++、0++或-00合成;参考电压矢量u ref18将由基本电压矢量-++、0++、-00合成;参考电压矢量u ref19和u ref20将由基本电压矢量-++、-0+、0++或-00合成;参考电压矢量u ref21和u ref22将由基本电压矢量-0+、--+、00+或--0合成;参考电压矢量u ref23将由基本电压矢量--+、00+、--0合成;参考电压矢量u ref24和u ref25将由基本电压矢量--+、0-+、00+或--0合成;参考电压矢量u ref26和u ref27将由基本电压矢量0-+、+-+、+0+或0-0合成;参考电压矢量u ref28将由基本电压矢量+-+、+0+、0-0合成;参考电压矢量u ref29和u ref30将由基本电压矢量+-+、+-0、+0+或0-0合成。
步骤3:根据当前参考电压矢量的幅值U m及当前直流母线电压采样值U dc,计算调制度n,其计算方法为:
步骤4:针对每个参考电压矢量,按照如下规则设计4段式矢量合成方式:尽可能减小不同基本矢量切换时产生的开关动作次数;输出相电压满足三相对称、半波对称和1/4对称性。因此,4段式矢量合成方式如下:
第一次采样的参考电压矢量u ref1由+-0;+--;+-0;+00四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i a,i c;第二次采样的参考电压矢量u ref2由+00;+-0;+--;0--四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i c;第三次采样的参考电压矢量u ref3由0--;+--;+--;0--四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为i a,0;第四次采样的参考电压矢量u ref4由0--;+--;+0-;+00四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i b;第五次采样的参考电压矢量u ref5由+00;+0-;+--;+0-四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i a,i b;第六次采样的参考电压矢量u ref6由+0-;++-;+0-;00-四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i c,i b;第七次采样的参考电压矢量u ref7由00-;+0-;++-;++0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i b;第八次采样的参考电压矢量u ref8由++0;++-;++-;++0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为i c,0;第九次采样的参考电压矢量u ref9由++0;++-;0+-;00-四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i a;第十次采样的参考电压矢量u ref10由00-;0+-;++-;0+-四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i c,i a;第十一次采样的参考电压矢量u ref11由0+-;-+-;0+-;0+0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i b,i a;第十二次采样的参考电压矢量u ref12由0+0;0+-;-+-;-0-四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i a;第十三次采样的参考电压矢量u ref13由-0-;-+-;-+-;-0-四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为i b,0;第十四次采样的参考电压矢量u ref14由-0-;-+-;-+0;0+0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i c;第十五次采样的参考电压矢量u ref15由0+0;-+0;-+-;-+0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i b,i c;第十六次采样的参考电压矢量u ref16由-+0;-++;-+0;-00四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i a,i c;第十七次采样的参考电压矢量u ref17由-00;-+0;-++;0++四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i c;第十八次采样的参考电压矢量u ref18由0++;-++;-++;0++四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为i a,0;第十九次采样的参考电压矢量u ref19由0++;-++;-0+;-00四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i b;第二十次采样的参考电压矢量u ref20由-00;-0+;-++;-0+四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i a,i b;第二十一次采样的参考电压矢量u ref21由-0+;--+;-0+;00+四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i c,i b;第二十二次采样的参考电压矢量u ref22由00+;-0+;--+;--0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i b;第二十三次采样的参考电压矢量u ref23由--0;--+;--+;--0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为i c,0;第二十四次采样的参考电压矢量u ref24由--0;--+;0-+;00+四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i a;第二十五次采样的参考电压矢量u ref25由00+;0-+;--+;0-+四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i c,i a;第二十六次采样的参考电压矢量u ref26由0-+;+-+;0-+;0-0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i b,i a;第二十七次采样的参考电压矢量u ref27由0-0;0-+;+-+;+0+四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i a;第二十八次采样的参考电压矢量u ref28由+0+;+-+;+-+;+0+四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为i b,0;第二十九次采样的参考电压矢量u ref29由+0+;+-+;+-0;0-0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i c;第三十次采样的参考电压矢量u ref30由0-0;+-0;+-+;+-0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i b,i c。
