一種具有中點(diǎn)電位平衡控制的空間矢量調(diào)制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種空間矢量調(diào)制方法，特別是一種具有中點(diǎn)電位平衡控制的空間矢 量調(diào)制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PffM)是變頻器控制領(lǐng)域中的核心技術(shù)，調(diào)制策略的好壞將直 接影響變頻器的各項(xiàng)性能指標(biāo)?，F(xiàn)有的脈沖寬度調(diào)制技術(shù)大致可以分為兩類：一種是基于 載波比較的調(diào)制策略（CB-PffM)，另一類是基于空間矢量合成的調(diào)制策略（SVM)。兩類調(diào)制 策略各自具有鮮明的優(yōu)缺點(diǎn)，基于載波的調(diào)制技術(shù)算法簡單硬件資源開銷較少，但是其直 流母線電壓利用率較低且交流輸出端電壓畸變率較高；而基于空間矢量的調(diào)制技術(shù)卻擁有 相對較高的直流母線電壓利用率和較低的交流輸出端電壓畸變率，但是其算法復(fù)雜較高硬 件開銷大。隨著微控制芯片制造技術(shù)的發(fā)展，微控制器的運(yùn)算速度與運(yùn)算能力得到了大幅 度的提升同時(shí)制造成本大幅降低，制約空間矢量調(diào)制技術(shù)發(fā)展的高算法復(fù)雜度得到了很好 地解決，因此具有良好性能的空間矢量技術(shù)在變頻器控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003] 在中壓大功率應(yīng)用場合中點(diǎn)電位鉗位型三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種成熟的解決方案， 但是三電平拓?fù)湟灿衅渥陨淼娜毕荩粗悬c(diǎn)電位在變頻器運(yùn)行過程中會出現(xiàn)偏差。這種中 點(diǎn)電位偏差主要包括兩個(gè)部分：第一，穩(wěn)態(tài)情況下的中點(diǎn)電位直流不平衡；第二，暫態(tài)情況 下的中點(diǎn)電位低頻振蕩（三倍于基波頻率）。傳統(tǒng)三電平空間矢量技術(shù)能夠很好的實(shí)現(xiàn)變 頻器輸出電壓控制，但是當(dāng)基于傳統(tǒng)三電平空間矢量調(diào)制技術(shù)控制的三電平逆變器工作在 高調(diào)制度和低功率因數(shù)的工況下，三電平變頻器的中點(diǎn)電位會出現(xiàn)嚴(yán)重的中點(diǎn)電位低頻振 蕩。而且隨著調(diào)制度的增加和功率因數(shù)的降低這種中點(diǎn)電位低頻震蕩會變得更加嚴(yán)重，不 僅會影響變頻器的控制輸出效果嚴(yán)重的甚至還會威脅設(shè)備安全。
[0004] 虛擬空間矢量是一種從傳統(tǒng)空間矢量衍生出來的新型矢量調(diào)制技術(shù)，虛擬空間矢 量很好的解決了中點(diǎn)電位低頻振蕩問題，在全范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了中點(diǎn)電位可控。然而虛擬空間 矢量在每一個(gè)矢量作用時(shí)間內(nèi)都保證平均中點(diǎn)電位為零，當(dāng)中點(diǎn)電位因某種原因產(chǎn)生直流 不平衡時(shí)虛擬空間矢量調(diào)制技術(shù)將無法自行恢復(fù)這種中點(diǎn)電位直流不平衡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是要提供一種具有中點(diǎn)電位平衡控制的空間矢量調(diào)制方法，實(shí)現(xiàn)對 三電平變頻器的輸出脈沖寬度控制和中點(diǎn)電位兩個(gè)方面問題的完全控制。
