本發(fā)明涉及一種電力電子技術(shù)，特別涉及一種共模電壓最小化的空間電壓矢量調(diào)制方法。

背景技術(shù)：

三相電壓型pwm逆變器輸出電壓中包含正序分量、負(fù)序分量(差模電壓)和零序分量(共模電壓)。其中共模電壓的危害性尤為嚴(yán)重，并給逆變器安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)許多問(wèn)題。例如共模電壓在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上感應(yīng)出高幅值的軸電壓，并形成軸電流，破壞轉(zhuǎn)軸絕緣，縮短電動(dòng)機(jī)使用壽命，并且產(chǎn)生的電磁干擾還會(huì)影響控制系統(tǒng)和供電電源正常工作。抑制共模電壓的技術(shù)有：在共模回路中插入共模電感、共模抑制變壓器和共模濾波器；或者改變逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如四橋臂變換器和雙橋變換器。但這些抑制共模電壓的技術(shù)均需增加硬件成本和體積，且不能完全消除共模干擾。通過(guò)優(yōu)化調(diào)制技術(shù)主動(dòng)抑制共模電壓，不需要增加額外的硬件成本，可從源頭上抑制共模電壓。當(dāng)不使用零矢量時(shí)就可抑制共模電壓，但存在開(kāi)關(guān)頻率不固定與輸出電流諧波畸變率大等缺點(diǎn)，共模電壓抑制與開(kāi)關(guān)頻率恒定一直是一個(gè)矛盾的問(wèn)題。

經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，周娟等人在電工技術(shù)學(xué)報(bào)上所發(fā)表的“逆變器簡(jiǎn)化pwm算法及抑制共模電壓策略”和章勇高等人在電力系統(tǒng)保護(hù)與控制上所發(fā)表的“三相逆變器的無(wú)零矢量共模電壓抑制技術(shù)研究”，都介紹了在調(diào)制方法中抑制共模電壓的原理，但這些文獻(xiàn)中介紹的調(diào)制方法只解決了共模電壓抑制的問(wèn)題，并不能得到同傳統(tǒng)svpwm一樣的開(kāi)關(guān)頻率恒定的效果。以三相逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)看，共模電壓帶來(lái)的危害極大，且恒定的開(kāi)關(guān)頻率可以使濾波變得尤其簡(jiǎn)單，所以研究抑制共模電壓的同時(shí)又能保持開(kāi)關(guān)頻率恒定的調(diào)制方法具有重大的理論意義與應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對(duì)現(xiàn)在共模電壓抑制與開(kāi)關(guān)頻率恒定在控制上相互矛盾的問(wèn)題，提出了一種共模電壓最小化的空間電壓矢量調(diào)制方法，其不增加調(diào)制復(fù)雜度，只在傳統(tǒng)svpwm的基礎(chǔ)上做最小的改動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)共模電壓最小化的空間電壓矢量調(diào)制，其保留了傳統(tǒng)svpwm開(kāi)關(guān)頻率恒定的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能將共模電壓限制在直流母線電壓的1/6以內(nèi)，且能減少諧波電流，算法簡(jiǎn)單易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種共模電壓最小化的空間電壓矢量調(diào)制方法，在傳統(tǒng)svpwm控制的基礎(chǔ)上作如下步驟調(diào)整：

1)、在得到三相橋輸出側(cè)的參考電壓矢量α、β分量之后，選取兩個(gè)非零有效矢量來(lái)合成參考電壓矢量，首先判斷參考電壓矢量所在的扇區(qū)，然后所在扇區(qū)相鄰的兩個(gè)非零矢量即為可選的有效矢量；

2)、選取有效矢量之后，固定用兩個(gè)反向的非零矢量v2和v5矢量，等效構(gòu)造零矢量，根據(jù)矢量對(duì)稱分布方法，將兩個(gè)反向非零矢量對(duì)稱插入控制周期的首尾和中間，即在控制周期的首端和尾端插入v2矢量，在控制周期的中間插入v5矢量，控制v2和v5矢量作用的時(shí)間相等，以等效零矢量，開(kāi)關(guān)狀態(tài)的控制應(yīng)遵循開(kāi)關(guān)次數(shù)最少的原則，前半個(gè)周期每個(gè)扇區(qū)中矢量作用的順序如下表：

