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一种相邻四矢量合成方法、共模电压抑制PWM方法与装置、系统

申请号 CN202410124553.1 申请日 2024-01-29 公开(公告)号 CN117955385A 公开(公告)日 2024-04-30
申请人 中国矿业大学; 发明人 吴翔; 李帅; 张宇阳; 李杰广; 朱季枫; 谭国俊;
摘要 本 发明 公开了一种相邻四矢量合成方法、共模 电压 抑制PWM方法与装置、系统。本发明通过提出相邻四矢量合成规则下的 开关 序列设计方法,对其控制 自由度 进行了分析。通过对开关序列和相邻四矢量作用时间调节因子的优化方法,实现了共模电压伏秒特性和输出谐波性能的逐层优化。本发明能够实现共模电压峰值限制和伏秒特性的优化,并在此 基础 上充分利用控制自由度实现了输出谐波性能的优化。
权利要求

1.一种相邻四矢量合成方法,其特征在于,所述方法适用于空间电压矢量脉宽调制技术,所述方法包括:
步骤S100:在同一个扇区,选取三个等腰梯形的顶点对应的四矢量;
步骤S110:参考电压矢量存在于被两个有效电压矢量包含的三形扇区之内,三角形被三个由四个矢量围成的等腰梯形所包围;
步骤S120:设置距离参考电压矢量最近的两个有效电压矢量为主电压矢量,根据选取的另外两个有效电压矢量的角度与主电压矢量的关系,定义四边形电压矢量组合;所述四边形电压矢量组合包括超前四矢量组合,滞后四矢量组合和正四矢量组合;
步骤S130:利用采样周期内等腰梯形的顶点所对应的四个有效电压矢量及四个有效电压矢量的作用时间,得出参考电压矢量等效合成公式;
步骤S140:对超前四边形电压矢量组合、正四边形电压矢量组合及滞后四边形电压矢量组合的三种合成方式,采用等效合成公式进行参考电压矢量的合成。
2.根据权利要求1所述的一种相邻四矢量合成方法,其特征在于,当参考电压矢量处于由四个非零矢量V1,V2,V3与V4所围成的等腰梯形中时,所述参考电压矢量等效合成公式为:
式中,V1,V2,V3,V4分别为选定的四个有效电压矢量,t1',t2',t3',t4'分别为选定的四个有效电压矢量的作用时间,Tc为采样周期,式中V1,V2,V3,V4分别与t1',t2',t3',t4'满足:0≤tj'≤Tc,j=1,2,3,4。
3.一种基于相邻四矢量的逆变器共模电压抑制PWM方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
步骤S200:采用权利要求1‑2任一所述的相邻四矢量合成方法对参考电压矢量进行相邻四矢量合成,得出三种合成方式的合成参考电压矢量;
步骤S210:根据四矢量电压组合得出符合脉宽调制合成规则的开关序列,并计算出三种合成方式的合成参考电压矢量的有效电压矢量作用时间;
步骤S220:根据参考电压矢量扇区位置、逆变器直流母线电压值以及合成参考电压矢量的有效电压矢量作用时间,建立以共模电压伏秒特性最小化为目标的有约束数学规则模型;
步骤S230:对建立的有约束数学规则模型求取最优解,并进行数值分析,获取伏秒特性幅值最小的两种合成方式所对应的优化开关序列以及优化作用时间;
步骤S240:对获取伏秒特性幅值最小的两种合成方式所对应的优化开关序列,分别对优化开关序列的磁链纹波进行计算,并筛选出磁链纹波最小的开关序列,以实现输出谐波性能的优化。
4.根据权利要求3所述的基于相邻四矢量的逆变器共模电压抑制PWM方法,其特征在于,所述计算出三种合成方式中合成参考电压矢量的有效电压矢量作用时间,包括:
通过计算处于最近三矢量合成时两个有效电压矢量作用时间和零矢量作用时间,获取电压矢量的作用时间的约束方程;
计算四矢量电压组合的伏秒特性,并联立电压矢量的作用时间的约束方程,得出有效电压矢量作用时间的方程组;
通过求解有效电压矢量作用时间方程组,分别计算出超前四边形电压矢量组合、正四边形电压矢量组合及滞后四边形电压矢量组合的带有时间调节因子的作用时间。
5.根据权利要求4所述的基于相邻四矢量的逆变器共模电压抑制PWM方法,其特征在于,所述电压矢量的作用时间的约束方程为:
式中t0,t1,t2分别为最近三矢量合成规则下零矢量V0和有效电压矢量V1,V2的作用时间,Vdref、Vqref分别为Vref在d轴和q轴上的电压分量,Vd1、Vq1分别为V1在d轴和q轴上的电压分量,Vd2、Vq2分别为V2在d轴和q轴上的电压分量,Tc为采样周期。
6.根据权利要求5所述的基于相邻四矢量的逆变器共模电压抑制PWM方法,其特征在于,所述建立以共模电压伏秒特性最小化为目标的有约束数学规则模型为:
其中,t0,t1,t2为t0,t1,t2分别为最近三矢量合成规则下零矢量V0和有效电压矢量。V1,V2的作用时间。
