三相四桥臂电压型逆变器的变载波脉宽调制系统及方法与流程

本发明属于逆变器脉宽调制技术领域，具体涉及一种三相四桥臂电压型逆变器的变载波脉宽调制系统及方法。

背景技术：

能源问题一直是制约一个人类社会发展的重要因素，社会的每一次重大进步，都离不开能源的改进和更替。节能环保将是人类可持续发展、避免灾难性气候变化的重要选项。当今世界电力能源的使用约占总能源的40％。

在用电侧，电机(尤其是三相电机)是一种应用量大、使用范围广的高耗能动力设备。例如，据统计，我国电机耗电约占工业用电总量的60％～70％。目前世界各国约90％电动机械采用异步电动机，其中小型异步电动机约占70％以上。在电力系统的总负荷中，异步电动机的用电量占很大的比重。在我国，异步电动机的用电量约占总负荷的60％多。然而大量的工业设备如风机、泵类设备以及传统的工业缝纫机、机械加工设备等，多采用异步电动机恒速传动的方案运行，导致交流电动机效率普遍较低。而且在工业缝纫机、机械加工设备中，往往采用离合器、摩擦片调节速度，造成大量的待机损耗和制动能耗。如果采用基于电力电子逆变器的变频调速装置来驱动电机设备，工业用户至少能在现有基础上节省电能18％以上。因此世界多国和我国均在积极鼓励工业企业推广变频调速等先进手段实现节能，与此同时还能够显著提高电力传动设备的工作性能。此外以电动汽车为代表的移动设备也依赖逆变器接口连接电网，从而进行充放电。

在发电侧，采用清洁可再生能源(包括风能、太阳能、氢能等)发电，是世界各国保证能源安全、减少碳排放并避免全球气候变暖的重要手段。近十多年来，我国的能源结构不断提升优化，清洁能源(包括风能、太阳能、氢能等)开发利用比重迅速提高。无论是并网发电还是离网发电，电力电子逆变器均是清洁能源发电不可或缺功率接口，是充分且高质量地开发利用清洁能源的关键设备。

在中大功率应用场合，三相电压型逆变器是进行电机调速、利用清洁能源供电等的核心部件，其调制和控制方案对电机调速系统、清洁能源发电系统的运行性能、可靠性和安全性具有决定性的影响。作为三相电压型逆变器，三相四桥臂电压型逆变器可为系统灵活提供三相四线制、三相三线功率甚至单相接口，能够利用辅助桥臂在三相不平衡等情形下改善逆变器供电质量和可靠性，广泛应用于电动汽车充放电、新能源并网发电以及电机驱动。目前的三相四桥臂电压型逆变器常采用脉宽调制技术实现对输出电压或电流的准确控制，其脉宽调制器一般采用一路固定的载波信号。然而采用单一载波的脉宽调制方案(如正弦脉宽调制、空间电压矢量调制、不连续脉宽调制等)的逆变器用于驱动星型连接的三相负载(尤其是三相平衡的异步电机)或变压器时，会造成星型连接中性点的共模扰动电压的幅值高达逆变器直流母线电压的一半，会带来较为严重的中性点对地漏电流等电磁干扰和绝缘性能下降等问题。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种三相四桥臂电压型逆变器的变载波脉宽调制系统及方法，有效减少中性点共模扰动电压所带来的对地漏电流等电磁干扰以及绝缘性下降等问题。

本发明采用的技术方案是：一种三相四桥臂电压型逆变器的变载波脉宽调制方法，其特征在于包括以下步骤：

a.获取逆变器的三相输出正弦电流期望值，并实时采样逆变器的三相输出电流瞬时值；

b.在每个控制采样周期内将逆变器的三相电流期望值与检测到的实际瞬时电流值相减得到三相电流偏差值；

c.根据三相电流偏差值计算出三相电流控制量，作为三相调制信号；

d.根据三相电流控制量选取脉宽调制所需的三相载波信号；

e.将各相调制信号和相应的各相载波信号进行比较以生成得到脉宽变化的三相开关驱动信号，将三相开关驱动信号用于控制逆变器电路的三相桥臂通断运行。

上述技术方案中，所述步骤d中所述的三相载波信号由两路载波信号源组合形成；两路载波信号源由同频率而相位相差180度的双极性三角形或锯齿型的载波1和载波2组成。

上述技术方案中，所述步骤d具体包括以下步骤：将三相电流控制量按各相控制量数值大小进行高低排序，确定控制量的分组类型，然后针对控制量的分组类型，通过查表从载波选取表1或载波选取表2中变化选取得到三相载波。

