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一种减小三相PWM变流器共模电压的调制方法

  • 申请号:CN201310108752.5 申请公布号: CN103199728A
  • 申请日: 2013-03-29 申请公布日: 2013-07-10
  • 申请(专利权)人: 专利代理机构: 北京众合诚成知识产权代理有限公司
  • 分类号:H02M7/797

专利介绍

本发明属于电力电子领域,特别涉及一种减小三相PWM变流器共模电压的调制方法。其特征在于使用三个不相邻的非零基本空间矢量合成目标矢量,其特征还在于产生控制脉冲采用两种比较值计数模块,且这个计数模块的计数方式不同。电压指令在同一扇区内不同相桥臂控制脉冲的产生所用的比较值计数模块的计数方式不同,且在不同扇区,同一相桥臂所用的比较值计数模块的计数方式也不同。本发明具有较好的共模电压抑制效果,共模电压最大峰值为直流母线电压的六分之一,因此在光伏电站、电机驱动和充电站领域应用时可以有效降低共模电流。
1.一种减小三相PWM变流器共模电压的调制方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:步骤1:在DSP中产生当前时刻t的电压指令Vref;步骤2:根据当前时刻t的电压指令Vref的相位角θ的大小,确定当前时刻t电压指令Vref所在的扇区,根据电压指令Vref所在的扇区进行三个基本空间电压矢量的选择;步骤3:设定PWM周期为Ts,三个基本空间电压矢量的作用时间分别为Ti、Tj和Tk,且满足Ti+Tj+Tk=Ts,基本空间电压矢量Vi、Vj和Vk的作用时间Ti、Tj和Tk由: | T i V i | sin ( π 3 n - θ ) = | T j V j - T k V k | sin ( θ - ( n - 1 ) π 3 ) = | T s V ref | sin 2 π 3 ]]>决定;θ为电压指令Vref的相位角,n为电压指令Vref所在的扇区;i=1、2、3......6;j=i+1,j>6时,j=i-5;k=i+4,k>6时,k=i-2;基本空间电压矢量的作用顺序为Vj→Vi→Vk→Vi→Vj;步骤4:根据PWM原理,使DSP内部产生两种计数方式,分别定义为Stri-pos(mTtri)和Stri-neg(mTtri),通过两种计数方式能够分别得到同一个周期内,各个时刻的两个计数值的大小;步骤5:根据电压指令Vref所在扇区和三个基本空间电压矢量的作用时间,确定三个桥臂控制脉冲的比较值,分别定义为TA、TB和TC,根据矢量合成原则,各个扇区中比较值TA、TB和TC的确定原则为:扇区1,TA=Ti+Tj,TB=Tj,TC=Ts-Tk;扇区2,TA=Ts-Ti-Tk,TB=Ti+Tj,TC=Ts-Tk;扇区3,TA=Ts-Tk,TB=Ti+Tj,TC=Tj;扇区4,TA=Ts-Tk,TB=Ts-Ti-Tk,TC=Ti+Tj;扇区5,TA=Tj,TB=Ts-Tk,TC=Ti+Tj;扇区6,TA=Ti+Tj,TB=Ts-Tk,TC=Ts-Ti-Tk;步骤6:根据电压指令Vref所在的扇区,判定用于产生A相、B相和C相桥臂控制脉冲的计数方式Stri-pos(mTtri)或Stri-neg(mTtri);步骤7:产生A相桥臂控制脉冲,当Stri-pos(mTtri)≥TA或Stri-neg(mTtri)≥TA时上管导通,下管关闭;反之则上管关闭,下管导通;步骤8:产生B相桥臂控制脉冲,当Stri-pos(mTtri)≥TB或Stri-neg(mTtri)≥TB时上管导通,下管关闭;反之则上管关闭,下管导通;步骤9:产生C相桥臂控制脉冲,当Stri-pos(mTtri)≥TC或Stri-neg(mTtri)≥TC时上管导通,下管关闭;反之则上管关闭,下管导通;步骤10:完成一个PWM控制周期的调制,进入下一个周期,起始时刻为t=t+Ts,转步骤2。
