共直流母線開繞組異步電機系統零序環流抑制方法與流程
本發明屬于電氣工程領域的逆變器控制技術，具體涉及一種共直流母線開繞組異步電機系統零序環流抑制方法。
背景技術：
相比于傳統的單逆變器驅動異步電機調速系統，共直流母線開繞組異步電機系統具有容錯性高、拓撲結構靈活、直流側電壓等級低等優點。基于此，共直流母線開繞組異步電機系統越來越多地受到學界的關注。
雖然共直流母線開繞組異步電機具有良好的應用前景，但其作為一種較新的電機拓撲結構，還面臨著諸多有待解決的問題，其中之一便是系統的零序環流問題。系統的零序環流由系統的零序電壓引起，零序電壓的來源主要有，逆變器調制策略本身產生的零序電壓；逆變器非線性因素導致的零序電壓；開繞組異步電機發電動勢中的零序分量等。
目前，針對開繞組異步電機零序環流問題有學術論文對此做了深入的理論分析，如2014年ieee文獻“comparativeevaluationofsvpwmstrategiesforadualinverterfedopen-endwindinginductionmotordrivewithasingledcpowersupply”(“共直流母線雙逆變器供電開繞組異步電機驅動的svpwm(spacevectorpulsewidthmodulation)策略比較”——2014年第四十屆ieee工業電子學會年會)所述，其中涉及到以下幾種調制方案：
1)120°解耦svpwm策略；
2)180°解耦svpwm策略；
3)saze(thesampleaveragedzero-sequenceelimination)svpwm策略；
4)雙電源供電策略；
2016年ieee文獻“angularmodulationofdual-inverterfedopen-endmotorforelectricalvehicleapplications”(“電動汽車用雙逆變器供電開繞組電機角度調制”——2016年4月ieee電力電子協會期刊，第31卷，第4期)，該文章指出調制策略中使用零矢量會使系統存在較大的共模電壓。
通過上述文章分析以及相關結果可以發現，方案1)、2)、3)中開繞組異步電機定子電流存在明顯的畸變，零序環流分量明顯。這4種方案存在著明顯的不足，如下：
(1)方案1)、2)、3)未考慮到逆變器非線性導致的零序電壓分量；
(2)方案1)、2)、3)未考慮到開繞組異步電機反電動勢中的零序分量產生的零序電壓；
(3)方案4)采用兩個獨立直流源供電，切斷了零序環流的回路，但是增加了系統的硬件體積與成本。
(4)4種方案中均使用零矢量，導致開繞組電機系統存在較大的共模電壓。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題為針對現有技術中單純從調制策略環節抑制零序環流，忽略逆變器非線性、反電動勢零序分量，導致共直流母線開繞組異步電機定子電流畸變明顯、零序環流明顯；基于此本發明提出了一種零序電壓可控的空間矢量pwm調制方案，通過對共直流母線開繞組異步電機系統零序電壓的主動控制實現對零序環流的抑制，同時避免使用零矢量，減小開繞組電機系統的共模電壓。
為解決本發明的技術問題，所采用的技術方案如下。
本發明提供了一種共直流母線開繞組異步電機系統零序環流抑制方法，本抑制方法涉及的共直流母線開繞組異步電機拓撲結構具體描述如下：直流母線電壓為udc；直流側設置有一個穩壓電容c，電容c的正極連接第一逆變器和第二逆變器正極，電容c負極連接第一逆變器和第二逆變器負極；第一逆變器第一相橋臂包括兩只開關管s11、s12以及兩只二極管d11、d12，s11與s12串聯，s11發射極連接s12集電極，d11正極連接s11發射極，負極連接s11集電極，d12正極連接s12發射極，負極連接s12集電極；第一逆變器第二相橋