上述技术方案中，所述步骤a中，逆变器的各相输出电流的期望值为：

其中，分别为逆变器a、b、c三相输出电流期望值的有效值，分别为a、b、c三相输出电流期望值的相位角；ω为输出电流的角频率。

上述技术方案中，所述步骤a中，逆变器a、b、c三相期望输出电流的瞬时值分别为：

其中，ia,ib,ic,分别为逆变器a、b、c三相输出电流瞬时值的有效值，分别为a、b、c三相输出电流瞬时值的相位角。

上述技术方案中，所述步骤e中，将三相调制信号和对应的三相载波信号相减得到三相差值信号；所述的三相差值信号与零进行比较，从而生成脉宽变化的三相方波信号用以控制逆变器电路的三相桥臂的通断；当任一相差值信号大于等于零时，所产生的开关驱动信号s*+＝1，将开通相应相桥臂的上桥臂且断开下桥臂；反之，当任一相差值信号小于零时，所产生的开关驱动信号s*+＝0，将断开相应相桥臂的上桥臂且开通下桥臂；其中*为a或b或c，sa+指a相桥臂的开关驱动信号，sb+指b相桥臂的开关驱动信号，sc+指c相桥臂的开关驱动信号。

上述技术方案中，当逆变器三相四线运行时，n桥臂开关控制器根据三相开关驱动信号的状态实时查n相桥臂开关控制表产生n桥臂的开关驱动信号；当逆变器三相三线运行时，n桥臂的所有开关均设置为关断，所述逆变器直接接入三相三线的负载或变压器正常运行。