2.根据权利要求1所述一种减小三相PWM变流器共模电压的调制方法,其特征在于,步骤2中,根据电压指令Vref所在的扇区进行三个基本空间电压矢量的选择如下:根据t时刻电压指令所在的扇区选择三个用于合成指令电压Vref的基本空间电压矢量,即:DiVi+DjVj+DkVk=Vref其中,Vi、Vj和Vk为根据电压指令Vref所在扇区确定的三个基本空间电压矢量;Di、Dj和Dk分别为所述基本空间电压矢量Vi、Vj和Vk的占空比; D i = T i T s , ]]> D j = T j T s , ]]> D k = T k T s ; ]]>当电压指令Vref位于第I扇区时,选择基本空间电压参考矢量V1、V2和V5进行电压指令Vref的合成;当电压指令Vref位于第II扇区时,选择基本空间电压参考矢量V2、V3和V6进行电压指令Vref的合成;当电压指令Vref位于第III扇区时,选择基本空间电压参考矢量V3、V4和V1进行电压指令Vref的合成;当电压指令Vref位于第IV扇区时,选择基本空间电压参考矢量V4、V5和V2进行电压指令Vref的合成;当电压指令Vref位于第V扇区时,选择基本空间电压参考矢量V5、V6和V3进行电压指令Vref的合成;当电压指令Vref位于第VI扇区时,选择基本空间电压参考矢量V6、V1和V4进行电压指令Vref的合成;其中,V1、V2、V3、V4、V5、V6为六个基本空间电压矢量;六个基本空间电压矢量的定义为:在复平面中从A相电压所在参考轴开始,逆时针每60°定义一个基本空间电压矢量;这六个基本空间电压矢量将复平面分为6个扇区,分别定义为第I扇区、第II扇区、第III扇区、第IV扇区、第V扇区和第VI扇区。
3.根据权利要求1所述一种减小三相PWM变流器共模电压的调制方法,其特征在于,步骤3中,所述基本空间电压矢量的作用时间为: T i = 2 3 π MT s sin ( π 3 n - θ ) ; ]]> T j = 1 2 T s + 3 π MT s sin ( θ - ( n - 1 ) π 3 ) - 3 π MT s sin ( π 3 n - θ ) ; ]]> T k = 1 2 T s + 3 π MT s sin ( θ - ( n - 1 ) π 3 ) - 3 π MT s sin ( π 3 n - θ ) ; ]]>M为调制系数且M=π|Vref|/(2UDC),UDC为三相PWM变流器直流侧电压。
4.根据权利要求1所述一种减小三相PWM变流器共模电压的调制方法,其特征在于,所述步骤4中,所述两种计数方式Stri-pos(mTtri)和Stri-neg(mTtri)的数学表达式,如下: S tri - pos ( m T tri ) = 2 m T tri , ( 0 m T s 2 T tri ) - 2 ( m T tri - T s 2 ) + T s , ( T s 2 T tri m T s T tri ) ( m N ) ]]> S tri - neg ( m T tri ) = - 2 m T tri + T s , ( 0 m T s 2 T tri ) 2 m T tri - T s , ( T s 2 T tri m T s T tri ) , ( m N ) ]]>其中,Ttri为计数模块每增加一个计数所需要的时间,N为整数,m=0,1,2......Ts/Ttri,也就是计数值m=Ts/Ttri时,完成一个完整计数周期,周期为Ts;所述计数方式为:从t时刻开始,Stri-pos(mTtri)计数方式从零开始递增计数,到周期值Ts后开始递减计数,计数到零后完成一个周期;Stri-neg(mTtri)计数方式从t时刻开始由周期值Ts递减计数,递减到零后再递增计数到周期值Ts完成一个计数周期。