臂包括兩只開關管s13、s14以及兩只二極管d13、d14，s13與s14串聯，s13發射極連接s14集電極；d13正極連接s13發射極，負極連接s13集電極，d14正極連接s14發射極，負極連接s14集電極；第一逆變器第三相橋臂包括兩只開關管s15、s16以及兩只二極管d15、d16，s15與s16串聯，s15發射極連接s16集電極，d15正極連接s15發射極，負極連接s15集電極，d16正極連接s16發射極，負極連接s16集電極；第二逆變器第一相橋臂包括兩只開關管s21、s22以及兩只二極管d21、d22，s21與s22串聯，s21發射極連接s22集電極，d21正極連接s21發射極，負極連接s21集電極，d22正極連接s22發射極，負極連接s22集電極；第二逆變器第二相橋臂包括兩只開關管s23、s24以及兩只二極管d23、d24，s23與s24串聯，s23發射極連接s24集電極，d23正極連接s23發射極，負極連接s23集電極，d24正極連接s24發射極，負極連接s24集電極；第二逆變器第三相橋臂包括兩只開關管s25、s26以及兩只二極管d25、d26，s25與s26串聯，s25發射極連接s26集電極，d25正極連接s25發射極，負極連接s25集電極，d26正極連接s26發射極，負極連接s26集電極；開繞組異步電機三相定子繞組分別為a、b、c，a相兩端連接第一逆變器第一相橋臂中點a1和第二逆變器第一相橋臂中點a2，b相兩端連接第一逆變器第二相橋臂中點b1和第二逆變器第二相橋臂中點b2，c相兩端連接第一逆變器第三相橋臂中點c1和第二逆變器第三相橋臂中點c2；
本抑制方法包括以下步驟：
步驟1，采集開繞組異步電機定子上三相電流ia、ib、ic和轉子電角速度ωr；
步驟2，將步驟1采集得到的開繞組異步電機定子上三相電流ia、ib、ic按照下式(1)、(2)變換到同步旋轉dq坐標系下：
其中iα、iβ為兩相靜止坐標系αβ中開繞組異步電機定子α軸電流和β軸電流，i0為開繞組異步電機系統的零序環流，id、iq為旋轉坐標系dq坐標系中開繞組異步電機定子d軸電流和q軸電流、θ為轉子定向角度；
步驟3，根據步驟2獲得的id、iq、i0計算調節器輸入值：
其中
步驟4，設設定參考電壓矢量為ou，計算設定參考電壓矢量ou在αβ坐標系下的分量uα、uβ：
其中udout為定子d軸電流調節器輸出值，uqout定子q軸電流調節器輸出值，θ為轉子定向角度，uα、uβ為設定參考電壓矢量ou在αβ坐標系下的分量；
步驟5，將設定參考電壓矢量ou在αβ坐標系下的分量uα、uβ按照下式變換到abc坐標系下，得到ua、ub、uc：
其中ou為設定參考電壓矢量，ua、ub、uc為設定參考電壓矢量ou在abc坐標系中a軸、b軸和c軸上的分量；
步驟6，按照下式對設定參考電壓矢量ou進行180°解耦：
其中ou1為第一逆變器合成參考電壓矢量，ou2為第二逆變器合成參考電壓矢量，u0為零序環流調節器輸出值，u0為第一逆變器零軸電壓目標值，u0'為第二逆變器零軸電壓目標值；
步驟7，根據下表對電壓矢量ou1、ou2所在αβ坐標系中扇區位置進行判斷：
其中ou1為第一逆變器合成參考電壓矢量，ou2為第二逆變器合成參考電壓矢量，ua、ub、uc分別設定參考電壓矢量ou在abc坐標系中a軸、b軸和c軸上的分量，扇區ⅰ表示αβ坐標系中0°-60°區域，α軸所在位置為0°，β軸所在位置為90°，扇區ⅱ表示αβ坐標系中60°-120°區域，扇區ⅲ表示αβ坐標系
中120°-180°區域，扇區ⅳ表示αβ坐標系中180°-240°區域，扇區ⅴ表示αβ坐標系中240°-300°區域，扇區ⅵ表示αβ坐標系中300°-360°區域；
步驟8，根據步驟7中獲得的第一逆變器和第二逆變器的合成參考電壓矢量ou1、ou2所在αβ坐標系中扇區位置信息，按照下表選擇第一逆變器和第二逆變器參與合成的電壓空間矢量；