上述技术方案中，所述载波选取表1的判断逻辑如下：

当va>vb≥vc时，a相载波选用载波1，b相载波选用载波2，c相载波选用载波1；

当vc≥vb>va时，a相载波选用载波2，b相载波选用载波1，c相载波选用载波2；

当vb≥va>vc时，a相载波选用载波1，b相载波选用载波2，c相载波选用载波2；

当vc>va≥vb时，a相载波选用载波2，b相载波选用载波1，c相载波选用载波1；

当vb>vc≥va时，a相载波选用载波1，b相载波选用载波1，c相载波选用载波2；

当va≥vc>vb时，a相载波选用载波2，b相载波选用载波2，c相载波选用载波1；

所述载波选取表2的判断逻辑如下：

当va>vb≥vc时，a相载波选用载波2，b相载波选用载波1，c相载波选用载波2；

当vc≥vb>va时，a相载波选用载波1，b相载波选用载波2，c相载波选用载波1；

当vb≥va>vc时，a相载波选用载波2，b相载波选用载波1，c相载波选用载波1；

当vc>va≥vb时，a相载波选用载波1，b相载波选用载波2，c相载波选用载波2；

当vb>vc≥va时，a相载波选用载波2，b相载波选用载波2，c相载波选用载波1；

当va≥vc>vb时，a相载波选用载波1，b相载波选用载波1，c相载波选用载波2；

其中va指a相电流控制量，vb指a相电流控制量，vc指c相电流控制量。

上述技术方案中，所述的n相桥臂开关控制表的判断逻辑如下：其中，sn+指n相桥臂的开关驱动信号；

当sa+＝0,sb+＝0,sc+＝0时，sn+＝1，n相桥臂的上桥臂开通且下桥臂断开；

当sa+＝0,sb+＝0,sc+＝1时，sn+＝1，n相桥臂的上桥臂开通且下桥臂断开；

当sa+＝0,sb+＝1,sc+＝0时，sn+＝1，n相桥臂的上桥臂开通且下桥臂断开；

当sa+＝0,sb+＝1,sc+＝1时，sn+＝1，n相桥臂的上桥臂且断开下桥臂开通；

当sa+＝1,sb+＝0,sc+＝1时，sn+＝0，n相桥臂的上桥臂开通且下桥臂断开；

当sa+＝1,sb+＝0,sc+＝0时，sn+＝1，n相桥臂的上桥臂断开且下桥臂开通；

当sa+＝1,sb+＝1,sc+＝0时，sn+＝0，n相桥臂的上桥臂断开且下桥臂开通；

当sa+＝1,sb+＝1,sc+＝1时，sn+＝0，n相桥臂的上桥臂断开且下桥臂开通。

本发明提供了一种三相四桥臂电压型逆变器的变载波脉宽调制系统，其特征在于包括电流控制器、脉宽调制器，n相桥臂控制器；三相电压型逆变器的各相输出电流的期望值和输出电流的瞬时值输入至电流控制器；电流控制器根据电流偏差计算出三相电流控制量作为三相调制信号并输出至脉宽调制器；脉宽控制器的输入端接有三相载波信号；脉宽控制器内部的比较器将所输入的各相调制信号和相应的各相载波信号进行比较，生成得到三相桥臂的驱动信号；n相桥臂控制器的输入端接三相桥臂的驱动信号，并根据三相桥臂的驱动信号生成n相桥臂的驱动信号。

本发明的有益效果是：本发明为逆变器提供了一种消除三相四桥臂逆变器供电共模电压干扰的变载波正弦脉宽调制方案，与常规的单载波正弦脉宽调制方案相比，在系统三相四线运行时，本发明所提供的调制方案在取得同样的运行性能(如线性调制范围、直流电压利用率、输出电流波形质量等)的同时，无论在线性调制还是在过调制的情况下，均能显著减少n桥臂所连接的负载中性点共模扰动电压的大小，并且在三相基本平衡和线性调制范围内实现中性点电压等于或接近为零，从而有效降低了中性点对地漏电流所带来的电磁干扰等问题；在全部关断n桥臂开关的情况下，所述逆变器可直接以三相三线方式供电运行，且在负载或变压器为三相星型连接时，同样能大大降低星型连接中性点的共模电压扰动，减少系统的电磁干扰。

附图说明

图1为本发明的系统连接示意图；

图2为三相四桥臂电压型逆变器示意图；

图3为载波信号示意图1；

图4为载波信号示意图2；

图5为载波选取表1示意图；

图6为载波选取表2示意图；

图7为具体实施例的波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

本发明提供了一种三相四桥臂电压型逆变器的变载波脉宽调制方法，其特征在于包括以下步骤：

a.获取逆变器的三相输出正弦电流期望值，并实时采样逆变器的三相输出电流瞬时值；

b.在每个控制采样周期内将逆变器的三相电流期望值与检测到的实际瞬时电流值相减得到三相电流偏差值；

c.根据三相电流偏差值计算出三相电流控制量，作为三相调制信号；

d.根据三相电流控制量选取脉宽调制所需的三相载波信号；

e.将各相调制信号和相应的各相载波信号进行比较以生成得到脉宽变化的三相开关驱动信号，将三相开关驱动信号用于控制逆变器电路的三相桥臂通断运行。

如图1所示，本发明提供了一种三相四桥臂电压型逆变器的变载波脉宽调制系统，其特征在于包括电流控制器、脉宽调制器，n相桥臂控制器；三相电压型逆变器的各相输出电流的期望值和输出电流的瞬时值输入至电流控制器；电流控制器根据电流偏差计算出三相电流控制量作为三相调制信号并输出至脉宽调制器；脉宽控制器的输入端接有三相载波信号；脉宽控制器内部的比较器将所输入的各相调制信号和相应的各相载波信号进行比较，生成得到三相桥臂的驱动信号；n相桥臂控制器的输入端接三相桥臂的驱动信号，并根据三相桥臂的驱动信号生成n相桥臂的驱动信号。

本发明的目的是为三相四桥臂电压型逆变器提供一种能消除供电共模电压干扰的变载波正弦脉宽调制方法，其a、b、c三相载波由两路同频相交差为180度的载波信号源依据所提供的选择算法变化组合而成，其n桥臂的开关通断由a、b、c三相的开关状态确定。与单载波正弦脉宽调制相比，三相四桥臂逆变器采用所提出的变载波正弦脉宽调制，不仅主要运行技术指标(比如直流电压利用率、输出电流波形质量、开关损耗等)基本相同，还能显著降低星型连接的三相负载/变压器的中性点共模扰动电压幅值，并且在三相平衡的情况下实现中性点共模扰动电压为零，从而有效减少中性点共模扰动电压所带来的对地漏电流等电磁干扰以及绝缘性下降等问题。

