共直流母線五相雙逆變器共模電壓抑制策略

楊 旭，陸 可

(西南交通大學 電氣工程學院，成都 610031)

0 引 言

雙逆變器驅動系統(tǒng)是在單逆變器驅動傳統(tǒng)電機控制系統(tǒng)基礎上，不改變原電機的本體電磁設計，只是將繞組中性點打開，并在繞組另一端串接逆變器而成，這樣的結構具有更高的容錯能力和電壓利用率，在電磁彈射、輪船推進、以及電動汽車上都有廣泛的應用[1]。近20年來，三相開繞組雙逆變器系統(tǒng)已經(jīng)有了深入的研究[2-7]，開繞組系統(tǒng)所呈現(xiàn)的性能優(yōu)勢和應用潛力正在越來越被學術界關注。近幾年，也有學者對多相開繞組結構展開了研究[8-10]。目前，多相驅動一般是傳統(tǒng)兩電平逆變器或者中點鉗位的三電平逆變器，而針對多相電機的雙逆變器驅動結構研究還較少，和三相系統(tǒng)相比，多相驅動系統(tǒng)具有更高的容錯能力、更高的母線電壓利用率，應用場合更加廣泛。

五相雙逆變器系統(tǒng)的拓撲結構具有多樣性，按照電源的供電方式劃分,可分為單電源供電和雙獨立電源供電兩種結構，即共直流母線和獨立直流母線，如圖1所示。獨立直流母線拓撲需要用到兩個隔離電源，這樣會增加系統(tǒng)成本，同時也會增加系統(tǒng)結構的復雜度，在某些不能提供雙電源的場合，獨立直流母線結構將不能使用。共直流母線拓撲使用單電源供電，減少了系統(tǒng)的復雜度，同時節(jié)約了成本。然而，對于共直流母線結構，電機繞組和母線之間將形成零序電流回路，當系統(tǒng)產生共模電壓時，將會形成零序電流，零序電流流過電機繞組會增加系統(tǒng)的損耗，降低系統(tǒng)運行效率和運行穩(wěn)定性。

(a) 共直流母線

(b) 獨立直流母線圖1 五相開繞組系統(tǒng)結構

為了抑制或消除零序電流，傳統(tǒng)方法是在定子回路增加濾波器[11],但這樣會使硬件電路更加復雜，增加了成本。事實上，空間脈寬調制是產生共模電壓的主要原因，只要抑制了系統(tǒng)的共模電壓，零序電流也將得到較好的抑制，因此更好的方式是優(yōu)化調制策略，抑制共模電壓，以抑制零序電流。但和三相系統(tǒng)不一樣的是，多相系統(tǒng)脈寬調制由于矢量的增多，調制算法將顯得更加復雜。在三相開繞組系統(tǒng)中已提出多種脈寬調制方法以消除共模電壓，文獻[2]利用電壓補償器的思想來抑制共模電壓,此種方法會用到低通濾波器和鎖相環(huán)，控制系統(tǒng)結構顯得復雜；文獻[3]提出了基于正態(tài)分布和矢量解耦的原理抑制共模電壓；文獻[4-6]利用雙逆變器交替鉗位的思想，通過零電壓矢量作用時間的重新分配，實現(xiàn)零序共模電壓的抑制，但這種調制方式仍會存在瞬時共模電壓;文獻[7]用不產生共模電壓的矢量作為合成矢量，因此，理論上在每個時刻系統(tǒng)產生的共模電壓將為零，在后來多相開繞組系統(tǒng)中也運用了此思想，以消除共模電壓[12]。

目前，對雙逆變器系統(tǒng)共模電壓抑制的研究主要集中在三相系統(tǒng)，對五相系統(tǒng)的研究較少。文獻[13]把每個扇區(qū)分為4個小扇區(qū)，每9°一個小扇區(qū)，按照開關切換次數(shù)最少的原則，在每一個小扇區(qū)采用一種開關矢量作用于INV1和INV2，這種方式能減少輸出諧波，但卻增加了開關頻率，增大了損耗；文獻[14]應用交替鉗位的思想，把INV1和INV2交替作為鉗位逆變器和調制逆變器，使一個周期內輸出的平均共模電壓為零，這種方式可以降低功率管的使用頻率，減小系統(tǒng)損耗，但這種方式仍會存在瞬時共模電壓。