7.根据权利要求6所述的基于相邻四矢量的逆变器共模电压抑制PWM方法,其特征在于,通过有约束数学规则模型取最优解可获得合成方式下最优的时间调节因子Δt,三种合成方式的时间调节因子为:
超前四边形电压矢量组合:
正四边形电压矢量组合:
滞后四边形电压矢量组合:
其中,min(Vs_CMV)代表对括号中的共模电压伏秒特性量在其各自的Δt的取值范围中取较小值。
8.根据权利要求6所述的一种基于相邻四矢量的逆变器共模电压抑制PWM方法,其特征在于,所述磁链纹波进行计算公式为:
式中,δ为占空比,λhn为一个载波周期内磁链纹波标幺的均方根值,λhn为磁链纹波的标幺值,λhn可按照下式计算:
式中N为非负整数,Vkh为误差矢量。
9.一种基于相邻四矢量的逆变器共模电压抑制PWM装置,其特征在于,所述装置包括:
合成参考电压矢量模,用于采用权利要求1‑2任一所述的相邻四矢量合成方法对参考电压矢量进行相邻四矢量合成,得出三种合成方式的合成参考电压矢量;
有效电压矢量作用时间计算模块,用于根据四矢量电压组合得出符合脉宽调制合成规则的开关序列,并计算出三种合成方式的合成参考电压矢量的有效电压矢量作用时间;
有约束数学规则模型模块,用于根据参考电压矢量扇区位置、逆变器直流母线电压值以及合成参考电压矢量的有效电压矢量作用时间,建立以共模电压伏秒特性最小化为目标的有约束数学规则模型;
优化开关序列以及优化作用时间获取模块,用于对建立的有约束数学规则模型求取最优解,并进行数值分析,获取伏秒特性幅值最小的两种合成方式所对应的优化开关序列以及优化作用时间;
磁链纹波优化模块,用于对共模电压伏秒特性优化模块输出的优化开关序列的磁链纹波进行计算,筛选出磁链纹波最小的开关序列。
10.一种氮化镓逆变器控制系统,其特征在于,所述系统包括:权利要求9所述的基于相邻四矢量的逆变器共模电压抑制PWM装置,驱动电路模块,带有共模扼流圈的氮化镓逆变器模块及负载模块;基于相邻四矢量的逆变器共模电压抑制PWM装置在数字信号处理器中计算,得出最优开关序列并将此开关序列通过驱动电路模块,输入带有共模扼流圈的氮化镓逆变器模块中,以达到控制负载模块的目的。

说明书全文

一种相邻四矢量合成方法、共模电压抑制PWM方法与装置、

系统

技术领域

[0001] 本发明属于电电子控制领域,尤其涉及一种相邻四矢量合成方法、共模电压抑制PWM方法与装置、系统。

背景技术

[0002] 随着电力电子器件开关速度与开关频率的提高,两电平电压源型逆变器产生的共模电压造成了一些不可忽视的负面效应。在光伏发电领域,高频共模电压产生的漏电流会引起并网电流畸变,甚至引起安全问题;在交流电机调速领域,共模电压在电机端引发的高频轴电压与轴电流减少了电机的使用寿命;共模电压还是共模电磁干扰的源头,对周围设备的可靠运行造成一定影响。采取硬件改进的方法能够有效减小共模电压带来的负面效应,但增加了系统成本与体积,并会产生额外的损耗。共模电流可以通过加装共模扼流圈进行削弱,但是通过对现有脉宽调制策略的共模电压伏秒特性进行分析,现有方法很容易造成共模扼流圈的发热和饱和,这对抑制共模电流来说极为不利。针对此问题,通过优化功率开关器件的控制方式,可以较低成本缓解共模电压引发的负面效应。
[0003] 传统脉宽调制策略主要采用最近三矢量合成规则,即选取距离参考矢量最近的三个基本矢量完成参考矢量的伏秒等效合成。最近三矢量合成规则的出发点在于电流纹波、定子磁链纹波与转矩脉动的优化,有效解决了Si基变频器数十kHz以下开关频率运行的主要矛盾,但在共模电压效应抑制方面的性能有所欠缺。随着GaN开关速度的和开关频率的提高,开关频率最高达到数MHz,系统的主要矛盾以转移到突出的共模电压效应问题,最近三矢量合成规则的适应性因而降低。近年来,一些有别于最近三矢量的新型开关序列也逐渐得到发展,然而,新型开关序列对应的电压矢量合成规则的基础理论还未构建,新型开关序列的物理意义有待进一步研究。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供相邻四矢量合成方法、共模电压抑制PWM方法与装置、系统。本发明提出了相邻四矢量合成规则下的开关序列设计方法,解决了最近三矢量合成规则在共模电压抑制目标下控制自由度缺失的问题。
[0005] 本发明按以下技术方案实现:
[0006] 第一方面,本发明提供了一种相邻四矢量合成方法,所述方法适用于空间电压矢量脉宽调制技术,所述方法包括:
[0007] 步骤S100:在同一个扇区,选取三个等腰梯形的顶点对应的四矢量;
[0008] 步骤S110:参考电压矢量存在于被两个有效电压矢量包含的三形扇区之内,三角形被三个由四个矢量围成的等腰梯形所包围;