3)、前半個(gè)周期中4個(gè)矢量v2、vm、vn和v5作用時(shí)間分別為tw/2、tm、tn、tw/2，tm+tn+tw＝ts/2，三角載波周期為ts，vm、vn為所選的非零有效矢量，在αβ坐標(biāo)系中，根據(jù)平行四邊形法則，由4個(gè)矢量可合成參考電壓矢量，(u2α、u2β)、(umα、umβ)、(unα、unβ)、(u5α、u5β)和(uα、uβ)分別為v2、vm、vn、v5和參考電壓矢量的α、β分量，矢量作用時(shí)間計(jì)算公式如下：

4)當(dāng)選取的4個(gè)非零矢量的作用順序和作用時(shí)間都確定后，下面即可與三角載波比較生成開(kāi)關(guān)狀態(tài)，ta、tb、tc分別表示各相上橋臂開(kāi)關(guān)管在ts/2內(nèi)關(guān)斷的時(shí)間，tb^*表示b相上橋臂開(kāi)關(guān)管在ts/2內(nèi)導(dǎo)通的時(shí)間，tb+tb^*＝ts/2，當(dāng)ta、tb^*、tc大于三角載波時(shí)，a、c相上橋臂關(guān)斷，但b相上橋臂開(kāi)通。

所述步驟4)實(shí)現(xiàn)的具體方法：調(diào)制方法在數(shù)字控制器中常用計(jì)數(shù)器的值表示載波，用比較寄存器的值表示調(diào)制信號(hào)，保持計(jì)數(shù)器工作方式不變，僅通過(guò)改變比較寄存器的值ta、tb^*、tc，并將b相上下橋臂的觸發(fā)脈沖信號(hào)互換輸出，即實(shí)現(xiàn)共模電壓最小化的空間電壓矢量調(diào)制，比較寄存器的值ta、tb^*、tc修改后如下表：

其中參數(shù)tx、ty、tz分別為：tx＝tw/2，ty＝tx+tm，tz＝ty+tn。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明共模電壓最小化的空間電壓矢量調(diào)制方法，解決了共模電壓抑制與開(kāi)關(guān)頻率恒定這一矛盾問(wèn)題，即可在保持開(kāi)關(guān)頻率恒定的同時(shí)使共模電壓最小化。本發(fā)明的調(diào)制方法不增加調(diào)制復(fù)雜度，只在傳統(tǒng)svpwm的基礎(chǔ)上做最小的改動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)共模電壓最小化的空間電壓矢量調(diào)制，同時(shí)保留了傳統(tǒng)svpwm開(kāi)關(guān)頻率恒定和輸出電流諧波少的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為扇區(qū)矢量圖；

圖2為傳統(tǒng)svpwm生成開(kāi)關(guān)狀態(tài)圖；

圖3為本發(fā)明生成開(kāi)關(guān)狀態(tài)圖；

圖4為本發(fā)明逆變器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖5為傳統(tǒng)svpwm和本發(fā)明方法下逆變器輸出a相電壓電流的波形對(duì)比圖；

圖6為本發(fā)明逆變器輸出a相電流的頻譜圖；

圖7為傳統(tǒng)svpwm和本發(fā)明方法下逆變器輸出共模電壓波形對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

在兩相靜止坐標(biāo)系中，對(duì)逆變器三相輸出電壓矢量進(jìn)行依次標(biāo)注，如圖1所示扇區(qū)矢量圖，6個(gè)非零矢量剛好對(duì)應(yīng)著正六邊形的6個(gè)頂點(diǎn)，2個(gè)零矢量就分布在正六邊形的中心，并劃分好扇區(qū)。通過(guò)判斷參考電壓矢量所在的扇區(qū)，來(lái)選取2個(gè)非零有效矢量。

