一种闭环虚拟空间矢量调制方法、装置、系统及存储介质

1.本发明涉及三电平变流器技术领域，具体涉及一种闭环虚拟空间矢量调制方法、装置、系统及存储介质。


背景技术：

2.起动发电一体化，可省去发动机的控制涡轮起动机，是提高航空发电系统功率密度和降低机载无效负荷的重要方法，成为多电/全电飞机的关键支撑技术。航空发电系统输出电能有直流和交流两种电制，直流电源系统输出不受交流电频率约束，发电机可工作于更高转速以提高功率密度，是飞机电源系统的重要发展方向。直流航空发电系统由航空发动机、起动/发电一体化电机和ac/dc电力电子变换器构成。根据功率流向不同，起动/发电一体机可以分为电动和发电两种工作模式。
3.大功率高速航空起动/发电机一体机用ac/dc变流器多采用多电平技术。在多电平技术中，三电平较为成熟在电机驱动系统中应用广泛。其中，中点箝位型(npc)三电平结构紧凑，功率密度高，已在高速航空用起动发电机控制系统中获得应用。但npc型三电平存在中点电位不平衡的缺点。中点电位不平衡引起交流侧电压波形质量下降，除igbt承压变大以及dv/dt升高外，电机转子涡流损耗加大，阻碍了npc三电平变流器在航空发电系统的广泛应用。
4.此外，在大功率高速航空起动/发电机一体机系统中，电机的运行工况受限于发动机的运行状态，即在起动/发电机运行时，变流器先后运行高载波比低调制比区(起动电机工况)和低载波比高调制比区(高速大功率发电工况)。可见，载波比与调制比的动态耦合特性明显，与陆地电力系统用网侧逆变器运行特征有较大区别。陆地电力系统网侧逆变器为恒频变流器，调制比和载波比耦合性不强。而低调制比高载波比引起窄脉冲问题，高调制比低载波比工况下则存在离散化误差。以上二者均引起三电平变流器输出基本电压矢量序列的实现误差，进而导致中点电位不平衡加剧。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明实施例提供了涉及一种闭环虚拟空间矢量调制方法、装置、系统及存储介质，以解决现有技术中在电机中中点电位不平衡的技术问题。
6.本发明提出的技术方案如下：
7.本发明实施例第一方面提供一种闭环虚拟空间矢量调制方法，包括：获取变流器中直流侧两个支撑电容的电压，所述变流器连接电机；根据两个支撑电容的电压与预设中点偏差的关系确定第一基本电压矢量分配系数；根据两个支撑电容的电压与电机的功率流方向确定第二基本电压矢量分配系数；根据所述第一基本电压矢量分配系数、第二基本电压矢量分配系数及虚拟空间数量调制算法调节变流器输出基本矢量的作用时间。
8.可选地，根据两个支撑电容的电压与预设中点偏差的关系确定第一基本电压矢量分配系数，包括：根据两个支撑电容的电压确定电容电压差值；判断所述电容电压差值和预
设中点偏差的大小；当所述电容电压差值小于等于预设中点偏差时，确定第一基本电压矢量分配系数。
9.可选地，根据两个支撑电容的电压与电机的功率流方向确定第二基本电压矢量分配系数，包括：判断所述电容电压差值的大小；当所述电容电压差值大于零时，判断所述功率流的方向；当所述功率流为正向时，确定所述第二基本电压矢量分配系数为1；当所述功率流为负向时，确定所述第二基本电压矢量分配系数为－1。
10.可选地，根据两个支撑电容的电压与电机的功率流方向确定第二基本电压矢量分配系数，还包括：当所述电容电压差值小于零时，判断所述功率流的方向；当所述功率流为正向时，确定所述第二基本电压矢量分配系数为－1；当所述功率流为负向时，确定所述第二基本电压矢量分配系数为1。
11.可选地，根据电机的q轴电流和转速确定电机的功率流方向。
12.可选地，所述第一基本电压矢量分配系数为零。
13.本发明实施例第二方面提供一种闭环虚拟空间矢量调制装置，包括：电压采样模块，用于获取变流器中直流侧两个支撑电容的电压，所述变流器连接电机；第一系数确定模块，用于根据两个支撑电容的电压与预设中点偏差的关系确定第一基本电压矢量分配系数；第二系数确定模块，用于根据两个支撑电容的电压与电机的功率流方向确定第二基本电压矢量分配系数；调节模块，用于根据所述第一基本电压矢量分配系数、第二基本电压矢量分配系数及虚拟空间数量调制算法调节变流器输出基本矢量的作用时间。