如图2所示，本发明所述的三相四桥臂电压型逆变器包括功率变换电路、滤波电路、控制器以及三相星型负载/变压器。

所述的逆变器输出端连接有三相星型负载，该负载星型连接中性点为n。

所述功率变换电路包括并联连接的a桥臂、b桥臂、c桥臂和n桥臂，每个桥臂均上桥臂开关及下桥臂开关串联组成。所述功率变换电路输出经过所述滤波电路与三相星型负载相连。

控制器根据功率需求计算给出逆变器三相输出正弦电流期望值，控制器实时采样逆变器三相输出电流瞬时值。如图1所示，电流控制器在每个采样周期将a、b、c三相期望电流值与检测到的实际瞬时电流值相减得到三相电流偏差值，然后电流控制器根据电流偏差计算出其三相电流控制量。

其中，三相电压型逆变器的各相输出电流的期望值为：

其中，分别为逆变器a、b、c三相输出电流期望值的有效值，分别为a、b、c三相输出电流期望值的相位角；ω为输出电流的角频率。

逆变器a、b、c三相期望输出电流的瞬时值分别为：

其中，ia,ib,ic分别为逆变器a、b、c三相输出电流瞬时值值的有效值，分别为a、b、c三相输出电流瞬时值的相位角。

所述控制器在每个控制周期将a、b、c三相的期望输出电流分别与检测到的实际电流ia,ib,ic相减，形成偏差，电流控制器根据偏差计算出电流控制量va,vb,vc。

所述三相电流控制量va,vb,vc作为三相调制信号直接传送到脉宽调制器。

所述三相电流控制量va,vb,vc还作为输入量用于选取三相载波信号：首先，控制器将三相控制量va,vb,vc按各相控制量数值大小进行高低排序以确定其分组类型，然后依据其分组类型，通过查表从载波选取表1(或载波选取表2)中选取出所对应的三相载波，所述的三相载波由两路同频率而相位相差180度的双极性三角形(或锯齿型)信号源载波1和载波2组合而成。

在如图3所示的实施例中，在t1—t2时段内，若依据载波选取表1，则a相和c相载波选用载波1，而b相载波选用载波2；若依据载波选取表2，则a相和c相载波选用载波2，而b相载波选用载波1。

脉宽调制器将所输入的a、b、c三相调制信号和对应的a、b、c三相载波信号相减得到三相差值信号。所述的三相差值信号经比较器与零进行比较，从而生成脉宽变化的三相方波信号用以控制逆变器电路的三相桥臂的通断。

在实施例中，当任一相差值信号大于等于零时，所产生的驱动信号s*+＝1(其中*＝a，b或c)将开通相应相桥臂的上桥臂且断开下桥臂；反之，当任一相差值信号小于零时，所产生的相桥臂的驱动信号将断开相应相桥臂的上桥臂且开通下桥臂。

当逆变器三相四线运行时，n桥臂开关控制器根据a、b、c三相开关驱动信号的状态，根据所提供的开关列表实时查找产生n桥臂的开关驱动信号，例如，当a、b、c三相桥臂开关的驱动信号分别为sa+＝0、sb+＝0和sc+＝1时,n臂的开关信号将为sn+＝1。

当逆变器三相三线运行时，n桥臂的所有开关均设置为关断，即sn+＝sn-＝0。

本发明可以在不改变三相电压型逆变器系统主要性能指标(如线性调制范围、直流母线电压利用率、输出电压/电流波形质量、开关损耗等)的同时，大大减少星型连接的三相负载/变压器的中性点共模电压扰动：当逆变器以三相四线制供电时，变载波正弦调制能在线性调制范围内将三相平衡的星型负载/变压器的中性点共模扰动电压消除为零，且在饱和调制下也能将中点共模扰动电压幅值减少为直流母线电压值的四分之一；当逆变器以三相三线制供电时，也能将三相平衡的星型负载/变压器的中性点共模扰动电压幅值减少到直流母线电压值的六分之一。因而，本发明所提出的变载波正弦脉宽调制能改善星型三相负载(尤其是三相平衡的电机)或变压器的电磁兼容特性和绝缘特性，具有重要的意义。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。