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死区会导致常规的模型预测共模电压抑制方法出现±udc/2的电压尖峰。针对该问题,详细分析了死区对共模电压尖峰的影响,并得出了共模电压尖峰产生的原理。根据该分析结果,设计了一种基于电流扇区的新型电压矢量预选方法,以克服死区的影响。对于因电流纹波较大导致电流扇区难以准确判断的问题,进一步改进电流扇区划分方法,并最终设计了一种混合电压矢量预选方法,以完全克服死区的影响。仿真和实验结果表明,所提出的方法不仅可以完全将共模电压限制在±udc/6之内,而且可以降低电流总谐波畸变率。
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第 39 卷 第 1 期
2019 年 1 月
电 力 自 动 化 设 备
Electric Power Automation Equipment
Vol.39 No.1
Jan. 2019
基于混合电压矢量预选的逆变器模型预测共模电压抑制方法
郭磊磊
1
,韩东许
1
,芮 涛
2
(1. 郑州轻工业学院 电气信息工程学院,河南 郑州 450002;
2. 安徽大学 高节能电机及控制技术国家地方联合工程实验室,安徽 合肥 230601)
摘要:死区会导致常规的模型预测共模电压抑制方法出现 ±u
dc
/ 2 的电压尖峰。 针对该问题,详细分析了死区
对共模电压尖峰的影响,并得出了共模电压尖峰产生的原理。 根据该分析结果,设计了一种基于电流扇区的
新型电压矢量预选方法,以克服死区的影响。 对于因电流纹波较大导致电流扇区难以准确判断的问题,进一
步改进电流扇区划分方法,并最终设计了一种混合电压矢量预选方法,以完全克服死区的影响。 仿真和实验
结果表明,所提出的方法不仅可以完全将共模电压限制在 ±u
dc
/ 6 之内,而且可以降低电流总谐波畸变率。
关键词:逆变器;模型预测控制;电压矢量预选;共模电压抑制;死区
中图分类号:TM 464 文献标识码:A DOI:10.16081 / j.issn.1006
-
6047.2019.01.005
收稿日期:2017
-
09
-
28;修回日期:2018
-
10
-
15
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51707176) ;河南省
高等学校重点科研项目(18A470020);安徽大学高节能电机
及控制技术国家地方联合工程实验室开放课题基金资助项
目( KFKT201610)
Project supported by the National Natural Science Foundation of
China( 51707176),the High School Key Research Program of
Henan Province(18A470020) and the Open Program of Anhui
University National Engineering Laboratory of Energy⁃saving
Motor & Control Technique(KFKT201610)
0 引言
近年来,电压源逆变器在光伏发电技术
[1]
、风力
发电技术
[2]
、储能技术
[3]
及电机驱动技术
[4⁃5]
等领
域得到了广泛应用。 其常用的控制方法包括矢量控
制、直接功率控制和直接转矩控制等。 然而,由于这
些常规的控制策略均使用了零电压矢量,导致逆变
器输出的共模电压较大。 较大的共模电压在光伏系
统中会产生较大的漏电流,进而影响人身安全
[6]
;在
电机驱动系统中会产生轴电压和轴电流,进而会降
低电机的使用寿命
[7]
。 此外,较大的共模电压还会
产生高频电磁干扰,进而影响周围电气设备的正常
工作。
目前,逆变器输出共模电压的抑制方法主要包
括基于硬件的方法和基于软件的方法 2 类。 基于硬
件的方法需要额外增加硬件电路,或者需要特殊的
逆变器拓扑,这会增加系统的成本
