碳化硅逆变器共模电压幅值减小的方法和装置与流程

本发明涉及一种方法，具体涉及一种碳化硅逆变器共模电压幅值减小的方法与装置，属于电力电子技术领域。

背景技术：

三相电压源型变换器被广泛应用于电机调速、新能源发电并网、电动汽车、轨道交通与电网谐波治理等领域。随着新一代碳化硅电力电子器件的迅速发展，采用碳化硅电力电子器件的三相电压源型逆变器的开关频率逐步提高，变换器产生的固有的高频共模电压(common-modevoltage,cmv)会造成很多负面效应，如在交流电机调速领域^[6,7,9]，电机端产生的高频轴电压与轴电流减少了电机的使用寿命，并产生很强的共模干扰，在光伏发电领域^[8,14]，高频cmv产生的漏电流会引起并网电流畸变等问题。

采用传统的空间矢量脉宽调制(svpwm)，碳化硅三相电压源型逆变器的共模电压幅值达到直流母线电压的一半。为了抑制共模电压的幅值，根据逆变器的特性，改进开关序列或矢量合成方式来避免零电压矢量的使用，从而将共模电压的幅值限制在六分之一直流母线电压以内。但是传统的共模电压抑制方法与svpwm相比，电流波形质量有所降低，在新的开关序列或者新的矢量合成方式下如何实现电流纹波的最小化还未见报道。因此急需一种新的设计方案解决这些技术问题。

技术实现要素：

本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供了碳化硅逆变器共模电压幅值减小的方法，此种方法实现简便，可在将共模电压幅值限制在六分之一直流母线电压的基础上实现电流纹波的最小化。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种碳化硅逆变器共模电压幅值减小的装置，其特征在于，所述装置包括电流纹波最小共模电压减小pwm、驱动电路、三相碳化硅逆变器模块以及负载，所述电流纹波最小共模电压减小pwm由数字处理电路完成电流纹波损耗最小目标下的三相占空比的实时计算并产生相应的三相开关序列；所述的数字处理电路包含供电电路、数字运算芯片、采样电路、输入输出口以及外围电路；所述驱动电路根据电流纹波最小共模电压减小pwm输出的开关序列信号产生相应的碳化硅器件的驱动信号；所述三相碳化硅逆变器模块根据驱动电路发出的驱动信号控制碳化硅器件的开通和关断，所述负载与三相碳化硅逆变器模块连接。

其中，所述三相碳化硅逆变器模块包含直流电源、直流母线支撑电容c、u相碳化硅逆变器桥臂、v相碳化硅逆变器桥臂、w相碳化硅逆变器桥臂、u相输出端口、v相输出端口以及w相输出端口；所述直流电源提供电源，所述u相碳化硅逆变器桥臂、v相碳化硅逆变器桥臂、w相碳化硅逆变器桥臂并联，分别通过u相输出端口、v相输出端口以及w相输出端口进行电压输出。

一种碳化硅逆变器共模电压幅值减小的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：三相电压源型变换器的直流母线电压为vdc,当参考电压矢量相位为θ且调制度为m时，三相正弦调制波的表达式为：

比较三相正弦调制波的大小，获取正弦调制波的最大值最小与中间值如下：

步骤二：算法的控制变量为注入的零序电压(vz)，计算线性调制约束条件如下：

步骤三：计算避免使用零矢量的约束条件如下：

步骤四：计算算法容许注入的最大零序电压如下：

计算算法容许注入的最小零序电压如下：

步骤五：以电流纹波损耗为目标，以伏秒平衡、线性调制以及避免零矢量的使用为约束条件，以注入的零序电压为控制变量，通过数学规划获取使得电流纹波损耗最小的零序电压如下：

(1)当时，优化零序电压如下，其中τ＝floor(6θ/π)，floor表示向下取整函数；

(2)当时，优化零序电压如下：

其中κ可查询下表获得：

其中按下式计算：

其中按下式计算：

其中ρ按下式计算：

ρ＝floor(3θ/π)+1；

步骤六：按照下表计算每相开关动作时刻(ta,tb,tc)以及开关序列：

其中ts为载波周期，三相开关序列中1状态表示对应的相上管开通，下管关断，三相开关序列中的0状态表示对应的相下管开通，上管关断。

相对于现有技术，本发明具有如下优点，该方案直接计算三相调制波与开关序列，无需计算扇区、电压空间矢量的作用时间，具有实现简便的优势，可在将共模电压幅值限制在六分之一直流母线电压的基础上实现电流纹波的最小化，相同开关频率与主电路参数的情况下，本方案的输出电压谐波总畸变率小于其他共模电压减小pwm，具有输出波形质量高的优势。