[0009] 步骤S120:设置距离参考电压矢量最近的两个有效电压矢量为主电压矢量[0010] 根据选取的另外两个有效电压矢量的角度与主电压矢量的关系,定义四边形电压矢量组合;所述四边形电压矢量组合包括超前四矢量组合,滞后四矢量组合和正四矢量组合;
[0011] 步骤S130:利用采样周期内等腰梯形的顶点所对应的四个有效电压矢量及四个有效电压矢量的作用时间,得出参考电压矢量等效合成公式;
[0012] 步骤S140:对超前四边形电压矢量组合、正四边形电压矢量组合及滞后四边形电压矢量组合的三种合成方式,采用等效合成公式进行参考电压矢量的合成。
[0013] 在一种实施方式中,当参考电压矢量处于由四个非零矢量V1,V2,V3与V4所围成的等腰梯形中时,所述参考电压矢量等效合成公式为:
[0014]
[0015] 式中,V1,V2,V3,V4分别为选定的四个有效电压矢量,t1',t2',t3',t4'分别为选定的四个有效电压矢量的作用时间,Tc为采样周期,式中V1,V2,V3,V4分别与t1',t2',t3',t4'满足:0≤tj'≤Tc,j=1,2,3,4。
[0016] 第二方面,本发明提供了一种基于相邻四矢量的逆变器共模电压抑制PWM方法,所述方法包括以下步骤:
[0017] 步骤S200:采用上述的相邻四矢量合成方法对参考电压矢量进行相邻四矢量合成,得出三种合成方式的合成参考电压矢量;
[0018] 步骤S210:根据四矢量电压组合得出符合脉宽调制合成规则的开关序列,并计算出三种合成方式的合成参考电压矢量的有效电压矢量作用时间;
[0019] 步骤S220:根据参考电压矢量扇区位置、逆变器直流母线电压值以及合成参考电压矢量的有效电压矢量作用时间,建立以共模电压伏秒特性最小化为目标的有约束数学规则模型;
[0020] 步骤S230:对建立的有约束数学规则模型求取最优解,并进行数值分析,获取伏秒特性幅值最小的两种合成方式所对应的优化开关序列以及优化作用时间;
[0021] 步骤S240:对获取伏秒特性幅值最小的两种合成方式所对应的优化开关序列,分别对优化开关序列的磁链纹波进行计算,并筛选出磁链纹波最小的开关序列,以实现输出谐波性能的优化。
[0022] 在一种实施方式中,所述计算出三种合成方式中合成参考电压矢量的有效电压矢量作用时间,包括:
[0023] 通过计算处于最近三矢量合成时两个有效电压矢量作用时间和零矢量作用时间,获取电压矢量的作用时间的约束方程;
[0024] 计算四矢量电压组合的伏秒特性,并联立电压矢量的作用时间的约束方程,得出有效电压矢量作用时间的方程组;
[0025] 通过求解有效电压矢量作用时间方程组,分别计算出超前四边形电压矢量组合、正四边形电压矢量组合及滞后四边形电压矢量组合的带有时间调节因子的作用时间。
[0026] 在一种实施方式中,所述计电压矢量的作用时间的约束方程为:
[0027]
[0028]
[0029] 式中t0,t1,t2分别为最近三矢量合成规则下零矢量V0和有效电压矢量V1,V2的作用时间,Vdref、Vqref分别为Vref在d轴和q轴上的电压分量,Vd1、Vq1分别为V1在d轴和q轴上的电压分量,Vd2、Vq2分别为V2在d轴和q轴上的电压分量,Tc为采样周期。
[0030] 在一种实施方式中,所述建立以共模电压伏秒特性最小化为目标的有约束数学规则模型为:
[0031]
[0032] 其中,t0,t1,t2分别为最近三矢量合成规则下零矢量V0和有效电压矢量V1,V2的作用时间。
[0033] 在一种实施方式中,通过有约束数学规则模型求取最优解可获得合成方式下最优的时间调节因子Δt,三种合成方式的时间调节因子为:
[0034] 超前四边形电压矢量组合:
[0035] 正四边形电压矢量组合:
[0036] 滞后四边形电压矢量组合:
[0037] 其中,min(Vs_CMV)代表对括号中的共模电压伏秒特性量在其各自的Δt的取值范围中取较小值。
[0038] 在一种实施方式中,所述磁链纹波进行计算公式为:
[0039]
[0040] 式中,δ为占空比,λhn为一个载波周期内磁链纹波标幺的均方根值,λhn为磁链纹波的标幺值,λhn可按照下式计算:
[0041]
[0042] 式中N为非负整数,Vkh为误差矢量。
[0043] 第三方面,本发明提供了一种基于相邻四矢量的逆变器共模电压抑制PWM装置,所述装置包括:
[0044] 合成参考电压矢量模,用于采用权利要求1‑2任一所述的相邻四矢量合成方法对参考电压矢量进行相邻四矢量合成,得出三种合成方式的合成参考电压矢量;
[0045] 有效电压矢量作用时间计算模块,用于根据四矢量电压组合得出符合脉宽调制合成规则的开关序列,并计算出三种合成方式的合成参考电压矢量的有效电压矢量作用时间;
[0046] 有约束数学规划模型模块,用于根据参考电压矢量扇区位置、逆变器直流母线电压值以及合成参考电压矢量的有效电压矢量作用时间,建立以共模电压伏秒特性最小化为目标的有约束数学规则模型;