[0006] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：該方法在傳統(tǒng)虛擬空間矢量的基礎(chǔ)上分別針對虛 擬小矢量和虛擬中矢量的分配系數(shù)引入動(dòng)態(tài)調(diào)整因子，同時(shí)建立中點(diǎn)電位預(yù)測模型；根據(jù) 中點(diǎn)電位的反饋信號，判斷當(dāng)前變頻器運(yùn)行狀態(tài)下是否存在中點(diǎn)電位直流不平衡，然后將 反饋信號和預(yù)測模型的輸出結(jié)果同時(shí)送入價(jià)值判斷函數(shù)，計(jì)算價(jià)值函數(shù)最小的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)因 子；當(dāng)價(jià)值函數(shù)取值最小時(shí)獲得最優(yōu)的虛擬矢量動(dòng)態(tài)調(diào)整因子，修正后的調(diào)整因子用來生 成新的輸出脈沖，實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位的完全控制。
[0007] 在傳統(tǒng)虛擬空間矢量的基礎(chǔ)上分別針對虛擬小矢量和虛擬中矢量的分配系數(shù)引 入動(dòng)態(tài)調(diào)整因子；具體步驟如下：
[0008] 步驟a.在傳統(tǒng)虛擬空間矢量按照矢量的長度分為四類：虛擬零矢量Vvz，虛擬小矢 量Vvsx，虛擬中矢量Vvmx，虛擬大矢量Vvu，其中X = 1，2, 3, 4, 5, 6 ;在虛擬中矢量和虛擬小矢 量中引入分配系數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整因子，式（1)為傳統(tǒng)虛擬空間矢量，式（2)為改進(jìn)型虛擬空間矢 量；
[0011] 式中，KMx，KSxe [-1，1]，vMx，Vbi, 4分別是三電平空間矢量平面中的基本中 矢量、基本大矢量、負(fù)組基本小矢量和正組基本小矢量，VNNN，v_，Vppp三者為三電平空間矢 量平面中的三個(gè)零矢量；改進(jìn)虛擬中矢量將傳統(tǒng)虛擬矢量分割成兩個(gè)部分：第一，基本中 矢量部分；第二，相鄰正負(fù)基本小矢量合成部分；在改進(jìn)型虛擬矢量中無論引入的調(diào)節(jié)因 子如何變化，都不影響最終合成的虛擬空間矢量的相位和幅值；
[0012] 步驟b.根據(jù)邊界條件確定參考電壓矢量所在區(qū)域，所述的區(qū)域包括空間矢量平 面大扇區(qū)和扇區(qū)內(nèi)的三角形區(qū)域；然后選擇構(gòu)成三角形三個(gè)頂點(diǎn)所對應(yīng)的虛擬空間矢量來 合成參考電壓矢量；根據(jù)伏秒平衡原理通過式（3)計(jì)算出被選中的三個(gè)虛擬空間矢量的作 用時(shí)間；
[0014] 步驟c.依據(jù)基于模型預(yù)測的多目標(biāo)優(yōu)化中點(diǎn)電位直流不平衡控制策略，實(shí)時(shí)計(jì) 算出動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)因子K，送入步驟b重新調(diào)整各矢量的時(shí)間分配，消除中點(diǎn)電位直流不平衡。
[0015] 所述的計(jì)算價(jià)值函數(shù)最小的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)因子；具體步驟如下：
[0016] 步驟a.根據(jù)直流側(cè)電路簡化模型建立中點(diǎn)電位離散數(shù)學(xué)模型，根據(jù)基爾霍夫電 流定律流入三電平變頻器中點(diǎn)的電流滿足如下關(guān)系：
[0018] 將式⑷中第1，2式帶入第3式中得到+ 其中vNP= u a-uC2, vNP。 為中點(diǎn)電位初始時(shí)刻偏差值；通常采樣頻率遠(yuǎn)高于工頻時(shí)，用離散求和的方式來代替積分 項(xiàng)，中點(diǎn)電位的離散模型表示為
[0020] 其中，im(k)為第k個(gè)采樣時(shí)刻m相所對應(yīng)的相電流值，tm()(k)為在第k個(gè)采樣周 期內(nèi)m相電流對應(yīng)流入變頻器中點(diǎn)的時(shí)間；獲得中點(diǎn)電位的變化率，以式（6)表示；