5.如权利要求1所述一种减小三相PWM变流器共模电压的调制方法,其特征在于,步骤7、8和9中所述电压指令Vref在不同扇区内,产生A、B和C三相桥臂的控制脉冲时,所述计数器计数方式的选择如下:电压指令Vref位于扇区1时,A相为Stri-neg(mTtri),B相为Stri-neg(mTtri),C相为Stri-pos(mTtri);电压指令Vref位于扇区2时,A相为Stri-pos(mTtri),B相为Stri-neg(mTtri),C相为Stri-pos(mTtri);电压指令Vref位于扇区3时,A相为Stri-pos(mTtri),B相为Stri-neg(mTtri),C相为Stri-neg(mTtri);电压指令Vref位于扇区4时,A相为Stri-pos(mTtri),B相为Stri-pos(mTtri),C相为Stri-neg(mTtri);电压指令Vref位于扇区5时,A相为Stri-neg(mTtri),B相为Stri-pos(mTtri),C相为Stri-neg(mTtri);电压指令Vref位于扇区6时,A相为Stri-neg(mTtri),B相为Stri-pos(mTtri),C相为Stri-pos(mTtri)。技术领域
本发明属于电力电子领域,特别涉及一种减小三相PWM变流器共模电压的调制方法。
背景技术
三相电压源PWM变流器因其具有较高的电压利用率、较低的谐波电流和双向变流能力等特性,因此在三相电机驱动、光伏发电站和电动汽车充电站等领域被广泛的应用。传统的连续PWM(CPWM)方法和离散PWM(DPWM)方法,都具有较好的电压线性度、交流和直流侧电流纹波性能,因此这些控制方法被广泛的应用。但是上述调制方法的共模电压性能较差,因此在给共模电压提供适当的电流通路时可以产生共模电流,共模电流的存在会对人身安全造成危害,也会对系统的正常运行造成影响。
发明内容
本发明的目的在于针对共模电流的存在会对人身安全造成危害,也会对系统的正常运行造成影响的不足,提出一种减小三相PWM变流器共模电压的调制方法。一种减小三相PWM变流器共模电压的调制方法,该方法包括如下步骤:步骤1:在DSP中产生当前时刻t的电压指令Vref;步骤2:根据当前时刻t的电压指令Vref的相位角θ的大小,确定当前时刻t电压指令Vref所在的扇区,根据电压指令Vref所在的扇区进行三个基本空间电压矢量的选择;步骤3:设定PWM周期为Ts,三个基本空间电压矢量的作用时间分别为Ti、Tj和Tk,且满足Ti+Tj+Tk=Ts,基本空间电压矢量Vi、Vj和Vk的作用时间Ti、Tj和Tk由: | T i V i | sin ( π 3 n - θ ) = | T j V j - T k V k | sin ( θ - ( n - 1 ) π 3 ) = | T s V ref | sin 2 π 3 ]]>决定;θ为电压指令Vref的相位角,n为电压指令Vref所在的扇区;i=1、2、3......6;j=i+1,j>6时,j=i-5;k=i+4,k>6时,k=i-2;基本空间电压矢量的作用顺序为Vj→Vi→Vk→Vi→Vj;步骤4:根据PWM原理,使DSP内部产生两种计数方式,分别定义为Stri-pos(mTtri)和Stri-neg(mTtri),通过两种计数方式能够分别得到同一个周期内,各个时刻的两个计数值的大小;步骤5:根据电压指令Vref所在扇区和三个基本空间电压矢量的作用时间,确定三个桥臂控制脉冲的比较值,分别定义为TA、TB和TC,根据矢量合成原则,各个扇区中比较值TA、TB和TC的确定原则为:扇区1,TA=Ti+Tj,TB=Tj,TC=Ts-Tk;扇区2,TA=Ts-Ti-Tk,TB=Ti+Tj,TC=Ts-Tk;扇区3,TA=Ts-Tk,TB=Ti+Tj,TC=Tj;扇区4,TA=Ts-Tk,TB=Ts-Ti-Tk,TC=Ti+Tj;扇区5,TA=Tj,TB=Ts-Tk,TC=Ti+Tj;扇区6,TA=Ti+Tj,TB=Ts-Tk,TC=Ts-Ti-Tk;步骤6:根据电压指令Vref所在的扇区,判定用于产生A相、B相和C相桥臂控制脉冲的计数方式Stri-pos(mTtri)或Stri-neg(mTtri);步骤7:产生A相桥臂控制脉冲,当Stri-pos(mTtri)≥TA或Stri-neg(mTtri)≥TA时上管导通,下管关闭;反之则上管关闭,下管导通;步骤8:产生B相桥臂控制脉冲,当Stri-pos(mTtri)≥TB或Stri-neg(mTtri)≥TB时上管导通,下管关闭;反之则上管关闭,下管导通;步骤9:产生C相桥臂控制脉冲,当Stri-pos(mTtri)≥TC或Stri-neg(mTtri)≥TC时上管导通,下管关闭;反之则上管关闭,下管导通;步骤10:完成一个PWM控制周期的调制,进入下一个周期,起始时刻为t=t+Ts,转步骤2。