[0047] 优化开关序列以及优化作用时间获取模块,用于对建立的有约束数学规则模型求取最优解,并进行数值分析,获取伏秒特性幅值最小的两种合成方式所对应的优化开关序列以及优化作用时间;
[0048] 磁链纹波优化模块,用于对共模电压伏秒特性优化模块输出的优化开关序列的电流纹波进行计算,筛选出磁链纹波最小的开关序列。
[0049] 第三方面,本发明提供了一种氮化镓逆变器控制系统,所述系统包括:权利要求9所述的基于相邻四矢量的逆变器共模电压抑制PWM装置,驱动电路模块,带有共模扼流圈的氮化镓逆变器模块及负载模块;基于相邻四矢量的逆变器共模电压抑制PWM装置在数字信号处理器中计算,得出最优开关序列并将此开关序列通过驱动电路模块,输入带有共模扼流圈的氮化镓逆变器模块中,以达到控制负载模块的目的。
[0050] 本发明有益效果:
[0051] 本发明提出相邻四矢量合成规则下的开关序列设计方法,对其控制自由度进行了分析。给出了开关序列和相邻四矢量作用时间调节因子的优化方法,实现了共模电压伏秒特性和输出谐波性能的逐层优化。本发明所提出方法能够实现共模电压峰值限制和伏秒特性的优化,并在此基础上充分利用控制自由度实现了输出谐波性能的优化。附图说明
[0052] 附图作为本发明的一部分,用来提供对本发明的进一步的理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,但不构成对本发明的不当限定。显然,下面描述中的附图仅仅是一些实施例,对于本领域普通技术人员来说,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附图。
[0053] 图1为本发明一实施例提供的一种相邻四矢量合成方法流程图
[0054] 图2为本发明一实施例提供的参考电压矢量位于第一扇区时四矢量组合在静止坐标系下的分布图,其中图(a)为超前四边形电压矢量组合,图(b)为正四边形电压矢量组合图,(c)为滞后四边形电压矢量组合;
[0055] 图3为本发明一实施例提供的一种基于相邻四矢量的逆变器共模电压抑制PWM方法流程图;
[0056] 图4为本发明一实施例提供的为第一扇区相邻四矢量合成规则下的开关序列图;其中图(a)为超前四边形电压矢量组合开关序列(1),图(b)为超前四边形电压矢量组合开关序列(2),图(c)为正四边形电压矢量组合开关序列(1),图(d)为正四边形电压矢量组合开关序列(2),图(e)为滞后四边形电压矢量组合开关序列(1),图(f)为滞后四边形电压矢量组合开关序列(2);
[0057] 图5为本发明一实施例提供的三种不同的合成方式下共模电压伏秒特性幅值最小值分析图,其中图(a)中调制度为0.6(m=0.6),图(b)中调制度为1.1(m=1.1);
[0058] 图6为本发明一实施例提供的以调制度为0.8为例绘制出不同开关序列下λhn曲线图;
[0059] 图7为本发明一实施例提供的一种基于相邻四矢量的逆变器共模电压抑制PWM装置结构示意图;
[0060] 图8为本发明一实施例提供的一种氮化镓逆变器控制系统结构示意图;
[0061] 图9为本发明一实施例提供的采用含有本发明的四种脉宽调制方法使用氮化镓逆变器在不同调制度下阻感负载的共模电压伏秒特性曲线图;其中图(a)为调制度为0.3时(m=0.3),图(b)为调制度为0.7时(m=0.7),图(c)为调制度为1.15时(m=1.15);
[0062] 图10为本发明一实施例提供的采用含有本发明的四种脉宽调制方法使用氮化镓逆变器控制阻感负载为谐波畸变因子仿真对比图;其中图(a)为调制度为0.7(m=0.7)情况下四种PWM方法对于不同角度的电压矢量的磁链纹波对比曲线图(b)为在不同调制度(m从小到大)情况下,三种PWM方法谐波畸变因子对比图;
[0063] 图11为本发明一实施例提供的本发明在调制度为0.3下使用氮化镓逆变器控制阻感负载的共模电压图;其中图(a)为空间矢量脉宽调制方法(SVPWM)下的实验图,图(b)为有效零矢量脉宽调制方法(AZSPWM)下的实验图,图(c)为在零序电压注入的共模电压抑制脉宽调制方法(AOZSVI—CMVRPWM)下的实验图,图(d)为本文的相邻四矢量脉宽调制方法(A4V—CMVRPWM)下的实验图;
[0064] 图12为本发明一实施例提供的本发明在调制度为0.7下使用氮化镓逆变器控制阻感负载的共模电压图;其中图(a)为空间矢量脉宽调制方法(SVPWM)下的实验图,图(b)为有效零矢量脉宽调制方法(AZSPWM)下的实验图,图(c)为在零序电压注入的共模电压抑制脉宽调制方法(AOZSVI—CMVRPWM)下的实验图,图(d)为本文的相邻四矢量脉宽调制方法(A4V—CMVRPWM)下的实验图;
