專利名稱：基于零序電壓沖量周期平衡的電壓空間矢量脈寬調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于零序電壓沖量周期平衡的電壓空間矢量脈寬調(diào)制方法。
二背景技術(shù)：
電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVP麗)技術(shù)因具有直流母線電壓利用率高、輸出差模電
壓的畸變小和便于數(shù)字實現(xiàn)等優(yōu)點，在三相電壓型P麗變換器中得到廣泛應用。三相電壓
型P麗變換器在太陽能、風能、燃料電池等可再生能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及三相交流電機的控
制系統(tǒng)中得到廣泛應用。但它也帶來了許多負面效應，輸出共模電壓就是其中之一。它會
在電動機轉(zhuǎn)軸上感應出軸電壓，并形成軸承電流，使電動機的軸承在短期內(nèi)損壞，縮短電動
機使用壽命；或者引起并網(wǎng)漏電流，影響可再生能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的可靠運行。 目前主要有兩種減小共模電壓負面影響的方法，一是在主電路中增加額外的硬件
電路；二是采取優(yōu)化的調(diào)制技術(shù)。增加硬件電路的方法有在三相P麗變換器的輸出側(cè)增加
濾波電路，或者增加一相橋臂，這增加了系統(tǒng)的成本和控制的復雜性。優(yōu)化P麗技術(shù)，可以
減少輸出的共模電壓，目前的主要方法是在合成目標電壓矢量的過程中，不使用零矢量，而
用三個相鄰的有效電壓矢量代替兩相鄰有效電壓矢量加零矢量的合成方式，盡管這在一定
程度上減小了共模電壓，但是導致變換器輸出差模電壓的波形變差，輸出電流的諧波畸變
率變大。另外，這些方法都是研究高頻共模電壓的抑制，而對于開關(guān)頻率以下頻段的共模電
壓，抑制效果不明顯。
三
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種基于零序電壓沖量周
期平衡的電壓空間矢量脈寬調(diào)制方法，目的是消除開關(guān)頻率以下頻段的共模電壓。 其技術(shù)方案是以直流母線電壓中點為輸出電壓的參考點，在三維坐標系下分析
三相電壓型P麗變換器輸出的八個電壓空間矢量的差模和共模分量；利用6個有效矢量在
平面上的投影來合成期望的差模輸出電壓，利用零矢量來實現(xiàn)對共模電壓的抑制； 零序電壓沖量周期平衡是通過計算兩個相鄰的有效矢量在合成差模電壓的過程
中所形成的零序電壓沖量，然后選擇能夠平衡它的零矢量并計算其作用時間，剩余的時間
由兩個零矢量均分，從而實現(xiàn)一個開關(guān)周期內(nèi)，總的零序電壓沖量平衡，即共模電壓沖量為零。 通過合理地分配零矢量的作用時間，使它們形成的零序電壓沖量與兩個有效電壓 空間矢量形成的零序電壓沖量在一個開關(guān)周期內(nèi)相互抵消，實現(xiàn)零序電壓沖量在一個開關(guān) 周期內(nèi)平衡，使得共模電壓在一個開關(guān)周期內(nèi)總的作用效果為零，從而降低變換器輸出的 共模電壓。 本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明對開關(guān)頻率以下頻段的共模電壓具有良好的抑制作 用，使這些頻段的共模電壓諧波分量幅值接近于0，而且在抑制共模電壓的同時，又沒有影 響到逆變器輸出差模電壓的波形。在調(diào)制算法中實現(xiàn)對共模電壓的抑制，無需提高硬件成
3本?？梢詰糜谌嗵柲?、風能、燃料電池等可再生能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，也可用于三相 變頻器系統(tǒng)，用來削弱共模電壓帶來的危害。
四

附圖1是三相電壓型P麗變換器接三相對稱負載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
附圖2是a |3 Y坐標系下的電壓空間矢量圖；
附圖3是a |3 Y坐標系下矢量合成圖；
附圖4是本發(fā)明的實現(xiàn)流程框圖； 附圖5(al、a2、a3)、 (bl、b2、b3)、 (cl、c2、c3)分別是采用本發(fā)明的SVP麗、傳統(tǒng)的 均分零矢量SVP麗和單一零矢量SVP麗方法的輸出共模電壓和共模電壓頻譜圖。