14.本发明实施例第三方面提供一种闭环虚拟空间矢量调制系统，包括：电机、三电平变流器及微处理器；所述三电平变流器连接所述电机；所述微处理器内置虚拟空间矢量调制算法，所述微处理器用于获取所述三电平变流器中直流侧两个支撑电容的电压，采用本发明实施例第一方面及第一方面任一项所述的闭环虚拟空间矢量调制方法，得到所述三电平变流器输出基本矢量的作用时间，并根据所述作用时间控制所述三电平变流器工作。
15.可选地，所述三电平变流器为t型箝位三电平变流器。
16.本发明实施例第四方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如本发明实施例第一方面及第一方面任一项所述的闭环虚拟空间矢量调制方法。
17.本发明提供的技术方案，具有如下效果：
18.本发明实施例提供的闭环虚拟空间矢量调制方法、装置、系统及存储介质，针对电机由于低调制比高载波比引起窄脉冲问题，高调制比低载波比工况下存在离散化误差的问题，在采用虚拟空间矢量调制方法时，综合考虑了功率流方向和中点电荷极性，从而能够选择合适的小矢量，实现中点电位偏差闭环控制。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是根据本发明实施例的闭环虚拟空间矢量调制方法的流程图；
21.图2是根据本发明实施例的变流器的拓扑结构示意图；
22.图3(a)是根据本发明实施例的变流器的基本电压矢量分布示意图，图3(b)是根据本发明实施例的a扇区结构示意图；
23.图4是根据本发明另一实施例的闭环虚拟空间矢量调制方法的流程图；
24.图5(a)和图5(b)为是根据本发明实施例的中点电位偏差闭环基本矢量序列示意图；
25.图6(a)和图6(b)为是根据本发明实施例的不同分配系数下中点电荷的波形图；
26.图7是根据本发明实施例的低载波比下中点闭环基本矢量序列示意图；
27.图8(a)和图8(b)是根据本发明实施例的电机起动过程中点电位与转矩波形示意图；
28.图9(a)和图9(b)是根据本发明实施例的电机发电过程中中点电位闭环控制仿真结果示意图；
29.图10(a)和图10(b)是根据本发明实施例的电机起动过程中点电位闭环控制效果示意图；
30.图11是根据本发明实施例的开环虚拟矢量下中点电位偏差示意图；
31.图12是根据本发明实施例的闭环虚拟矢量下中点电位偏差示意图；
32.图13是根据本发明实施例的闭环虚拟空间矢量调制装置的结构框图；
33.图14是根据本发明实施例提供的计算机可读存储介质的结构示意图。
具体实施方式
34.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.正如在背景技术中所述，采用npc型三电平变流器容易出现中点电位不平衡的问题。在大功率高速航空起动/发电机一体机系统中，变流器的运行状态会导致低调制比高载波比引起窄脉冲问题，高调制比低载波比工况下则存在离散化误差。以上二者均引起三电平变流器输出基本电压矢量序列的实现误差，进而导致中点电位不平衡加剧。
36.而现有技术中采用的虚拟空间矢量调制方法调节虚拟中矢量中点电流和分配正、负小矢量作用时间的中点电压平衡控制方法主要是针对电动机或发电机，而发电机或电动机与电机的运行状态完全不同，针对电动机或发电机的控制方法则无法应用到电机的控制中。
37.有鉴于此，本发明实施例提供一种闭环虚拟空间矢量调制方法如图1所示，该调制方法包括如下步骤：
38.步骤s101：获取变流器中直流侧两个支撑电容的电压，变流器连接电机；具体地，该变流器的拓扑结构如图2所示，即该变流器可采用t型中点箝位三电平变流器。该变流器共有a、b、c三个桥臂，每个桥臂上四个开关管t
x1
～t
x4
(x＝a，b，c)。直流母线由上下两个支撑电容串联构成，支撑电容电压中点用两只反并联rb型igbt箝位。在获取电压时可以通过对该变流器两个支撑电容v
c1
和v
c2
的电压进行采样得到。其中，电机可以是起动发电机，也
可以是其他类型的电机，本发明对此不做限定。