所述步骤2中,根据电压指令Vref所在的扇区进行三个基本空间电压矢量的选择如下:根据t时刻电压指令所在的扇区选择三个用于合成指令电压Vref的基本空间电压矢量,即:DiVi+DjVj+DkVk=Vref D i = T i T s , ]]> D j = T j T s , ]]> D k = T k T s ; ]]>当电压指令Vref位于第I扇区时,选择基本空间电压参考矢量V1、V2和V5进行电压指令Vref的合成;当电压指令Vref位于第II扇区时,选择基本空间电压参考矢量V2、V3和V6进行电压指令Vref的合成;当电压指令Vref位于第III扇区时,选择基本空间电压参考矢量V3、V4和V1进行电压指令Vref的合成;当电压指令Vref位于第IV扇区时,选择基本空间电压参考矢量V4、V5和V2进行电压指令Vref的合成;当电压指令Vref位于第V扇区时,选择基本空间电压参考矢量V5、V6和V3进行电压指令Vref的合成;当电压指令Vref位于第VI扇区时,选择基本空间电压参考矢量V6、V1和V4进行电压指令Vref的合成;其中,V1、V2、V3、V4、V5、V6为六个基本空间电压矢量;六个基本空间电压矢量的定义为:在复平面中从A相电压所在参考轴开始,逆时针每60°定义一个基本空间电压矢量;这六个基本空间电压矢量将复平面分为6个扇区,分别定义为第I扇区、第II扇区、第III扇区、第IV扇区、第V扇区和第VI扇区。步骤3中,所述基本空间电压矢量的作用时间为: T i = 2 3 π MT s sin ( π 3 n - θ ) ; ]]> T j = 1 2 T s + 3 π MT s sin ( θ - ( n - 1 ) π 3 ) - 3 π MT s sin ( π 3 n - θ ) ; ]]> T k = 1 2 T s + 3 π MT s sin ( θ - ( n - 1 ) π 3 ) - 3 π MT s sin ( π 3 n - θ ) ; ]]>M为调制系数且M=π|Vref|/(2UDC),UDC为三相PWM变流器直流侧电压。步骤4中,所述两种计数方式Stri-pos(mTtri)和Stri-neg(mTtri)的数学表达式,如下: S tri - pos ( m T tri ) = 2 m T tri , ( 0 m T s 2 T tri ) - 2 ( m T tri - T s 2 ) + T s , ( T s 2 T tri m T s T tri ) ( m N ) ]]> S tri - neg ( m T tri ) = - 2 m T tri + T s , ( 0 m T s 2 T tri ) 2 m T tri - T s , ( T s 2 T tri m T s T tri ) , ( m N ) ]]>其中,Ttri为计数模块每增加一个计数所需要的时间,N为整数,m=0,1,2......Ts/Ttri,也就是计数值m=Ts/Ttri时,完成一个完整计数周期,周期为Ts;所述计数模块的计数方式为:从t时刻开始,Stri-pos(mTtri)从零开始递增计数,到周期值Ts后开始递减计数,计数到零后完成一个周期;Stri-neg(mTtri)从t时刻开始由周期值Ts递减计数,递减到零后再递增计数到周期值Ts完成一个计数周期。所述步骤7、8和9中所述电压指令Vref在不同扇区内,产生A、B和C三相桥臂的控制脉冲时,所述计数器计数方式的选择如下:电压指令Vref位于扇区1时,A相为Stri-neg(mTtri),B相为Stri-neg(mTtri),C相为Stri-pos(mTtri);电压指令Vref位于扇区2时,A相为Stri-pos(mTtri),B相为Stri-neg(mTtri),C相为Stri-pos(mTtri);电压指令Vref位于扇区3时,A相为Stri-pos(mTtri),B相为Stri-neg(mTtri),C相为Stri-neg(mTtri);电压指令Vref位于扇区4时,A相为Stri-pos(mTtri),B相为Stri-pos(mTtri),C相为Stri-neg(mTtri);电压指令Vref位于扇区5时,A相为Stri-neg(mTtri),B相为Stri-pos(mTtri),C相为Stri-neg(mTtri);电压指令Vref位于扇区6时,A相为Stri-neg(mTtri),B相为Stri-pos(mTtri),C相为Stri-pos(mTtri)。