[0065] 图13为本发明一实施例提供的本发明在调制度为1.15下使用氮化镓逆变器控制阻感负载的共模电压图。其中图(a)为空间矢量脉宽调制方法(SVPWM)下的实验图,图(b)为有效零矢量脉宽调制方法(AZSPWM)下的实验图,图(c)为在零序电压注入的共模电压抑制脉宽调制方法(AOZSVI—CMVRPWM)下的实验图,图(d)为本文的相邻四矢量脉宽调制方法(A4V—CMVRPWM)下的实验图。
[0066] 需要说明的是,这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围,而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

[0067] 下面详细描述本发明的实施方式,所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。
[0068] 应当明确,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
[0069] 下面结合附图详细说明本公开的可选实施例。
[0070] 如图1所示,本公开实施例提供了一种相邻四矢量合成方法,该方法具体步骤包括:
[0071] 步骤S100:在同一个扇区,选取三个等腰梯形的顶点对应的四矢量。
[0072] 步骤S110:参考电压矢量存在于被两个有效电压矢量包含的三角形扇区之内,三角形被三个由四个矢量围成的等腰梯形所包围。
[0073] 具体的,每个扇区都能被三个等腰梯形包含,以参考电压矢量位于第一扇区为例,如图2所示,根据图中的排列方式,可以写出所有六个扇区的所有备选电压组合。如表1所示为电压矢量所在扇区能够选择的四矢量组合表。
[0074] 表1
[0075]
[0076]
[0077] 其中θ为参考电压矢量与V1的夹角。
[0078] 步骤S120:设置距离参考电压矢量最近的两个有效电压矢量为主电压矢量,根据选取的另外两个有效电压矢量的角度与主电压矢量的关系,定义四边形电压矢量组合;所述四边形电压矢量组合包括超前四矢量组合,滞后四矢量组合和正四矢量组合。
[0079] 具体的,距离参考电压矢量最近的两个有效电压矢量为主电压矢量根据选取的另外两个有效电压矢量的角度与主电压矢量的关系,定义三种四边形电压矢量组合,若选取的另外两个电压矢量均超前于主电压矢量,则定义该四矢量电压组合为超前四边形电压矢量组合;若选取的另外两个电压矢量均滞后于主电压矢量,则定义该四矢量电压组合为滞后四边形电压矢量组合,若选取的另外两个电压矢量一个超前于主电压矢量,一个滞后于主电压矢量,则定义该四矢量电压组合为正四边形电压矢量组合。
[0080] 以参考电压矢量处于第一扇区为例(θ处于0度到60度之间时),其能够选择的四矢量电压组合为1.V1,V2,V3,V4 2.V6,V1,V2,V3 3.V5,V6,V1,V2,定义第一种电压矢量组合为超前四边形电压矢量组合,第二种电压矢量组合为正四边形电压矢量组合,第三种为滞后四边形电压矢量组合。
[0081] 步骤S130:利用采样周期内等腰梯形的顶点所对应的四个有效电压矢量及四个有效电压矢量的作用时间,得出参考电压矢量等效合成公式。
[0082] 以图2所示等腰梯形所示,当参考电压矢量处于由四个非零矢量V1,V2,V3与V4所围成的等腰梯形中时,则参考电压矢量可以由V1,V2,V3与V4按照下式进行等效合成。
[0083]
[0084] 式中,V1,V2,V3,V4分别为选定的四个有效电压矢量,t1',t2',t3',t4'分别为选定的四个有效电压矢量的作用时间,Tc为采样周期。式中V1,V2,V3,V4分别与t1',t2',t3',t4'满足下式:
[0085] 0≤tj'≤Tc,j=1,2,3,4                      (2)
[0086] 下面给出针对参考扇区对相邻四矢量合成规则的科学性和参考性进行证明。
[0087] 情况一:当参考电压矢量处于第一扇区内
[0088] 根据四边形定则可知:
[0089]
[0090] 将(3)式代入等效合成公式(1),可得下式:
[0091]
[0092] 给出参考电压矢量在第一扇区时最近三矢量合成参考矢量的计算式如下:
[0093]
[0094] 其中,t0,t1,t2分别为零矢量及两个有效电压矢量在最近三矢量方法下的矢量作用时间。
[0095] 联立式(4)与式(5)可得下式:
[0096]
[0097] 考察式(6),只需满足下式则可同时满足式(1),、式(2),则可证明参考电压处于第一扇区的情况下最近四矢量合成规则的有效性。
[0098] 0≤Δt≤min(t0,t2)                       (7)