其中扇區ⅰ表示αβ坐標系中0°-60°區域，α軸所在位置為0°，β軸所在位置為90°，扇區ⅱ表示αβ坐標系中60°-120°區域，扇區ⅲ表示αβ坐標系中120°-180°區域，扇區ⅳ表示αβ坐標系中180°-240°區域，扇區ⅴ表示αβ坐標系中240°-300°區域，扇區ⅵ表示αβ坐標系中300°-360°區域；u1、u2、u3、u4、u5、u6為第一逆變器產生的電壓空間矢量，u1’、u2’、u3’、u4’、u5’、u6’為第二逆變器產生的電壓空間矢量；
第一逆變器產生的電壓空間矢量對應的開關狀態如下表所示：
其中sa1、sb1、sc1分別表示第一逆變器第一橋臂、第二橋臂、第三橋臂的開關狀態，等于1時表示上開關管導通，下開關管關斷；等于0時表示上開關管關斷，下開關管導通；
第二逆變器產生的電壓空間矢量對應的開關狀態如下表：
其中sa2、sb2、sc2分別第二逆變器第一橋臂、第二橋臂、第三橋臂的開關狀態，等于1時表示橋臂上開關管導通，下開關管關斷；等于0時表示橋臂上開關管關斷，下開關管導通；
步驟9，計算第一逆變器和第二逆變器每個扇區選擇的相應的4個電壓空間矢量的作用時間；
第一逆變器根據步驟8的選擇結果，在ou1所在扇區內選擇電壓空間矢量u1、u2、u3、u4，根據伏秒平衡原理建立下式：
求解得到t1、t2、t3、t4；
第二逆變器根據步驟8的選擇結果，在ou2所在扇區內選擇電壓空間矢量u1'、u2'、u3'、u4'，根據伏秒平衡原理建立下式：
求解得到t1'、t2'、t3'、t4'；
其中，ts為一個開關周期的時間，u0為第一逆變器零軸電壓目標值，u1、u2、u3、u4為步驟8中選擇的第一逆變器產生的電壓空間矢量，u10、u20、u30、u40分別為u1、u2、u3、u4在零軸上的分量，u1α、u2α、u3α、u4α分別為u1、u2、u3、u4在α軸上的分量，u1β、u2β、u3β、u4β分別為u1、u2、u3、u4在β軸上的分量，t1、t2、t3、t4分別為u1、u2、u3、u4的作用時間，u1'、u2'、u3'、u4'為步驟4中選擇的第二逆變器產生的電壓空間矢量，u0'為第二逆變器零軸電壓目標值，u10'、u20'、u30'、u40'分別為u1'、u2'、u3'、u4'在零軸上的分量，u'1α、u'2α、u'3α、u'4α分別為u1'、u2'、u3'、u4'在α軸上的分量，u'1β、u'2β、u'3β、u'4β分別為u1'、u2'、u3'、u4'在β軸上的分量。t1'、t2'、t3'、t4'分別為u1'、u2'、u3'、u4'的作用時間；
步驟10，根據步驟9計算得到的第一逆變器和第二逆變器每個扇區選擇的相應的4個電壓空間矢量u1、u2、u3、u4和u1'、u2'、u3'、u4'的作用時間畫出第一逆變器和第二逆變器的開關波形；
步驟11，根據步驟10得到的開關波形得到第一逆變器和第二逆變器中開關管的翻轉時刻；
步驟12，根據步驟11獲取的第一逆變器和第二逆變器中開關管的翻轉時刻更新比較寄存器的值，從而由數字信號處理器產生兩個逆變器的開關信號，完成兩個逆變器的電壓矢量調制信號的生成。
優選地，其特征在于，步驟1中開繞組異步電機三相定子電流ia、ib、ic是利用電流傳感器實時采樣得到。
優選地，其特征在于，步驟1中轉子電角速度的ωr采集步驟如下：
1)在一個預設采樣周期t內采樣安裝在電機軸上的光電式旋轉編碼器發出的脈沖數n；
2)根據轉子電角速度ωr和光電式旋轉編碼器發出的脈沖數n以及預設采樣周期t之間的關系計算出轉子電角速度ωr，其計算公式為：
在公式(9)中，m為光電式旋轉編碼器旋轉一周所產生的脈沖數，p為開繞組異步電機極對數，t為預設采樣周期。
優選地，其特征在于，步驟2中轉子定向角度θ的獲得方式為：