本发明的有益效果:本发明具有较好的共模电压抑制效果,共模电压最大峰值为直流母线电压的六分之一,因此在光伏电站、电机驱动和充电站领域应用时可以有效降低共模电流。从而为人身安全提供了及系统的正常运行提供了可靠保障。
附图说明
图1.三相PWM变流器的原理图;图2.六个基本矢量的定义方式及传统方法的矢量合成方式;图3.本发明所采用的矢量合成方式;图4.六个扇区控制脉冲示意图;4(a)扇区I控制脉冲示意图;4(b)扇区II控制脉冲示意图;4(c)扇区III控制脉冲示意图;4(d)扇区IV控制脉冲示意图;4(e)扇区V控制脉冲示意图;4(f)扇区VI控制脉冲示意图;图5.以第I扇区为例,说明三角载波选择的工作原理;图6.本发明的实验波形;图7.本发明的程序流程框图。
具体实施方式
结合附图对本发明做进一步说明三相PWM变流器的原理图,如图1所示,该电路在工作时,上下两个可控型开关管互补导通,三相PWM变流器交流侧三相电压uAN、uBN、uCN可由空间电压矢量 V ref = 2 3 ( u AN + α u BN + α 2 u CN ) ]]>表示。其中,α=ej2π/32=ej4π/3,j为虚数单位。此时,利用图2所示的基本空间矢量可以合成空间矢量Vref,空间矢量Vref可能位于图2或图3所示扇区I~扇区VI这六个扇区中的一个。建立图1所示变流器数学模型,不难得出变流器直流侧负母线与电网中点之间电势差的表达式 U QN = - U dc 3 ( s a + s b + s c ) ]]>其中ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>根据共模电压的定义,将PWM变流器的共模电压定义为正负母线与电网中点N之间电压和的一半。差模电压显然为正负母线之间的电势差Udc。因此可以得到变流器直流侧负母线对电源中点N的共模电压UCM表达式为UCM=UQN+UDM/2因此可以进一步得到共模电压的表达式为 U CM = - U dc 3 ( s a + s b + s c ) + U dc 2 ]]>由上述表达式可知,通过合理控制si可以有效降低共模电压UCM。基于上述分析,根据一定的控制方式(如前馈解耦控制等)产生指令电压矢量Vref,由指令电压的相位角判断指令电压Vref处在如图3所示的哪一个扇区中。在确定参考电压矢量Vref所处的扇区以后,根据如下原则选取用于合成指令电压矢量Vref的基本电压矢量当指令电压Vref位于第I扇区时,选择矢量V1、V2和V5进行矢量合成。当指令电压Vref位于第II扇区时,选择矢量V2、V3和V6进行矢量合成。当指令电压Vref位于第III扇区时,选择矢量V3、V4和V1进行矢量合成。当指令电压Vref位于第IV扇区时,选择矢量V4、V5和V2进行矢量合成。当指令电压Vref位于第V扇区时,选择矢量V5、V6和V3进行矢量合成。当指令电压Vref位于第VI扇区时,选择矢量V6、V1和V4进行矢量合成。图3给出了指令电压Vref位于第I扇区时的矢量合成原则。当指令电压Vref位于第I扇区时,根据基本空间矢量选择原则选择基本空间矢量V1、V2和V5进行矢量合成,矢量合成时矢量的作用顺序如图4(a)所示,分别为V2→V1→V5→V1→V2,在扇区I的矢量合成原则为T1V1+T2V2+T3V5=TsVref其中各矢量的作用时间由公式 | T 1 V 1 | sin ( π 3 n - θ ) = | T 2 V 2 - T 3 V 5 | sin θ = | T s V | sin 2 π 3 ]]>决定;θ为电压指令Vref的相位角。