[0099] 式中,Δt定义为相邻四矢量作用时间调节因子。
[0100] 情况二:当参考电压矢量处于第二扇区内
[0101] 给出当参考电压矢量处于第二扇区内最近三矢量合成参考矢量的计算式如下:
[0102]
[0103] 式中t0,t2,t3分别为最近三矢量合成规则下零矢量,V2和V3的作用时间。
[0104] 根据四边形定则,可得:
[0105]
[0106] 联立式(1)与式(9)可得下式:
[0107]
[0108] 将式(9)代入式(10)并联立式(8)进行计算可得下式中的相邻四矢量合成规则解为:
[0109]
[0110] 考察式(11),只需满足下式则可使式(1)和式(2)同时成立,则可证明参考电压处于第二扇区的情况下最近四矢量合成规则的有效性。
[0111]
[0112] 情况三:当参考电压矢量处于第三扇区内
[0113] 给出当参考电压矢量处于第三扇区内最近三矢量合成参考矢量的计算式如下:
[0114]
[0115] 式中t0,t3,t4分别为最近三矢量合成规则下零矢量,V3,V4的作用时间。
[0116] 根据四边形定则可得:
[0117]
[0118] 将式(14)代入式(1)并联立式(13)可得下式,可得式中相邻四矢量合成规则解为:
[0119]
[0120] 考察式(15),只需满足下式则可使式(1)和式(2)同时成立,使得参考电压处于第三扇区的情况下最近四矢量合成规则的有效性得证。
[0121] 0≤Δt≤min(t0,t3)              (16)至此相邻四矢量合成规则的科学性和正确性得到有效证明。
[0122] 步骤S140:对超前四边形电压矢量组合、正四边形电压矢量组合及滞后四边形电压矢量组合的三种合成方式,采用等效合成公式进行参考电压矢量的合成。
[0123] 如图3所示,本公开实施例提供了一种基于相邻四矢量的逆变器共模电压抑制PWM方法,该方法包括以下步骤:
[0124] 步骤S200:采用上述的相邻四矢量合成方法对参考电压矢量进行相邻四矢量合成,得出三种合成方式的合成参考电压矢量。
[0125] 步骤S210:根据四矢量电压组合得出符合脉宽调制合成规则的开关序列,并计算出三种合成方式的合成参考电压矢量的有效电压矢量作用时间。
[0126] 以第一扇区为例,不难得出对于一组四矢量(以超前四边形电压矢量组合为例)存在两种(正向(V1,V2,V3,V4),反向(V4,V3,V2,V1))开关序列,其能够选择的四矢量电压组合为1.V1,V2,V3,V4 2.V6,V1,V2,V3 3.V5,V6,V1,V2,并且定义第一种电压矢量组合为超前四边形电压矢量组合。第二种电压矢量组合为正四边形电压矢量组合,第三种为滞后四边形电压矢量组合,对于一个扇区的参考电压矢量存在六组不同的符合脉宽调制合成规则的开关序列,其在第一扇区相邻四矢量合成规则下的开关序列图如图4所示。
[0127] 在本申请实施例中,计算出三种合成方式中合成参考电压矢量的有效电压矢量作用时间,包括:
[0128] 步骤S211:通过计算最近处于三矢量合成时两个有效电压矢量作用时间和零矢量作用时间,获取电压矢量的作用时间的约束方程。
[0129] 具体的,计算处于三矢量合成时两个有效电压(V1,V2)矢量作用时间(t1,t2)和零矢量(V0)作用时间(t0)。其计算方程如下:
[0130]
[0131]
[0132] 式中,t0、t1、t2分别为最近三矢量合成规则下零矢量V0和有效电压矢量V1、V2的作用时间。Vdre、Vqref分别为Vref在d轴和q轴上的电压分量,Vd1、Vq1分别为V1在d轴和q轴上的电压分量,Vd2、Vq2分别为V2在d轴和q轴上的电压分量,Tc为采样周期。
[0133] 步骤S212:计算四矢量电压组合的伏秒特性,并联立电压矢量的作用时间的约束方程,得出有效电压矢量作用时间的方程组。
[0134] 步骤S213:通过求解有效电压矢量作用时间方程组,分别计算出超前四边形电压矢量组合、正四边形电压矢量组合及滞后四边形电压矢量组合的带有时间调节因子的作用时间。
[0135] 对于超前四边形电压矢量组合(V1,V2,V3,V4),其伏秒特性如下所示:
[0136]
[0137] 式中,t1',t2',t3',t4'分别为在超前四边形电压矢量组合选定的四个有效电压矢量V1,V2,V3,V4在作用时间。
[0138] 联立VrefTc=V1t1+V2t2可得:
[0139]
[0140] 对于电压矢量的作用时间的约束方程有三个,需要计算的电压矢量作用时间有四个,所以存在一个时间调节因子Δt使得上述方程成立,此种方法对于正四边形电压矢量组合,滞后四边形电压矢量组合也能适用。
[0141] 对于正四边形电压矢量组合(V6,V1,V2,V3),其伏秒特性如下所示:
[0142] 联立VrefTc=V1t1+V2t2可得:
[0143]
[0144] 式中,t1',t2',t3',t6'分别为在正四边形电压矢量组合选定的四个有效电压矢量V1,V2,V3,V6的作用时间。
[0145] 对于滞后四边形电压矢量组合(V5,V6,V1,V2),其伏秒特性如下所示:
[0146]
[0147] 联立VrefTc=V1t1+V2t2可得:
[0148]
[0149] 式中,t1',t2',t5',t6'分别为在滞后四边形电压矢量组合选定的四个有效电压矢量V1,V2,V5,V6的作用时间。
[0150] 步骤S220:根据参考电压矢量扇区位置、逆变器直流母线电压值以及合成参考电压矢量的有效电压矢量作用时间,建立以共模电压伏秒特性最小化为目标的有约束数学规化模型。
[0151] 不失一般性,当参考电压矢量处于第一扇区,超前四边形电压矢量组合(V1,V2,V3,V4)共模电压伏秒特性如下所示:
[0152]
[0153] 联立式(20)超前四边形电压矢量组合中各个电压矢量作用时间的关系,其简化模型如下:
[0154]
[0155] 正四边形电压矢量组合(V6,V1,V2,V3)共模电压伏秒特性如下所示:
[0156]
[0157] 联立式(22)中正四边形电压矢量组中各个电压矢量作用时间的关系:其简化模型如下:
[0158]
[0159] 滞后四边形电压矢量组合(V5,V6,V1,V2)共模电压伏秒特性如下所示:
[0160]
[0161] 联立式(24)中滞后四边形电压矢量组合中各个电压矢量作用时间的关系:其简化模型如下:
[0162]
[0163] 建立以共模电压伏秒特性最小化为目标的有约束数学规化模型为:
[0164]
[0165] 其中,t0,t1,t2为t0,t1,t2分别为最近三矢量合成规则下零矢量V0和有效电压矢量。V1,V2的作用时间。
[0166] 步骤S230:对建立的有约束数学规划模型求取最优解,并进行数值分析,获取伏秒特性幅值最小的两种合成方式所对应的优化开关序列以及优化作用时间。
[0167] 通过对式(31)所建立的有约束数学规划模型求取最优解可获得按照图2(a)中所示合成方式下最优的时间调节因子Δt如下所示:
[0168] 超前四边形电压矢量组合:
[0169] 正四边形电压矢量组合:
[0170] 滞后四边形电压矢量组合:
[0171] min(Vs_CMV)代表对括号中的共模电压伏秒特性量在其各自的Δt的取值范围中取较小值。
[0172] 三种不同的合成方式下共模电压伏秒特性幅值最小值分析图如图5所示。其中Type1、2、3分别对应图2(a)、(b)和(c)中的合成方式。
[0173] 分析图5不难得出,在调制度为0.6的情况下在θ处于0‑30度范围内时,图2(b)和(c)中的合成方式对应的共模电压伏秒幅值的最小值接近于0,其共模电压伏秒特性优于图2(a)中的合成方式。在θ处于30到60度范围内时,图2(a)和(b)中的合成方式对应的共模电压伏秒幅值的最小值接近于0,其共模电压伏秒特性优于图2(c)中的合成方式。在调制度为
1.1的情况下,在θ处于0到30度范围内时,图2(b)和(c)中的合成方式对应的共模电压伏秒幅值的最小值优于图2(a)中的合成方式。在θ处于30到60度范围内时,图2(a)和(b)中的合成方式对应的共模电压伏秒幅值优于图2(c)中的合成方式。因此,可以得到优化开关序列如表2所示。
[0174] 表2
[0175]
[0176] 将其在三种情况下对于最优解的Δt代入各自的作用时间中,获得在此情况下最优的电压矢量作用时间,其计算过程如下所示:
[0177] 对于三种不同的电压矢量组合,存在各自的最优的共模电压伏秒特性对应的Δt,超前四边形电压矢量组合(V1,V2,V3,V4)最优电压矢量作用时间:
[0178]
[0179] 将Δt代入式(20)所求的含有Δt的作用时间表达式中,即可求得各个电压矢量的作用时间。
[0180]
[0181] 正四边形电压矢量组合(V6,V1,V2,V3)最优电压矢量作用时间:
[0182]
[0183] 将Δt代入式(22)所求的含有Δt的作用时间表达式中,即可求得各个电压矢量的作用时间。
[0184]
[0185] 滞后四边形电压矢量组合(V5,V6,V1,V2)最优电压矢量作用时间:
[0186]
[0187] 将Δt代入式(24)所求的含有Δt的作用时间表达式中,即可求得各个电压矢量的作用时间。
[0188]
[0189] 步骤S240:对获取伏秒特性幅值最小的两种合成方式所对应的优化开关序列,分别对优化开关序列的磁链纹波进行计算,并筛选出磁链纹波最小的开关序列,以实现输出谐波性能的优化。
[0190] 由于上表所得开关序列并不唯一,其所产生输出谐波特性不同,利用以上优化开关序列所对应的电压矢量组合以及相关信息,通过对下式中和上表的约束数学模型对最优开关序列进行选取,磁链纹波进行计算公式为:
[0191]
[0192] 其中,δ为占空比,λhn为一个载波周期内磁链纹波标幺的均方根值,λhn为磁链纹波的标幺值,λhn可按照下式计算:
[0193]
[0194] 式中,N为非负整数,Vkh为误差矢量。
[0195] 以调制度为0.8为例绘制出不同开关序列下λhn曲线图,如图6所示。
[0196] 以相同的方式分析可得出表3调制度小于1和表4调制度大于1的最优开关序列表
[0197] 表3
[0198]
[0199] 表4
[0200]
[0201]
[0202] 图7示出了本发明一种基于相邻四矢量的逆变器共模电压抑制PWM装置,该装置包括:
[0203] 合成参考电压矢量模块,用于采用上述相邻四矢量合成方法对参考电压矢量进行相邻四矢量合成,得出三种合成方式的合成参考电压矢量;
[0204] 有效电压矢量作用时间计算模块,用于根据四矢量电压组合得出符合脉宽调制合成规则的开关序列,并计算出三种合成方式的合成参考电压矢量的有效电压矢量作用时间;
[0205] 有约束数学规划模型模块,用于根据参考电压矢量扇区位置、逆变器直流母线电压值以及合成参考电压矢量的有效电压矢量作用时间,建立以共模电压伏秒特性最小化为目标的有约束数学规划模型;
[0206] 优化开关序列以及优化作用时间获取模块,用于对建立的有约束数学规则模型求取最优解,并进行数值分析,获取伏秒特性幅值最小的两种合成方式所对应的优化开关序列以及优化作用时间;
[0207] 磁链纹波优化模块,用于对共模电压伏秒特性优化模块输出的优化开关序列的磁链纹波进行计算,筛选出磁链纹波最小的开关序列。
[0208] 需要说明的是,上述实施例提供的基于相邻四矢量的逆变器共模电压抑制PWM方法时,仅以上述各功能模块的划分进行举例说明,实际应用中,可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成,即将设备的内部结构划分成不同的功能模块,以完成以上描述的全部或者部分功能。另外,上述实施例提供的基于相邻四矢量的逆变器共模电压抑制PWM装置与基于相邻四矢量的逆变器共模电压抑制PWM方法实施例属于同一构思,其体现实现过程详见基于相邻四矢量的逆变器共模电压抑制PWM方法实施例,这里不再赘述。
[0209] 如图8所示,在一实施例中提出了一种氮化镓逆变器控制系统,该系统包括:上述的基于相邻四矢量的逆变器共模电压抑制PWM装置,驱动电路模块,带有共模扼流圈的氮化镓逆变器模块及负载模块;基于相邻四矢量的逆变器共模电压抑制PWM装置在数字信号处理器中计算,得出最优开关序列并将此开关序列通过驱动电路模块,输入带有共模扼流圈的氮化镓逆变器模块中,以达到控制负载模块的目的。
[0210] 图9为采用含有本发明的四种脉宽调制方法使用氮化镓逆变器控制阻感负载的共模电压伏秒特性曲线图,图10采用含有本发明的四种脉宽调制方法使用氮化镓逆变器控制阻感负载为谐波畸变因子仿真对比图。
[0211] 图11,12,13为使用本发明在调制度分别为0.3,0.7,1.15下使用氮化镓逆变器控制阻感负载的共模电压图,下列表5、表6依顺序分别为共模电压伏秒特性峰值表,谐波因子计算表。
[0212] 表5
[0213]
[0214]
[0215] 表6
[0216]
[0217] 通过观察表5、6和图9至图13,可看出本技术在仿真,实验方面对比现有调制方法均具有较好的共模电压抑制和谐波抑制作用,实现了共模电压伏秒特性和输出谐波性能的逐层优化,并在此基础上充分利用控制自由度实现了输出谐波性能的优化。
[0218] 在此处所提供的说明书中,说明了大量具体细节。然而,能够理解,本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中,并未详细示出公知的方法、结构和技术,以便不模糊对本说明书的理解。
[0219] 此外,本领域的技术人员能够理解,尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包含的某些特征而不是其它特征,但是不同实施例的特征的组合同样意味着处于本发明的保护范围之内并且形成不同的实施例。例如,在上面的实施例中,本领域技术人员能够根据获知的技术方案和本申请所要解决的技术问题,以组合的方式来使用。
[0220] 以上所述仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述提示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明方案的范围内。
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