[8]
。 而基于软件
的方法具有实现简单、成本较低、可靠性较高等优
点,因此得到更多关注。
常规的基于软件的逆变器共模电压抑制方法多
采用改进的脉宽调制(PWM)策略,但这需要复杂的
调制计算,实现较为困难
[9]
。 近年来,模型预测控制
因其独特的优势而被广泛地应用于逆变器的控制
中。 为了抑制逆变器输出的共模电压,文献[10⁃16]
开展了基于模型预测控制的共模电压抑制策略研
究。 这种方法也可以分为 2 类,即基于目标函数优
化的方 法
[10⁃11]
和 基 于电 压 矢量 预 选的 方 法
[12⁃16]
。
基于目标函数优化的方法需要合理设计权重因子,
而其设计理论尚不成熟。 为此,文献[12⁃16]设计了
无需权重因子的逆变器共模电压抑制方法。 其中,
文献[12] 通过直接计算目标电压矢量所在的位置
来进行电压矢量选择,且只使用非零电压矢量以实
现共模电压抑制;文献[13] 所设计的方法只使用 6
个非零电压矢量进行控制目标的预测和目标函数的
优化计算,也可以实现共模电压抑制;文献[14] 设
计了一种既可以降低共模电压又可以降低开关损耗
的模型预测控制方法,可适用于大功率逆变器场合。
然而,文献[12⁃14]均没有考虑死区对共模电压抑制
的影响。 文献[15]的研究表明,死区会引起共模电
压尖峰。 为此,文献[16]进一步设计了一种考虑死
区影响的逆变器模型预测共模电压抑制方法,但该
方法会导致电流的总谐波畸变率(THD)增大。
为了同时克服文献[13] 所设计方法受死区影
响的缺点和文献[16] 所设计方法的电流 THD 较大
的缺点,本文设计了一种基于混合电压矢量预选的
逆变器模型预测共模电压抑制方法。 本文首先分析
了死区对共模电压尖峰的影响,并得出了所有会产
生共模电压尖峰的电压矢量切换组合;然后基于该
分析结果设计了一种改进的电压矢量预选方法;进
一步地,为了克服电流过零点难以准确判断的问题,
将三相电流划分为 7 个扇区,并在不同的扇区内分
别选择不同的电压矢量预选方法。 所提出的方法在
电流过零点附近选择文献[16] 的方法进行电压矢
量预选,在其他区域则选择本文设计的电压矢量预
选方法,从而形成一种混合电压矢量预选方法。 仿
真和实验结果均验证了本文所设计方法的有效性。
1 常规的模型预测共模电压抑制方法
三相电压源逆变器的共模电压定义为直流侧中
电 力 自 动 化 设 备
第 39 卷
性点和三相负载中性点之间的电压,其示意图如图
1 所示。
图 1 共模电压的示意图
Fig.1 Schematic diagram of common⁃mode voltage
典型的三相两电平电压源逆变器包含 8 个电压
矢量,即 u
0
( 000)、 u
1
( 100 )、 u
2
( 110 )、 u
3
( 010 )、
u
4
(011)、u
5
(001)、u
6
(101) 和 u
7
(111)。 其中,2 个
零电压矢量所产生的共模电压最大,其峰值为 ±u
dc
/ 2。
因此,为 了 抑 制 共 模 电 压, 经 常 直 接 摒 弃 零 电 压
矢量。
文献[13] 所设计的模型预测共模电压抑制方
法在任何一个控制周期内都只采用 6 个非零电压矢
量进行优化运算,因此理论上可以将共模电压限制
在 ±u
dc
/ 6 之内。 然而,逆变器死区的作用导致这种
方法仍然存在 ±u
dc
/ 2 的电压尖峰
[15]
。
文献[16] 分析了死区产生共模电压尖峰的原
理,并进一步设计了一种改进的电压矢量预选方法
以完全将共模电压限制在 ±u
dc
/ 6 之内。
本文首先分析死区对共模电压尖峰的影响,为
后文提出新的电压矢量预选策略奠定基础。 分析
时,定义电流流向负载为正,如图 1 所示。 当 i
a
>0,
i
b
<0,i
c
<0,矢量 u
2
(110) 向 u
6
(101) 切换时,由于逆
变器死区的作用,S
3
和 S
6
必须先关断,而经过死区
延时后,S
4
和 S
5
才开通。 此时,在死区时间内,存在
S
3
、S