傳統(tǒng)svpwm生成開(kāi)關(guān)狀態(tài)的原理如圖2所示。以ⅲ扇區(qū)為例，選擇有效矢量v1和v3。ta、tb、tc分別表示各相上橋臂開(kāi)關(guān)管在ts/2內(nèi)關(guān)斷的時(shí)間，通過(guò)與三角載波比較輸出開(kāi)關(guān)狀態(tài)，三角載波周期為ts。當(dāng)ta、tb、tc大于三角載波函數(shù)時(shí)，各相上橋臂關(guān)斷，否則上橋臂開(kāi)通。在圖2中，將b相開(kāi)關(guān)狀態(tài)高電平向整個(gè)控制周期兩邊平移，低電平向中間平移，其作用時(shí)間均不變，即占空比不變，形狀變化為中間低兩邊高，變換后如圖3所示。

圖3即為共模電壓最小化的空間電壓矢量調(diào)制方法生成開(kāi)關(guān)狀態(tài)原理，tb^*表示b相上橋臂開(kāi)關(guān)管在ts/2內(nèi)導(dǎo)通的時(shí)間(tb^*＝ts/2-tb)。變換后，v1和v3矢量作用順序互換，零矢量v0和v7分別被非零矢量v2和v5矢量替換，同時(shí)v0、v1、v3和v5這4個(gè)矢量作用時(shí)間均不變。這樣v2和v5矢量作用相等時(shí)間與零矢量v0和v7作用相等時(shí)間對(duì)逆變器作用效果相同。因此，傳統(tǒng)svpwm和共模電壓最小化的空間電壓矢量調(diào)制對(duì)逆變器作用效果相同，但后者不需要使用零矢量，可使共模電壓最小化，且依然保留了傳統(tǒng)svpwm開(kāi)關(guān)頻率恒定的優(yōu)點(diǎn)。

共模電壓最小化的空間電壓矢量調(diào)制方法，具體包括如下步驟：

步驟1：在得到逆變器的參考電壓矢量之后，將其變換到兩相靜止坐標(biāo)系下，(uα、uβ)為參考電壓矢量的α、β分量。選取兩個(gè)非零有效矢量來(lái)合成參考電壓矢量，首先需要依據(jù)矢量扇區(qū)圖來(lái)判斷參考電壓矢量所在的扇區(qū)，然后矢量所在扇區(qū)相鄰的兩個(gè)非零矢量即為可選的有效矢量。

步驟2：選取有效矢量之后，與傳統(tǒng)空間電壓矢量調(diào)制方法不同的是，前者會(huì)補(bǔ)充作用兩個(gè)零矢量，即v0和v7矢量。而本發(fā)明提供的調(diào)制方法為了抑制共模電壓，不能使用零矢量，所以固定采用兩個(gè)反向非零矢量，即v2和v5矢量，等效構(gòu)造零矢量，再用v2、v5矢量與兩個(gè)有效矢量去合成參考電壓矢量。將兩個(gè)反向非零矢量對(duì)稱插入控制周期的首尾和中間，即在控制周期的首端和尾端插入v2矢量，在控制周期的中間插入v5矢量，且v2和v5矢量在整個(gè)控制周期作用的時(shí)間相等。由于為了使三相橋六個(gè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率保持恒定，則需要使每個(gè)開(kāi)關(guān)管在一個(gè)控制周期只開(kāi)通一次和關(guān)斷一次，所以對(duì)六個(gè)不同的扇區(qū)，六組不同的有效矢量需要合理的調(diào)整矢量的作用順序，才能使三相橋六個(gè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)波形保持一致。每個(gè)控制周期內(nèi)，矢量在前半個(gè)周期和后半個(gè)周期對(duì)稱分布。開(kāi)關(guān)狀態(tài)的控制應(yīng)遵循開(kāi)關(guān)次數(shù)最少的原則，可確定前半個(gè)周期每個(gè)扇區(qū)中矢量作用的順序如表1：