步骤5:根据所述调制度n和所述4段式矢量合成方式,并采用面积等效原理计算基本电压矢量的作用时间的取值范围,所述基本电压矢量的作用时间包括基本小矢量的作用时间A、基本中矢量的作用时间B、基本大矢量的作用时间C;
面积等效原理计算方法为:
其中,Δt为采样间隔,r ref为所述参考电压矢量的幅值,r 1为所述基本小矢量的幅值,r 2为所述基本中矢量的幅值,r 3为所述基本大矢量的幅值,A为所述基本小矢量的作用时间、B为所述基本中矢量的作用时间,C为所述基本大矢量的作用时间。
所述基本小矢量的作用时间A、基本中矢量的作用时间B和基本大矢量的作用时间C的取值范围计算方法为:
其中,n为调制度,Δt为采样间隔,A为所述基本小矢量的作用时间、B为所述基本中矢量的作用时间,C为所述基本大矢量的作用时间。
步骤6:通过以下方法确定唯一一组所述基本小矢量的作用时间A、所述基本中矢量的作用时间B和所述基本大矢量的作用时间C的最优取值A best、B best、C best;用ΔU 0表示中点电位变化,f为中点电位控制介入阈值;
(1)对逆变器输出相电压进行傅立叶分析的计算方法为:
其中θ为空间电压矢量在两相静止αβ坐标系中相对于α轴的夹角,U x表示x相桥臂输出相电压,x=R、S、T,a 0表示傅立叶分析后的直流分量,a k表示傅立叶分析后的k次谐波余弦分量,b k表示傅立叶分析后的k次谐波正弦分量,cos表示余弦函数,sin表示正弦函数,∑表示求和运算符号,∞表示正无穷,k为常数。
其中各次谐波系数计算方法为:
其中,ω为基波分量的角频率,π为圆周率,θ为空间电压矢量在两相静止αβ坐标系中相对于α轴的夹角,U x表示x相桥臂输出相电压,x=R、S、T,a 0表示傅立叶分析后的直流分量,a k表示傅立叶分析后的k次谐波余弦分量,b k表示傅立叶分析后的k次谐波正弦分量,cos为余弦三角函数,sin为正弦三角函数,k为常数,d为微分算子。
因为输出相电压满足半波对称和1/4对称,所以:
因此,输出相电压中5、7次谐波分量计算方法为:
其中,a 5 、b 7为傅立叶分解后的5次、7次谐波分量幅值,ω为基波分量的角频率,π为圆周率,θ为空间电压矢量在两相静止αβ坐标系中相对于α轴的夹角,U x表示x相桥臂输出相电压,x=R、S、T,cos为余弦三角函数,sin为正弦三角函数,d为微分算子。
根据傅立叶分析和5、7次谐波最小原则,可以确定唯一一组所述基本小矢量的作用时间A、所述基本中矢量的作用时间B和所述基本大矢量的作用时间C的取值A 0、B 0、C 0。
(2)令A=0,得到第二组所述基本小矢量的作用时间A 1、所述基本中矢量的作用时间B 1和所述基本大矢量的作用时间C 1的取值;
(3)令A=max,得到第三组所述基本小矢量的作用时间A 2、所述基本中矢量的作用时间B 2和所述基本大矢量的作用时间C 2的取值;max为A的取值最大值,A的取值最大值为:
其中,A为基本小矢量的作用时间,Δt为采样间隔,n为调制度;
(4)当中点电位属于-f~+f范围内时:确定第一组所述基本小矢量的作用时间A、所述基本中矢量的作用时间B和所述基本大矢量的作用时间C的第一组取值A 0、B 0、C 0为最优取值A best、B best、C best ;
(5)当中点电位不属于-f~+f范围内时:将第二组取值A 1、B 1、C 1和第三组取值A 2、B 2、C 2分别带入中点电位预测方程:
其中,ΔU 0表示中点电位,U dc1为上母线电容电压值,U dc2为下母线电容电压值,i o1为基本小矢量的中点电流,i o2为基本中矢量的中点电流,A为基本小矢量的作用时间,基本中矢量的作用时间B ,F为母线电容,为定子角频率;
将中点电位变化ΔU 0更接近0的一组令为所述基本小矢量的作用时间A、所述基本中矢量的作用时间B和所述基本大矢量的作用时间C的最优取值A best、B best、C best。
步骤7:将步骤6得出的基本电压矢量作用时间最优取值A best、B best、C best,按照步骤4得出的参考电压矢量旋转的方向依次作用于逆变器即可。
本发明提出的谐波与中点电位协同控制的同步过调制算法能够减少开关频率,降低开关损耗,实现过调制的同时有限减少输出电流中的5、7次谐波分量,进而抑制电机转矩脉动,在减少输出电流中的5、7次谐波分量的同时还实现了中点电压的控制,显著优于传统算法。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述,但不应理解为对本专利的保护范围的限定。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专利的保护范围。
Claims (3)
1.谐波与中点电位协同控制的同步过调制算法,其特征在于,包括以下步骤:
S1,根据二极管钳位的三电平逆变器拓扑结构,在一个基波周期内分别进行30次参考电压矢量采样,30个参考电压矢量为U ref1~ U ref30,将所述30个参考电压矢量U ref1~ U ref30的幅值U m与2/3倍直流母线电压U dc求比值得到调制度n;
S2,对于所述30个参考电压矢量U ref1~ U ref30,分别设计4段式矢量合成方式,第一次采样的参考电压矢量u ref1由+-0;+--;+-0;+00四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i a,i c;第二次采样的参考电压矢量u ref2由+00;+-0;+--;0--四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i c;第三次采样的参考电压矢量u ref3由0--;+--;+--;0--四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为i a,0;第四次采样的参考电压矢量u ref4由0--;+--;+0-;+00四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i b;第五次采样的参考电压矢量u ref5由+00;+0-;+--;+0-四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i a,i b;第六次采样的参考电压矢量u ref6由+0-;++-;+0-;00-四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i c,i b;第七次采样的参考电压矢量u ref7由00-;+0-;++-;++0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i b;第八次采样的参考电压矢量u ref8由++0;++-;++-;++0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为i c,0;第九次采样的参考电压矢量u ref9由++0;++-;0+-;00-四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i a;第十次采样的参考电压矢量u