4
、S
5
和 S
6
同时关断的情况。 由于 i
b
<0,i
c
<0,b、
c 相的电流必须通过二极管 D
3
和 D
5
进行流通,这
种情况下,相当于产生了等效零电压矢量 u
7
(111),
共模电压就出现了 u
dc
/ 2 的电压尖峰。 具体如附录
中图 A1(a)所示。
此外,文献[15⁃16] 的分析还表明,在相邻或相
反电压矢量进行切换时,不会因为死区而产生共模
电压尖峰。 因此,基于该分析结果,文献[16] 设计
了一种改进的电压矢量预选策略。 该方法只允许相
邻电压矢量和相反电压矢量进行切换,从而可以完
全克 服 死 区 的 影 响, 其 基 本 原 理 如 附 录 中 表 A1
所示。
同时,为了减小电流 THD,文献[16] 所设计的
方法仍然采用零电压矢量进行优化运算,并在实际
应用时采用 2 个相反的非零电压矢量进行替代。
2 改进的模型预测共模电压抑制方法
与文献[13]所设计的方法相比,文献[16]所设
计的方法由于减少了用于目标函数优化的电压矢量
个数,导致电流的 THD 有一定程度的增大。 由于两
电平逆变器只有 6 个非零电压矢量,为了抑制共模
电压并减小电流 THD,需要充分利用这 6 个非零电
压矢量。
本文在文献[16] 的基础上,进一步分析了死区
对共模电压尖峰的影响,并提出了一种改进的电压
矢量预选策略。
如附录 中 图 A1 ( b) 所 示, 仍 然 以 电 压 矢 量
u
2
(110) 向 u
6
(101)切换为例进行分析,与图 A1(a)
不同,当 i
c
的方向改变时,D
5
会关断,而 D
6
会导通,
此时由于死区而产生的等效电压矢量为 u
2
(110),
而不是零矢量 u
7
(111)。 同理,当 i
b
的方向改变时,
D
3
会关断,而 D
4
会导通,此时由于死区而产生的等
效电压矢量为 u
6
(101),而不是零矢量 u
7
(111)。 由
此可见,并不是所有不相邻且不相反的电压矢量进
行切换都会产生等效零矢量。 因此,在这种情况下,
应该允许不会产生等效零矢量的不相邻且不相反的
电压矢量进行切换,以充分利用逆变器的 6 个非零
电压矢量来减小电流 THD。
根据这个原理,本文将电流分为 6 个扇区,并得
到了所有需要屏蔽的电压矢量切换组合,如表 1 和
表 2 所示。 表中,S 代表电流的扇区。
表 1 状态电流扇区划分
Table 1 Current sector division
电流 S 电流 S
i
a
>0,i
b
<0,i
c
>0
1
i
a
<0,i
b
>0,i
c
<0
4
i
a
>0,i
b
<0,i
c
<0
2
i
a
<0,i
b
>0,i
c
>0
5
i
a
>0,i
b
>0,i
c
<0
3
i
a
<0,i
b
<0,i
c
>0
6
表 2 等效零矢量的电压矢量切换组合
Table 2 Voltage vector switching combinations that can
generate equivalent zero voltage vector
S 切换组合
等效零
矢量
S 切换组合
等效零
矢量
1
u
1
↔ u
5
3
u
1
↔ u
3
5
u
3
↔ u
5
u
0
2
u
2
↔ u
6
4
u
2
↔ u
4
6
u
4
↔ u
6
u
7
根据该分析结果,本文提出了一种基于电流扇
区的电压矢量预选方法,以充分利用 6 个非零电压
矢量,在实现共模电压抑制的同时,减小电流 THD。
所提出的电压矢量预选方法如表 3 所示。 同时,与
文献[16]一样,本文也采用零电压矢量进行优化运
算,并在实际应用中采用 2 个相反的非零电压矢量
进行替代。
对比附录中表 A1 和表 3 可见,本文所提出的方
法在不同的电流扇区内均增加了预选电压矢量个
数,从而可以充分利用两电平逆变器的 6 个非零电
压矢量,实现减小电流 THD 的目的。
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