表1

步驟3：作用順序參考表1，前半個(gè)周期中4個(gè)矢量v2、vm、vn和v5作用時(shí)間分別為tw/2、tm、tn、tw/2(tm+tn+tw＝ts/2)，vm、vn為所選的非零有效矢量。在αβ坐標(biāo)系中，根據(jù)平行四邊形法則，由4個(gè)矢量可合成參考電壓矢量，(u2α、u2β)、(umα、umβ)、(unα、unβ)、(u5α、u5β)和(uα、uβ)分別為v2、vm、vn、v5和參考電壓矢量的α、β分量，矢量作用時(shí)間計(jì)算公式如下：

步驟4：當(dāng)選取的4個(gè)非零矢量作用順序和作用時(shí)間都確定后，下面即可與三角載波比較生成開(kāi)關(guān)狀態(tài)。ta、tb、tc分別表示各相上橋臂開(kāi)關(guān)管在ts/2內(nèi)關(guān)斷的時(shí)間，tb^*表示b相上橋臂開(kāi)關(guān)管在ts/2內(nèi)導(dǎo)通的時(shí)間(tb^*＝ts/2-tb)。當(dāng)ta、tb^*、tc大于三角載波時(shí)，a、c相上橋臂關(guān)斷，但b相上橋臂開(kāi)通。這樣生成b相開(kāi)關(guān)狀態(tài)需要的三角載波信號(hào)與另外兩相相反，即b相的比較值計(jì)數(shù)模塊的計(jì)數(shù)方式應(yīng)與另外兩相相反，這樣在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。本發(fā)明提出可保持脈沖寬度調(diào)制模塊中比較值計(jì)數(shù)模塊的計(jì)數(shù)方式不變，只需通過(guò)調(diào)整其比較值，即不需要改變dsp底層程序中寄存器的值，只需改寫(xiě)子程序，并將b相上下橋臂的觸發(fā)脈沖信號(hào)互換輸出，就可以實(shí)現(xiàn)共模電壓最小化的空間電壓矢量調(diào)制。調(diào)制子程序中的比較值ta、tb^*、tc修改后如表2，

表2

其中參數(shù)tx、ty、tz分別為：tx＝tw/2，ty＝tx+tm，tz＝ty+tn。

系統(tǒng)采用共模電壓最小化的空間電壓矢量調(diào)制方法結(jié)合前饋解耦控制，系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。

圖5為傳統(tǒng)svpwm和本發(fā)明方法下逆變器輸出a相電壓電流的波形對(duì)比圖，圖5(a)為通過(guò)泰克示波器tps2024測(cè)得采用傳統(tǒng)svpwm方法調(diào)制后逆變器輸出a相電壓電流的波形。圖5(b)為通過(guò)本發(fā)明共模電壓最小化的空間電壓矢量調(diào)制方法調(diào)制后逆變器輸出a相電壓電流的波形，從圖5中可得，采用新調(diào)制方法得到的控制效果和采用svpwm得到的控制效果相同，相電流和相電壓的相位差為180°，相電流波形接近正弦。

圖6為逆變器輸出電流頻譜分析圖，可得逆變器輸出電流的諧波畸變率非常小，且高次諧波主要集中在開(kāi)關(guān)頻率及其整數(shù)倍附近，這是因?yàn)楣材ｋ妷鹤钚』目臻g電壓矢量調(diào)制方法具有傳統(tǒng)svpwm開(kāi)關(guān)頻率恒定的優(yōu)點(diǎn)。

圖7為傳統(tǒng)svpwm和本發(fā)明調(diào)制方法下逆變器輸出共模電壓波形對(duì)比圖，逆變器直流側(cè)電壓為150v，由圖7(a)可得共模電壓的峰值為75v，而圖7(b)可得共模電壓的峰值為25v。則可得相比于傳統(tǒng)調(diào)制方法，新調(diào)制方法輸出的共模電壓得到有效抑制，共模電壓被限制在±1/6udc，這正驗(yàn)證了本發(fā)明的調(diào)制方法的正確性和可行性。