五具體實施例方式
如圖1所示三相電壓型P麗逆變器交流電機驅(qū)動系統(tǒng)，Sa、 Sb、 Sc分別表示各相 開關(guān)管開關(guān)狀態(tài)，'l'代表上橋臂開關(guān)管導通，'0'代表下橋臂導通，三相功率開關(guān)器件 有8種開關(guān)狀態(tài)000、100、110、010、011、001、101、1111，分別對應8個電壓矢量，V。(000)、 V丄(100) 、 V2 (110) 、 V3(010) 、 v4 (011) 、 V5(001) 、 V6 (101) 、 V7 (111)。選取直流母線電壓的中點 0點為電壓參考點分析電壓空間矢量，以、(110)為例，在abc坐標系下、二 [Va。2 Vb。2 V。。2] =[Vdc/2 Vdc/2 -Vdy2]T，將其變換到a 13 Y坐標系下有:
y2
1 ——
2 1
5
3 6
(1) 同理得到另外7個電壓矢量在a 13 Y坐標系下的分布情況，如圖2所示(圖中坐 標都是Vd。的倍數(shù))。由圖可以看出8個電壓矢量在a |3平面上的投影為其差模電壓分量，
在y軸上的投影為其零序分量，兩個零矢3
模分量

V :
cm "
不同開關(guān)狀態(tài)對應的零序電壓分
,-J^ / 2 狀態(tài)(000)
《/6 狀態(tài)(001， 010， 100) 4/6狀態(tài)(Oll， 101， 110) 4/2狀態(tài)(lll)
由(1)式知零序電壓分量可表示為
:v。和^分別位于y軸的正、負半軸上，沒有差 t為
(2)
(3)
而這正是P麗變換器輸出共模電壓的定義，所以電壓矢量零序分量就是共模電壓
(4)
傳統(tǒng)的SVP麗技術(shù)在二維的a |3平面中進行電壓空間矢量沖量的合成，只關(guān)注差 模電壓的合成效果，對共模電壓并沒有進行考慮，因而共模電壓無法進行有效抑制。零矢量 對于差模電壓沒有貢獻，因而普遍認為零矢量是無效矢量，其作用只是消耗有效矢量剩下 的時間，所以零矢量的選擇和其作用時間的分配沒有額外的約束，有較大的隨意性，目前普 遍采用的是兩種最簡單的方式單一零矢量SVP麗和均分零矢量SVP麗。因沒有考慮零矢 量產(chǎn)生的共模電壓，所以共模電壓問題較突出。 而本發(fā)明恰恰注意到，零矢量雖然對差模電壓沒有作用，但因其全部是零序電壓， 所以對共模電壓有較大作用。合理分配零矢量的作用時間，使其產(chǎn)生的零序電壓沖量與有 效電壓空間矢量產(chǎn)生的零序電壓沖量在一個開關(guān)周期內(nèi)達到平衡，便可以有效抑制開關(guān)頻 率以下頻段的共模電壓。 以圖3為例，在一個P麗周期l內(nèi)，k和、各作用1\、T2時間，按照差模電壓沖量 等效的原則合成目標矢量，表達如下
VrefTs = VJi+VJs (5) 兩邊同除以Ts，得到對應于圖3的占空比形式的合成表達式如式(6)所示
Vref = k^+k^ (6) 在此過程中，k和v2產(chǎn)生的零序電壓沖量分別為-^^7;和^^7;，合成的零序電
壓沖量為(k2-k》Vd。Ts/6。若T一T2〈Ts(即k,k2〈 l)，則剩余的時間須用零矢量來消耗掉。 本發(fā)明考慮到零矢量V。和^在y軸上，只有零序分量，且方向相反，所以在有效矢量作用
剩余的時間內(nèi)，合理地分配兩個零矢量的作用時間，使其產(chǎn)生的零序電壓沖量和與兩個有 效矢量的產(chǎn)生的零序電壓沖量大小相等，方向相反，即在一個p麗周期內(nèi)，實現(xiàn)總的零序電 壓沖量平衡，則可以達到抑制共模電壓的目的。 仍以圖3為例，由前面的討論知，合成V^過程中有效矢量產(chǎn)生的零序電壓沖量為 ，)4 ?？梢耘袛嗳?\>1~2，則產(chǎn)生的零序電壓在y軸的負半軸上，應選取^作為平衡
零矢量，讓^比V。多作用Tph二 (T「T》/3時間；若1\<12，產(chǎn)生的零序電壓在y軸的正半 軸上，應選取V。作為平衡零矢量，讓V。比^多作用1^= (TrT》/3時間。T。中其余的時間
仍由V。和V7均分。在這段多出的時間Tph內(nèi)，零矢量產(chǎn)生的零序電壓沖量大小為i^i.^，
且與有效矢量產(chǎn)生的零序電壓沖量符號相反，相互抵消，實現(xiàn)一個開關(guān)周期內(nèi)零序電壓沖 量平衡。 以下將結(jié)合附圖4對本發(fā)明的具體實現(xiàn)步驟做進一步詳細說明，步驟如下