T1、T2和T3分别为基本矢量V1、V2和V5的作用时间,其中基本矢量T1和T2被平均分配在一个开关周期的两端,如图4(a)所示,也即矢量V1作用T1/2时间后,矢量V2作用T2/2时间,然后矢量V5作用T3时间,矢量V2再作用T2/2时间,最后矢量V1作用T1/2时间,一个开关周期完成。同样根据图4(b)、图4(c)、图4(d)、图4(e)和图4(f)可得到在对应扇区的矢量合成时矢量的作用顺序,以及一个开关周期中三个基本空间矢量的作用时间,以第I扇区为例,一个开关周期中三个基本空间矢量的作用时间分别为 T 1 = 2 3 π MT s sin ( π 3 n - θ ) ]]> T 2 = 1 2 T s + 3 π MT s sin θ - 3 π MT s sin ( π 3 - θ ) ]]> T 3 = 1 2 T s + 3 π MT s sin θ - 3 π MT s sin ( π 3 - θ ) ]]>M为调制系数且M=πVref/(2VDC)。其余五个扇区中各矢量的作用时间同样可以利用上述原理求出。根据PWM原理,使DSP内部产生两种计数方式分别定义为Stri-pos(mTtri)和Stri-neg(mTtri),表达式为 S tri - pos ( m T tri ) = 2 m T tri , ( 0 m T s 2 T tri ) - 2 ( m T tri - T s 2 ) + T s , ( T s 2 T tri m T s T tri ) ( m N ) ]]> S tri - neg ( m T tri ) = - 2 m T tri + T s , ( 0 m T s 2 T tri ) 2 m T tri - T s , ( T s 2 T tri m T s T tri ) , ( m N ) ]]>其中,Ttri为每增加一个计数所需要的时间,N为整数,m=0,1,2......Ts/Ttri,也就是当计数值m=Ts/Ttri时,完成一个完整计数周期,周期为Ts;电压指令Vref在不同扇区内,用于产生三相桥臂控制脉冲的计数方式选择按照表1所示确定。表中“正”表示计数方式为Stri-pos(mTtri),“负”表示计数方式为Stri-neg(mTtri):表1各个扇区的计数方式ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>接下来产生三相桥臂的控制脉冲,如图5所示,给出了电压指令Vref位于第I扇区时控制脉冲产生的原理。当电压指令Vref位于第I扇区时,在Stri-neg(mTtri)的计数期间,当Stri-pos(mTtri)≥TA时上管导通,下管关闭。反之则上管关闭,下管导通;B相桥臂控制脉冲的产生。在Stri-neg(mTtri)计数期间,当Stri-neg(mTtri)≥TB时上管导通,下管关闭。反之则上管关闭,下管导通;C相桥臂控制脉冲的产生。在Stri-pos(mTtri)计数期间,当Stri-pos(mTtri)≥TC时上管导通,下管关闭。反之则上管关闭,下管导通;由此产生可控型开关管的控制脉冲,完成PWM变流器一个控制周期。当指令电压Vref位于其它5个扇区时,工作过程同扇区I类似。六个扇区的空间矢量合成原则和基本矢量作用时间可以统一由公式 | T i V i | sin ( π 3 n - θ ) = | T j V j - T k V k | sin ( θ - ( n - 1 ) π 3 ) = | T s V ref | sin 2 π 3 ]]>决定,公式中i=1、2、3......6;j=i+1,j>6时,j=i-5;k=i+4,k>6时k=i-2。θ为电压指令Vref的相位角。n为电压指令Vref所在的扇区,Ts为开关周期,Ti、Tj和Tk分别为基本矢量Vi、Vj和Vk的作用时间,且满足Ti+Tj+Tk=Ts图6给出了本发明实际应用中的实验波形。图7给出了本发明软件实现时的流程图。应该理解到的是:上述说明只是对本发明的说明,而不是对本发明的限制,任何超出本发明实质精神范围内的发明创造,均落入本发明的保护范围之内。
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