θ＝∫ωrdt(10)
同時限制θ的范圍為0°-360°；其中，ωr為轉子電角速度，dt為時間的微分。
優選地，其特征在于，步驟3中d軸電流調節器、q軸電流調節器、零序環流調節器均為比例積分調節器。
附圖說明
圖1是共直流母線開繞組異步電機拓撲結構。
圖2是本發明的控制框圖。
圖3是第一逆變器輸出的電壓空間矢量圖。
圖4是第二逆變器輸出的電壓空間矢量圖。
圖5是第一逆變器扇區i的矢量合成原理圖
圖6是第一逆變器在扇區ⅰ的開關波形圖。
圖7是u0設置為定值0時共直流母線開繞組異步電機定子單相電流變化示意圖。
圖8是u0設置為定值0時共直流母線開繞組異步電機零序環流變化示意圖。
圖9是本發明調制方式下共直流母線開繞組異步電機定子單相電流變化示意圖。
圖10是本發明調制方式下共直流母線開繞組異步電機零序環流變化示意圖。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明的技術方案進行清楚、完整的描述。顯然所描述的實施例僅是本發明實施例的一部分，基于本發明的實施例，本領域的技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下獲得的其它實施例，都屬于本專利的保護范圍。
本發明提出了一種零序電壓可控的空間矢量pwm調制方案，通過對共直流母線開繞組異步電機系統零序電壓的主動控制實現對零序環流的抑制，同時避免使用零矢量，減小開繞組電機系統的共模電壓。
圖1是本發明涉及的共直流母線開繞組異步電機拓撲結構。描述如下：直流母線電壓為udc；直流側設置有一個穩壓電容c，電容c的正極連接第一逆變器和第二逆變器正極，電容c負極連接第一逆變器和第二逆變器負極；第一逆變器第一相橋臂包括兩只開關管s11、s12以及兩只二極管d11、d12，s11與s12串聯，s11發射極連接s12集電極，d11正極連接s11發射極，負極連接s11集電極，d12正極連接s12發射極，負極連接s12集電極；第一逆變器第二相橋臂包括兩只開關管s13、s14以及兩只二極管d13、d14，s13與s14串聯，s13發射極連接s14集電極；d13正極連接s13發射極，負極連接s13集電極，d14正極連接s14發射極，負極連接s14集電極；第一逆變器第三相橋臂包括兩只開關管s15、s16以及兩只二極管d15、d16，s15與s16串聯，s15發射極連接s16集電極，d15正極連接s15發射極，負極連接s15集電極，d16正極連接s16發射極，負極連接s16集電極；第二逆變器第一相橋臂包括兩只開關管s21、s22以及兩只二極管d21、d22，s21與s22串聯，s21發射極連接s22集電極，d21正極連接s21發射極，負極連接s21集電極，d22正極連接s22發射極，負極連接s22集電極；第二逆變器第二相橋臂包括兩只開關管s23、s24以及兩只二極管d23、d24，s23與s24串聯，s23發射極連接s24集電極，d23正極連接s23發射極，負極連接s23集電極，d24正極連接s24發射極，負極連接s24集電極；第二逆變器第三相橋臂包括兩只開關管s25、s26以及兩只二極管d25、d26，s25與s26串聯，s25發射極連接s26集電極，d25正極連接s25發射極，負極連接s25集電極，d26正極連接s26發射極，負極連接s26集電極；開繞組異步電機三相定子繞組分別為a、b、c，a相兩端連接第一逆變器第一相橋臂中點a1和第二逆變器第一相橋臂中點a2，b相兩端連接第一逆變器第二相橋臂中點b1和第二逆變器第二相橋臂中點b2，c相兩端連接第一逆變器第三相橋臂中點c1和第二逆變器第三相橋臂中點c2。
圖2是本發明的控制框圖。根據圖2，本發明包括以下步驟：
步驟1，采集開繞組異步電機定子上三相電流ia、ib、ic和轉子電角速度ωr。