ref10由00-;0+-;++-;0+-四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i c,i a;第十一次采样的参考电压矢量u ref11由0+-;-+-;0+-;0+0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i b,i a;第十二次采样的参考电压矢量u ref12由0+0;0+-;-+-;-0-四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i a;第十三次采样的参考电压矢量u ref13由-0-;-+-;-+-;-0-四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为i b,0;第十四次采样的参考电压矢量u ref14由-0-;-+-;-+0;0+0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i c;第十五次采样的参考电压矢量u ref15由0+0;-+0;-+-;-+0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i b,i c;第十六次采样的参考电压矢量u ref16由-+0;-++;-+0;-00四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i a,i c;第十七次采样的参考电压矢量u ref17由-00;-+0;-++;0++四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i c;第十八次采样的参考电压矢量u ref18由0++;-++;-++;0++四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为i a,0;第十九次采样的参考电压矢量u ref19由0++;-++;-0+;-00四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i b;第二十次采样的参考电压矢量u ref20由-00;-0+;-++;-0+四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i a,i b;第二十一次采样的参考电压矢量u ref21由-0+;--+;-0+;00+四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i c,i b;第二十二次采样的参考电压矢量u ref22由00+;-0+;--+;--0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i b;第二十三次采样的参考电压矢量u ref23由--0;--+;--+;--0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为i c,0;第二十四次采样的参考电压矢量u ref24由--0;--+;0-+;00+四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i a;第二十五次采样的参考电压矢量u ref25由00+;0-+;--+;0-+四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i c,i a;第二十六次采样的参考电压矢量u ref26由0-+;+-+;0-+;0-0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i b,i a;第二十七次采样的参考电压矢量u ref27由0-0;0-+;+-+;+0+四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i a;第二十八次采样的参考电压矢量u ref28由+0+;+-+;+-+;+0+四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为i b,0;第二十九次采样的参考电压矢量u ref29由+0+;+-+;+-0;0-0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为0,i c;第三十次采样的参考电压矢量u ref30由0-0;+-0;+-+;+-0四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成;其基本小矢量的中点电流i o1和基本中矢量的中点电流i o2分别为-i b,i c;
其中,所有基本电压矢量表示如下:+表示逆变模块上桥臂1管和2管导通,下桥臂3管和4管关断;0表示上桥臂1管关断、2管导通,下桥臂3管导通、4管关断;-表示上桥臂1管和2管关断,下桥臂3管和4管导通;对于每一相桥臂,+、0、-中任取三个形成的任意一种组合均对应一个基本电压矢量,共3个桥臂形成33=27个基本电压矢量;
S3,根据所述调制度n和所述4段式矢量合成方式,并采用面积等效原理计算基本电压矢量的作用时间的取值范围,所述基本电压矢量的作用时间包括基本小矢量的作用时间A、基本中矢量的作用时间B、基本大矢量的作用时间C;
S4,令ΔU 0表示中点电位,f为中点电位控制介入阈值,根据以下步骤求出基本小矢量的作用时间A、基本中矢量的作用时间B、基本大矢量的作用时间C的最优取值A best、B best、C best;
(1)根据傅立叶分析和5、7次谐波最小原则,可以确定第一组所述基本小矢量的作用时间A、所述基本中矢量的作用时间B和所述基本大矢量的作用时间C的取值A 0、B 0、C 0;
(2)令A=0,得到第二组所述基本小矢量的作用时间A 1、所述基本中矢量的作用时间B 1和所述基本大矢量的作用时间C 1的取值;
(3)令A=max,得到第三组所述基本小矢量的作用时间A 2、所述基本中矢量的作用时间B 2和所述基本大矢量的作用时间C 2的取值;max为A的取值最大值,A的取值最大值为:
其中,A为基本小矢量的作用时间,Δt为采样间隔,n为调制度;
(4)当中点电位属于-f~+f范围内时: 确定第一组所述基本小矢量的作用时间A、所述基本中矢量的作用时间B和所述基本大矢量的作用时间C的第一组取值A 0、B 0、C 0为最优取值A best、B best、C best;
(5)当中点电位不属于-f~+f范围内时:将第二组取值A 1、B 1、C 1和第三组取值A 2、B 2、C 2分别带入中点电位预测方程:
其中,ΔU 0表示中点电位,U dc1为上母线电容电压值,U dc2为下母线电容电压值,i o1为基本小矢量的中点电流,i o2为基本中矢量的中点电流,A为基本小矢量的作用时间,基本中矢量的作用时间B ,F为母线电容,为定子角频率;
将中点电位ΔU 0更接近0的一组令为所述基本小矢量的作用时间A、所述基本中矢量的作用时间B和所述基本大矢量的作用时间C的最优取值A best、B best、C best;
S5,按照所述基本小矢量的作用时间A best、所述基本中矢量的作用时间B best和所述基本大矢量的作用时间C best的最优取值进行4段式矢量合成,并通过调制模块作用于开关器件。
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