本文采用文獻[7]提出的理論，選擇不產生共模電壓的矢量來合成參考矢量，相較于文獻[7]中針對三相系統(tǒng)解耦角度為120°，本文針對五相系統(tǒng)解耦角度為144°。和三相系統(tǒng)共模電壓抑制相比，五相系統(tǒng)共模電壓抑制更加復雜，主要體現(xiàn)在輸出的空間矢量增多，空間矢量需分解到基波空間和三次諧波空間，這都會增加調制的難度，本文對解耦后單個五逆變器采用最近四矢量空間脈寬矢量調制，以此實現(xiàn)對五相雙逆變器系統(tǒng)共模電壓的抑制，最后通過仿真驗證了本方法的正確性。

1 五相開繞組雙逆變器系統(tǒng)

共直流母線五相開繞組電機雙逆變器拓撲如圖1(a)所示。雙逆變器系統(tǒng)由10個橋臂(a，b，c，d，e，a′,b′,c′,d′和e′)和20個功率管構成，aa′,bb′,cc′,dd′和ee′為五相開繞組電機各相繞組，五相繞組兩端分別接逆變器1(INV1)和逆變器2(INV2)，直流電壓源同時給INV1和INV2供電,開繞組五相電機輸出相電壓由INV1和INV2共同調制，輸出的相電壓可表示：

(1)

雙逆變器系統(tǒng)分別在兩個正交子空間d1-q1,d3-q3產生的空間矢量：

(2)

(3)

對于單個五相逆變器，產生的空間矢量(00000～11111)一共有32種，則雙逆變器系統(tǒng)一共可產生32×32=1 024種空間矢量，如此多矢量將會增大調制難度，本文介紹的調制方法將大大減少選擇的空間矢量數(shù)量，減小調制難度。

2 共模電壓分析

式(4)為INV1,INV2產生的共模電壓，式(5)為雙逆變器系統(tǒng)產生的共模電壓，若要使雙逆變器系統(tǒng)輸出共模電壓為零，則需滿足式(6):

(4)

(5)

(6)

(7)

按照以上矢量產生規(guī)則，五相雙逆變器系統(tǒng)中輸出不產生共模電壓的空間矢量如圖2所示，矢量位置分布為5個十邊形D1～D5和零矢量D0,一共6種不同的幅值，當只用這十邊形上的矢量作為合成矢量時，雙逆變器輸出的共模電壓即為零。

圖2 輸出VCM為零的電壓矢量圖

將扇區(qū)1內D0～D5矢量開關狀態(tài)列出，如表1所示，進一步說明開關狀態(tài)和空間矢量位置的關系。

表1 輸出VCM為零的開關組合狀態(tài)

3 共模電壓抑制策略

為了保證在d3-q3空間合成矢量幅值為零，并且調制度盡可能得大，選D3,D5作為合成矢量。每一個矢量位置都是由幾種不同的開關組合而成，但在滿足開關切換次數(shù)最少的情況下，一共可有兩種空間矢量位置組合順序，如圖3所示。

圖3 兩種空間矢量位置組合順序

在選擇空間矢量時，零矢量D0有32種(圖3矢量位置O)，D3每個空間矢量位置有8種(圖3矢量位置A,B)，D5每個空間矢量位置有2種(圖3矢量位置C,D)，因此對于同一個矢量位置合理選擇開關狀態(tài)就非常重要。以雙逆變器系統(tǒng)輸出空間矢量在扇區(qū)1為例，按照表1給出的每個空間位置可以選擇的開關矢量。其中D3，D5表格上部分對應矢量位置A,C；D3，D5表格下部分對應矢量位置B,D。在選擇開關切換狀態(tài)時，還需滿足開關切換次數(shù)應為最小，則INV1和INV2可按表2的切換順序進行開關狀態(tài)切換，即圖3實線順序(O-A-D-C-B)，若按虛線順序也是一樣的原理，本文按實線軌跡為例。

表2 INV1,INV2開關切換順序

圖4 144°空間矢量解耦原理圖

(8)

經(jīng)過解耦之后，五相開繞組電機雙逆變器系統(tǒng)的控制可轉化為2個五相逆變器的控制。由于在單個逆變器中只用中矢量和大矢量作為合成矢量，這樣能夠保證在d3-q3空間矢量幅值為零[15]，以此消除諧波，這種調制方式稱作最近四矢量空間矢量脈寬調制。