所述三相定子電流ia、ib、ic是利用電流傳感器實時采樣得到；
所述轉子電角速度的ωr采集步驟如下：
1)在一個預設采樣周期t內采樣安裝在電機軸上的光電式旋轉編碼器發出的脈沖數n；
2)根據轉子電角速度ωr和光電式旋轉編碼器發出的脈沖數n以及預設采樣周期t之間的關系計算出轉子電角速度ωr，其計算公式為：
在公式(9)中，m為光電式旋轉編碼器旋轉一周所產生的脈沖數，p為開繞組異步電機極對數，t為預設采樣周期。
步驟2，將步驟1采集得到的開繞組異步電機定子上三相電流ia、ib、ic按照下式(1)、(2)變換到同步旋轉dq坐標系下：
其中iα、iβ為兩相靜止坐標系αβ中開繞組異步電機定子α軸電流和β軸電流，i0為開繞組異步電機系統的零序環流，id、iq為旋轉坐標系dq坐標系中開繞組異步電機定子d軸電流和q軸電流、θ為轉子定向角度。
轉子定向角度θ的獲得方式為：
θ＝∫ωrdt(10)
同時限制θ的范圍為0°-360°；其中，ωr為轉子電角速度，dt為時間的微分。
步驟3，根據步驟2獲得的id、iq、i0計算調節器輸入值：
其中
步驟4，設設定參考電壓矢量為ou，計算設定參考電壓矢量ou在αβ坐標系下的分量uα、uβ：
其中udout為定子d軸電流調節器輸出值，uqout定子q軸電流調節器輸出值，θ為轉子定向角度，uα、uβ為設定參考電壓矢量ou在αβ坐標系下的分量。
步驟5，將設定參考電壓矢量ou在αβ坐標系下的分量uα、uβ按照下式變換到abc坐標系下，得到ua、ub、uc：
其中ou為設定參考電壓矢量，ua、ub、uc為設定參考電壓矢量ou在abc坐標系中a軸、b軸和c軸上的分量。
步驟6，按照下式對設定參考電壓矢量ou進行180°解耦：
其中ou1為第一逆變器合成參考電壓矢量，ou2為第二逆變器合成參考電壓矢量，u0為零序環流調節器輸出值，u0為第一逆變器零軸電壓目標值，u0'為第二逆變器零軸電壓目標值。
步驟7，根據下表對電壓矢量ou1、ou2所在αβ坐標系中扇區位置進行判斷：
其中ou1為第一逆變器合成參考電壓矢量，ou2為第二逆變器合成參考電壓矢量，ua、ub、uc分別設定參考電壓矢量ou在abc坐標系中a軸、b軸和c軸上的分量，扇區ⅰ表示αβ坐標系中0°-60°區域，α軸所在位置為0°，β軸所在位置為90°，扇區ⅱ表示αβ坐標系中60°-120°區域，扇區ⅲ表示αβ坐標系中120°-180°區域，扇區ⅳ表示αβ坐標系中180°-240°區域，扇區ⅴ表示αβ坐標系中240°-300°區域，扇區ⅵ表示αβ坐標系中300°-360°區域，例如，當ua≥0，ub<0，uc<0時，可判定參考電壓矢量ou1所在αβ坐標系中扇區位置為扇區ⅰ，參考電壓矢量ou2所在αβ坐標系中扇區位置為扇區ⅳ。
步驟8，根據步驟7中獲得的第一逆變器和第二逆變器的合成參考電壓矢量ou1、ou2所在αβ坐標系中扇區位置信息，按照下表選擇第一逆變器和第二逆變器參與合成的電壓空間矢量。
其中扇區ⅰ表示αβ坐標系中0°-60°區域，α軸所在位置為0°，β軸所在位置為90°，扇區ⅱ表示αβ坐標系中60°-120°區域，扇區ⅲ表示αβ坐標系中120°-180°區域，扇區ⅳ表示αβ坐標系中180°-240°區域，扇區ⅴ表示αβ坐標系中240°-300°區域，扇區ⅵ表示αβ坐標系中300°-360°區域；u1、u2、u3、u4、u5、u6為第一逆變器產生的電壓空間矢量，u1’、u2’、u3’、u4’、u5’、u6’為第二逆變器產生的電壓空間矢量，例如，第一逆變器的合成參考電壓矢量ou1所在αβ坐標系中扇區位置為扇區ⅰ，其選擇參與合成的電壓空間矢量為u6、u1、u2、u3。第二逆變器的合成參考電壓矢量ou2所在αβ坐標系中扇區位置為扇區ⅰ，其選擇參與合成的電壓空間矢量為u6’、u1’、u2’、u3’。