39.对于该t型中点箝位三电平变流器，可输出大矢量六个(pnn，ppn，npn，npp，nnp，pnp)、中矢量六个(pon，npo，nop，onp，pno)、小矢量十二个(poo，onn，ppo，oon，non，opo，noo，opp，oop，nno，pop，ono)、零矢量三个(ppp，ooo，nnn)。如图3(a)所示，v
zs1
＝v
poo
/2+v
onn
/2，v
zs2
＝v
ppo
/2+v
oon
/2，v
zm1
＝v
onn
/3+v
pon
/3+v
ppo
/3，v
zl1
＝v
pnn
，v
zl2
＝v
ppn
，v
z0
＝v
ooo
。
40.步骤s102：根据两个支撑电容的电压与预设中点偏差的关系确定第一基本电压矢量分配系数；具体地，在采样得到两个电压之后，可以采用数字处理器进行处理，得到两个电容电压的差值。对于预设中点偏差
△
v
ref
，可以综合考虑各个器件的承压能力确定，例如，采用母线电压的5％作为预设中点偏差。
41.在一实施例中，在确定电容电压差值
△
v和预设中点偏差
△
v
ref
之后，通过判断电容电压差值
△
v和预设中点偏差
△
v
ref
的大小确定第一基本电压矢量分配系数；当电容电压差值
△
v小于等于预设中点偏差
△
v
ref
时，确定第一基本电压矢量分配系数，其中，第一基本电压矢量分配系数取值为零。
42.步骤s103：根据两个支撑电容的电压与电机的功率流方向确定第二基本电压矢量分配系数；具体地，根据电机的转矩、转速以及相应的系数可计算得到功率流。其中，转速可通过测量直接得到。转矩可以基于电机的q轴电流i
q
确定，i
q
可以通过对电机的三相电流进行坐标变换得到。在获取i
q
后，先对其进行符号判断，即i
q
是大于零还是小于零，当其大于零时，说明电机处于电动模式，当其小于零时，说明电机处于发电模式。在确定i
q
符号之后，可以基于此判定功率流的方向。
43.在一实施例中，在确定第二基本电压矢量分配系数时，可以先确定电容电压差值的大小，即电容电压差值是大于零还是小于零；当电容电压差值大于零且功率流的方向为正向(即i
q
大于零时)，确定第二基本电压矢量分配系数为1；当电容电压差值大于零且功率流的方向为负向(即i
q
小于零时)，确定第二基本电压矢量分配系数为
‑
1。
44.在一实施例中，当电容电压差值小于零且功率流的方向为正向(即i
q
大于零时)，确定第二基本电压矢量分配系数为
‑
1；当电容电压差值小于零且功率流的方向为负向(即i
q
小于零时)，确定第二基本电压矢量分配系数为1。
45.步骤s104：根据第一基本电压矢量分配系数、第二基本电压矢量分配系数及虚拟空间数量调制算法调节变流器输出基本矢量的作用时间。
46.具体地，虚拟空间矢量调制算法是建立在基本电压矢量优化组合的基础上，使开关周期内中点电荷为零，可实现全工况内中点电位平衡。而在电机一体机控制系统中，会出现低调制比高载波比引起窄脉冲问题，高调制比低载波比工况下存在离散化误差。
47.在一实施例中，如图4所示，该闭环虚拟空间矢量调制方法通过以下流程实现：首先设定中点偏差
△
v
ref
，然后计算两个支撑电容的电压差值
△
v，判断
△
v和
△
v
ref
的大小，当
△
v不大于
△
v
ref
时，设置分配系数k为0。当
△
v大于0时，判断q轴电流i
q
的大小或i
q
的方向，当i
q
大于0或i
q
的方向为正向(此时功率流方向为正向)时，设置分配系数k为1；当i
q
小于0或i
q
的方向为负向(此时功率流方向为负向)时，设置分配系数k为
‑
1。当
△
v小于0时，同样判断q轴电流i
q
的大小或i
q
的方向，当i
q
大于0或i
q
的方向为正向(此时功率流方向为正向)时，设置分配系数k为
‑
1；当i
q
小于0或i
q
的方向为负向(此时功率流方向为负向)时，设置分配系数k为1。