4 最近四矢量空間矢量脈寬調制

圖5為五相逆變器第1扇區(qū)離參考矢量最近的相鄰四矢量，圖5(a)為d1-q1空間矢量，圖5(b)為d3-q3空間矢量。

(a) d1-q1空間矢量

(b) d3-q3空間矢量圖5 第1扇區(qū)相鄰四矢量

d1-q1空間兩個大矢量分別為U1,U2幅值為0.647 2Vdc,在d3-q3空間對應幅值為0.247 2Vdc，d1-q1空間兩個中矢量為U3，U4,幅值為0.4Vdc，在d3-q3空間對應幅值為0.4Vdc，它們的作用時間分別為T1～T4,要使在三次諧波空間合成矢量幅值為零，需滿足下式：

(9)

可求出：

(10)

基本矢量U1,U2,U3,U4作用時間應滿足下式：

(11)

聯(lián)立式(10)即可完成相鄰四矢量空間四矢量脈寬調制的基本電壓矢量作用時間的計算。

5 仿真驗證

為了驗證本文的調制算法對五相雙逆變器系統(tǒng)共模電壓抑制的效果，搭建了五相開繞組永磁電機的MATLAB開環(huán)仿真模型，采用恒壓頻比(V/F) 的控制方式控制電機運行，如圖6所示。仿真參數(shù)如下：直流電壓源400 V，載波頻率10 kHz，定子電阻6.8 Ω，d,q軸電感為7.5 mH,漏感1.5 mH,極對數(shù)為2，永磁體磁鏈為0.5 Wb。

當vref1和vref2成144°解耦時，SVPWM產生的調制波如圖7所示，其中Tga為INV1a相橋臂調制波，Tga′為INV2a′相橋臂調制波。

圖7 INV1和INV2調制波波形

圖8、圖9分別為雙逆變器系統(tǒng)A相相電壓波形Vaa′和AB兩相間線電壓波形Vaa′-bb′。

圖8 相電壓仿真波形Vaa′

圖9 線電壓仿真波形Vaa′-bb′

為了證明本文對雙逆變器系統(tǒng)輸出共模電壓抑制的效果，將144°解耦調制和非144°(本文任取60°)解耦調制進行對比分析，輸出共模電壓調制度分別為0.5和0.9。圖10為調制度m=m1=m2=0.9時，144°解耦調制和60°解耦調制輸出的共模電壓波形。圖11為144°解耦調制和60°解耦調制輸出的電流波形及對應諧波頻譜。圖12為在調制度m=m1=m2=0.5時，144°解耦調制和60°解耦調制輸出的共模電壓波形。圖13為144°解耦調制和60°解耦調制輸出的電流波形及對應諧波頻譜。

圖10 m=0.9時輸出共模電壓仿真波形

(a) 144°解耦調制

(b) 60°解耦調制圖11 m=0.9時相電流波形及諧波頻譜

圖12 m=0.5時輸出共模電壓仿真波形

(a) 144°解耦調制

(b) 60°解耦調制圖13 m=0.5時相電流波形及諧波頻譜

為了更加直觀對比在不同調制度下，144°解耦調制相對于60°解耦調制共模電壓的抑制效果，將調制度為0.1～1.0之間取10組，分別進行仿真并對比相電流THD值，如圖14所示。

圖14 0.1～1.0調制度下兩種解耦 角度A相電流THD對比

由圖10～圖14仿真結果可知，本文的144°解耦調制算法在高調制度和低調制度時都能較好地抑制共模電壓，且電機輸出電流波形良好。當采用60°解耦調制即非144°解耦調制時，系統(tǒng)在高低調制度下都會輸出±80 V的共模電壓，這會使電機相電流產生很大的畸變，輸出電流波形效果很差。由此可見，本文的144°解耦調制算法能較好地抑制系統(tǒng)共模電壓。

6 結 語

本文借鑒三相開繞組電機雙逆變器系統(tǒng)，基于空間矢量解耦抑制共模電壓的思想，研究了針對五相雙逆變器共模電壓抑制的方法，結合空間矢量解耦思想和單個五相逆變器最近四矢量調制策略，有效地抑制了共模電壓，仿真驗證了此方法的正確性。