[0022] 步驟b.建立目標(biāo)函數(shù)如下
[0024] 其中，λ為權(quán)重因子，·為中點(diǎn)電位理想?yún)⒖贾低ǔ榱悖荒繕?biāo)函數(shù)由兩部分構(gòu) 成：a) [3|^_1^伏+1)]2:為第一部分，當(dāng)?shù)谝徊糠譂M足取值最小時(shí)可以保證在下一個(gè)米樣時(shí)刻 中點(diǎn)電位以最快的速度趨近于給定參考值; b) λ ·νΝΡ〇〇 · AvnpGO2為第二部分，當(dāng)?shù)?二部分取最小值是可以保證直流不平衡恢復(fù)過程最為平穩(wěn)；通過選取不同的調(diào)節(jié)因子可以 在速度和品質(zhì)之間獲得平衡；
[0025] 步驟c.將當(dāng)前時(shí)刻的中點(diǎn)電位值中點(diǎn)電位變化率送入目標(biāo)函數(shù)中，解得使目標(biāo) 函數(shù)獲得最小值時(shí)所對應(yīng)的K值的最優(yōu)解為
[0027] 其中，trt__(k)為K取邊界值時(shí)所對應(yīng)的作用時(shí)間，sgn(*)為符號函數(shù)。
[0028] 有益效果，由于采用了上述方案，三電平鉗位型變頻器中點(diǎn)電位完全控制，就是消 除暫態(tài)不平衡中的低頻振蕩和抑制穩(wěn)態(tài)不平衡中的直流不平衡；在傳統(tǒng)虛擬空間矢量的基 礎(chǔ)上對于組成虛擬空間的固定分配比例做出修改，在虛擬小矢量和虛擬中矢量中引入可以 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)分配比例的調(diào)節(jié)因子，使得改進(jìn)的虛擬空間矢量同時(shí)具備了抑制中點(diǎn)電位低頻振 蕩和直流不平衡的能力。在此基礎(chǔ)上同時(shí)加入了一種基于模型預(yù)測的多目標(biāo)優(yōu)化控制環(huán) 節(jié)，當(dāng)中點(diǎn)電位出現(xiàn)直流不平衡的時(shí)候，多目標(biāo)優(yōu)化策略很好的解決了直流不平衡恢復(fù)過 程中的速度和品質(zhì)的矛盾。因此，是一種具備中點(diǎn)電位完全控制能力的空間矢量調(diào)制方法。 該虛擬空間矢量調(diào)制方法需要對變頻器直流側(cè)上下電容的電壓同步采樣。
[0029] 優(yōu)點(diǎn)：該改進(jìn)型虛擬空間矢量調(diào)制方法能確使得鉗位型三電平變頻器中點(diǎn)電位得 到完全控制，即同時(shí)消除暫態(tài)不平衡中的低頻振蕩和抑制穩(wěn)態(tài)不平衡中的直流不平衡，適 用于各類鉗位型三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變頻器、變流器、逆變器等電力電子電能變化裝置的脈 沖寬度調(diào)制控制。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明三電平基本空間示意圖。
[0031] 圖2為本發(fā)明二電平虛擬空間矢量不意圖。
[0032] 圖2(a)為本發(fā)明全部虛擬空間矢量在整個(gè)空間矢量平面內(nèi)的分布圖。
[0033] 圖2(b)為本發(fā)明部分虛擬空間矢量在空間矢量平面第一扇區(qū)內(nèi)的分布圖以及判 斷參考電壓矢量落點(diǎn)的區(qū)域劃分（第一扇區(qū)內(nèi)）示意圖。
[0034] 圖3基于多目標(biāo)優(yōu)化的改進(jìn)型虛擬空間矢量的三電平變頻器系統(tǒng)框圖。
[0035] 圖4(a)為采用本發(fā)明的改進(jìn)型虛擬空間矢量控制的三電平變頻器中點(diǎn)電位直流 不平衡恢復(fù)過程。
[0036] 圖4(b)為采用本發(fā)明的改進(jìn)型虛擬空間矢量控制的三電平變頻器中點(diǎn)電位直流 不平衡恢復(fù)過程細(xì)節(jié)。
【具體實(shí)施方式】