1、設當前時刻為k，根據(jù)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器計算得到目標矢量V^的兩個參 考電壓分量V。，Ve，其中V^ = Va+jVe ; 2、扇區(qū)判斷根據(jù)參考電壓V。，Ve的關(guān)系，通過扇區(qū)條件的判斷，得出目標矢量所 在的扇區(qū)，據(jù)扇區(qū)選擇使用哪兩個基本矢量作為有效矢量合成； 3、按照(5)式對應的合成矢量輸出表達式，在不同的扇區(qū)內(nèi)分別計算兩有效矢量 的作用時間1\和T2; 4、比較1\與T2的大小，確定選取哪個零矢量作為平衡矢量，判斷如下
5
1~2>1\時，有效矢
量，讓V。比^多作用時間T^ 序電壓沖量； 若丁2<1\，有效矢
v7比v。多作用時間r一 =，，零序電壓沖量仍為-"2—^""，抵消掉有效矢量產(chǎn)生的零序
電壓沖量； 5、飽和計算，保證時間T,L+Tph < Ts，若有超出，各時間段等比例縮放； 6、T。 = i;-H-Tph，然后將此時間均分給兩個零矢量，判斷確定將Tph加入到哪個
零矢量作用階段。 7、將得到的比較時間賦給比較器，與給定三角波比較，得到符合要求的P麗波；
8、轉(zhuǎn)步驟l，進入下一 P麗周期，循環(huán)執(zhí)行。 參照附圖5 :(al、bl、cl)、 (a2、b2、c2)、 (a3、b3、c3)依次是共模電壓波形、全頻段 共模電壓頻譜和開關(guān)頻率以下頻段共模電壓頻譜。由圖中可以看出，均分零矢量SVP麗共 模電壓3次諧波分量幅值約為45 (相對于基準幅值1而言)，5次、7次諧波幅值均在1以 上；單一零矢量SVP麗共模電壓諧波含量最多，平均幅值最大，3次諧波幅值達到120， 5次 諧波幅值約為45，7次、9次、11次等諧波分量幅值都在10以上，臨近開關(guān)頻率段諧波幅值 又逐漸增大到20左右；本發(fā)明公開的SVP麗方法得到的開關(guān)頻率以下頻段的共模電壓諧波 分量幅值全部都在0. 35以下，與上述兩種傳統(tǒng)的SVP麗方法比較，優(yōu)勢極其明顯。
量合成的零序電壓沖量為、2 Al7<fc ，大于0，選取V。做平衡零矢。
=^ ，零序電壓沖量為-①—，)F"，抵消掉有效矢量產(chǎn)生的零
量合成的零序電壓沖量(71 —，)^ <o ，選取v7做平衡零矢量，讓
權(quán)利要求
一種基于零序電壓沖量周期平衡的電壓空間矢量脈寬調(diào)制方法，其特征是以直流母線電壓中點為輸出電壓的參考點，在三維αβγ坐標系下分析三相電壓型PWM變換器輸出的8個電壓空間矢量的差模和共模分量；利用6個有效矢量在αβ平面上的投影來合成期望的差模輸出電壓，利用零矢量來實現(xiàn)對共模電壓的抑制；零序電壓沖量周期平衡是通過計算兩個相鄰的有效矢量在合成差模電壓的過程中所形成的零序電壓沖量，然后選擇能夠平衡它的零矢量并計算其作用時間，剩余的時間由兩個零矢量均分，從而實現(xiàn)一個開關(guān)周期內(nèi)，總的零序電壓沖量平衡，即共模電壓沖量為零。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于零序電壓沖量周期平衡的電壓空間矢量脈寬調(diào)制方法。其技術(shù)方案是以直流母線電壓中點為輸出電壓的參考點，在三維αβγ坐標系下分析三相電壓型PWM變換器輸出的8個電壓空間矢量的差模和共模分量；利用6個有效矢量在αβ平面上的投影來合成期望的差模輸出電壓，利用零矢量來實現(xiàn)對共模電壓的抑制。該方法通過合理地分配零矢量的作用時間，使它們形成的零序電壓沖量與兩個有效電壓空間矢量形成的零序電壓沖量在一個開關(guān)周期內(nèi)相互抵消，實現(xiàn)零序電壓沖量在一個開關(guān)周期內(nèi)平衡，使得共模電壓在一個開關(guān)周期內(nèi)總的作用效果為零，從而降低變換器輸出的共模電壓。
文檔編號H02M7/48GK101783607SQ20101011064
公開日2010年7月21日 申請日期2010年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月9日
發(fā)明者何金奎, 劉星, 李海艦, 許強, 趙仁德, 馬帥 申請人:中國石油大學(華東)