附图说明

图1为化硅逆变器共模电压幅值减小的装置整体示意图；

图2为三相碳化硅逆变器模块结构示意图；

图3为本发明共模电压波形图；

图4为传统svpwm的共模电压波形图。

图中：1、流纹波最小共模电压减小pwm，2、驱动电路，,3、三相碳化硅逆变器模块，4、负载4，直流电源3-1，直流母线支撑电容c3-2，u相碳化硅逆变器桥臂3-3，v相碳化硅逆变器桥臂3-4，w相碳化硅逆变器桥臂3-5，u相输出端口3-6，v相输出端口3-7，w相输出端口3-8。

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。

实施例1：参见图1，一种碳化硅逆变器共模电压幅值减小的装置，所述装置包括电流纹波最小共模电压减小pwm1、驱动电路2、三相碳化硅逆变器模块3以及负载4，所述电流纹波最小共模电压减小pwm1由数字处理电路完成电流纹波损耗最小目标下的三相占空比的实时计算并产生相应的三相开关序列；所述的数字处理电路包含供电电路、数字运算芯片、采样电路、输入输出口以及外围电路；所述驱动电路2根据电流纹波最小共模电压减小pwm1输出的开关序列信号产生相应的碳化硅器件的驱动信号；参见图2，所述三相碳化硅逆变器模块3包含直流电源3-1、直流母线支撑电容c3-2、u相碳化硅逆变器桥臂3-3、v相碳化硅逆变器桥臂3-4、w相碳化硅逆变器桥臂3-5、u相输出端口3-6、v相输出端口3-7、w相输出端口3-8；所述直流电源3-1提供电源，所述u相碳化硅逆变器桥臂3-3、v相碳化硅逆变器桥臂3-4、w相碳化硅逆变器桥臂3-5并联，分别通过u相输出端口3-6、v相输出端口3-7以及w相输出端口3-8进行电压输出，所述三相碳化硅逆变器模块3根据驱动电路2发出的驱动信号控制碳化硅器件的开通和关断，所述负载4与三相碳化硅逆变器模块3连接。

实施例2：参见图1-图4，一种碳化硅逆变器共模电压幅值减小的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：三相电压源型变换器的直流母线电压为vdc,当参考电压矢量相位为θ且调制度为m时，三相正弦调制波的表达式为：

比较三相正弦调制波的大小，获取正弦调制波的最大值最小与中间值如下：

步骤二：算法的控制变量为注入的零序电压(vz)，计算线性调制约束条件如下：

步骤三：计算避免使用零矢量的约束条件如下：

步骤四：计算算法容许注入的最大零序电压如下：

计算算法容许注入的最小零序电压如下：

步骤五：以电流纹波损耗为目标，以伏秒平衡、线性调制以及避免零矢量的使用为约束条件，以注入的零序电压为控制变量，通过数学规划获取使得电流纹波损耗最小的零序电压如下：

(1)当时，优化零序电压如下，其中τ＝floor(6θ/π)，floor表示向下取整函数；

(2)当时，优化零序电压如下：

其中κ可查询下表获得：

其中按下式计算：

其中按下式计算：

其中ρ按下式计算：

ρ＝floor(3θ/π)+1；

步骤六：按照下表计算每相开关动作时刻(ta,tb,tc)以及开关序列：

其中ts为载波周期，三相开关序列中1状态表示对应的相上管开通，下管关断，三相开关序列中的0状态表示对应的相下管开通，上管关断。

该方案中，三相碳化硅逆变器模块3的直流母线电压为300v，碳化硅器件开关频率设置为10khz且调制度m设置为1时的共模电压波形如图3，共模电压的幅值被限制在直流母线电压的六分之一以内(50v)。与图3作为对比，图4给出了相同参数条件下采用传统svpwm的共模电压波形，其特征在于共模电压幅值达到半母线电压(150v)，因此本发明相对于传统svpwm能够有效减小共模电压幅值。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。