第一逆變器產生的電壓空間矢量對應的開關狀態如下表所示：
其中sa1、sb1、sc1分別表示第一逆變器第一橋臂、第二橋臂、第三橋臂的開關狀態，等于1時表示上開關管導通，下開關管關斷；等于0時表示上開關管關斷，下開關管導通，例如，當電壓矢量為u1時，開關狀態sa1sb1sc1為100，即此時sa1為1，sb1為0，sc1也為0。
第二逆變器產生的電壓空間矢量對應的開關狀態如下表：
其中sa2、sb2、sc2分別第二逆變器第一橋臂、第二橋臂、第三橋臂的開關狀態，等于1時表示橋臂上開關管導通，下開關管關斷；等于0時表示橋臂上開關管關斷，下開關管導通，例如，當電壓矢量為u1’時，開關狀態sa2sb2sc2為100，即此時sa2為1，sb2為0，sc2也為0。
圖3是第一逆變器輸出的電壓空間矢量圖。圖4是第二逆變器輸出的電壓空間矢量圖。圖5是第一逆變器扇區i的矢量合成原理圖。
步驟9，計算第一逆變器和第二逆變器每個扇區選擇的相應的4個電壓空間矢量的作用時間；
第一逆變器根據步驟8的選擇結果，在ou1所在扇區內選擇電壓空間矢量u1、u2、u3、u4，根據伏秒平衡原理建立下式：
求解得到t1、t2、t3、t4。
第二逆變器根據步驟8的選擇結果，在ou2所在扇區內選擇電壓空間矢量u1'、u2'、u3'、u4'，根據伏秒平衡原理建立下式：
求解得到t1'、t2'、t3'、t4'。
其中，ts為一個開關周期的時間，u0為第一逆變器零軸電壓目標值，u1、u2、u3、u4為步驟8中選擇的第一逆變器產生的電壓空間矢量，u10、u20、u30、u40分別為u1、u2、u3、u4在零軸上的分量，u1α、u2α、u3α、u4α分別為u1、u2、u3、u4在α軸上的分量，u1β、u2β、u3β、u4β分別為u1、u2、u3、u4在β軸上的分量，t1、t2、t3、t4分別為u1、u2、u3、u4的作用時間，u1'、u2'、u3'、u4'為步驟4中選擇的第二逆變器產生的電壓空間矢量，u0'為第二逆變器零軸電壓目標值，u10'、u20'、u30'、u40'分別為u1'、u2'、u3'、u4'在零軸上的分量，u'1α、u'2α、u'3α、u'4α分別為u1'、u2'、u3'、u4'在α軸上的分量，u'1β、u'2β、u'3β、u'4β分別為u1'、u2'、u3'、u4'在β軸上的分量。t1'、t2'、t3'、t4'分別為u1'、u2'、u3'、u4'的作用時間。
步驟10，根據步驟9計算得到的第一逆變器和第二逆變器每個扇區選擇的相應的4個電壓空間矢量u1、u2、u3、u4和u1'、u2'、u3'、u4'的作用時間畫出第一逆變器和第二逆變器的開關波形。
步驟11，根據步驟10得到的開關波形得到第一逆變器和第二逆變器中開關管的翻轉時刻。
步驟12，根據步驟11獲取的第一逆變器和第二逆變器中開關管的翻轉時刻更新比較寄存器的值，從而由數字信號處理器產生兩個逆變器的開關信號，完成兩個逆變器的電壓矢量調制信號的生成。
圖6是第一逆變器在扇區ⅰ的開關波形圖。由圖6可見，第一逆變器在第一扇區選擇矢量u6、u1、u2、u3，其作用時間分別為t6、t1、t2、t3,從圖中可以看出開關管的反轉時刻，由此設置數字處理器比較寄存器的值分別為
圖7是u0設置為定值0時共直流母線開繞組異步電機定子單相電流變化示意圖。圖8是u0設置為定值0時共直流母線開繞組異步電機零序環流變化示意圖。圖9是本發明調制方式下共直流母線開繞組異步電機定子單相電流變化示意圖。圖10是本發明調制方式下共直流母線開繞組異步電機零序環流變化示意圖。由此，可以看出本發明對于共直流母線開繞組異步電機系統零序環流起到了很好的抑制作用。
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