48.在一实施例中，对于低调制比高载波比引起的窄脉冲问题，由于电压矢量序列存在半周期对称性且相电流在开关周期时间尺度可视为恒流，因此，如图3(b)所示，以a1扇区为例，考虑窄脉冲后，基本电压矢量序列如图5(a)和图5(b)所示，图5(a)为未考虑窄脉冲时的系列，图5(b)为考虑窄脉冲时的系列。在图5中，k为基本电压矢量分配系数。在采用虚拟空间矢量调制算法时，考虑基本电压矢量分配系数后该序列全周期内中点电荷表达式为：
[0049][0050]
同理可推知其他扇区内中点电位闭环策略下中点电荷的表达式，据此可绘制不同分配系数下中点电荷的波形如图6所示。由图6(a)可见，k＝1时，基波周期内，电荷流出大于流入，表现为中点放电。由图6(b)可见，k＝－1时，基波周期内，电荷流出小于流入，表现为中点充电。综上，当分配系数取值不同时，中点电荷极性发生变化，即按照步骤s102和步骤s103可调节中点充放电过程。分配系数k在基本电压序列中的位置可以调整，但必须满足k取值1和－1时，电压序列输出电荷极性不同的条件。
[0051]
在一实施例中，对于高调制比低载波比工况下存在离散化误差的问题，由于低载波比时相电流处处不相等，分析载波比降低对中点电位影响时需考虑全开关周期序列。且在电机控制中，低载波比与高调制比同时出现，此处以a3扇区为例，设置分配系数k的电压序列如图7所示，
[0052]
其中，当k＝1时，图7示序列中点电荷表示为：
[0053][0054]
k＝－1时，图7所示序列中点电荷表示为：
[0055][0056]
因此，分配系数k取值不同，中点电荷极性会随之相应变化，可以实现中点电位的控制。
[0057]
本发明实施例提供的闭环虚拟空间矢量调制方法，针对电机由于低调制比高载波比引起窄脉冲问题，高调制比低载波比工况下存在离散化误差的问题，在采用虚拟空间矢量调制方法时，综合考虑了功率流方向和中点电荷极性，从而能够选择合适的小矢量，实现中点电位偏差闭环控制。
[0058]
在一实施例中，通过采用上述闭环虚拟空间矢量调制方法针对30000rpm电机进行起动过程和高速发电过程的仿真研究。其中，图8(a)表示起动过程中中点电位偏差开环中点电位与转矩波形，图8(b)表示起动过程中中点电位偏差闭环中点电位与转矩波形，从图8中可以看出，采用闭环控制策略后，中点电位偏差得到有效抑制，由－10v降低到零附近。在高速发电过程中，中点电位闭环控制效果仿真如图9所示，图9(a)和图9(b)分别表示中点电位偏差和发电机转矩转速，由图9可知，中点电位偏差闭环控制切入时刻，中点电位偏差可收敛到零附近，且受负载阶跃影响较小。因此，综上分析可以看出，中点电位闭环控制在电机起动阶段和高速发电阶段均具有较好的中点平衡效果。
[0059]
在一实施例中，为验证上述闭环虚拟空间矢量调制方法提供的中点闭环控制策略，搭建基于t型三电平变流器的300kw永磁同步电机样机实验系统，电机工作额定转速30000rpm。控制系统的主控芯片采tms570lc4357。实验数据以示波器波形和控制平台上位机存储数据的形式展示。为方便对比，对上位机存储数据绘制起始时刻均设置为0s。电机起动过程中点电位闭环控制效果如图10所示，图10(a)和图10(b)分别表示中点电位偏差开环和中点电位偏差闭环。从图10中可以看出，在电机起动过程中，中点电位偏差逐渐变大，转速稳定后，中点偏差收敛于稳定值，此过程与图8(a)仿真结果趋势相同。
[0060]
针对高速发电过程中点闭环策略验证，转速从8000rpm升至15000rpm，开环和闭环虚拟矢量实验结果如图11和图12所示。由图11可知，随着转速的升高，中点电位偏差逐渐增大，发电机超过8000rpm后，中点电位偏差变化率增加明显。当发电机达到15000rpm时，中点电位偏差接近－70v。该实验结果表明，开环虚拟矢量调制随转速的升高存在中点电位偏差。采用闭环虚拟矢量控制后，实验结果如图12所示。
[0061]
本发明实施例还提供一种闭环虚拟空间矢量调制装置，如图13所示，该装置包括：
[0062]
电压采样模块1，用于获取变流器中直流侧两个支撑电容的电压，所述变流器连接所述电机；详细内容参见上述方法实施例中步骤s101的相关描述。
[0063]
第一系数确定模块2，用于根据两个支撑电容的电压与预设中点偏差的关系确定第一基本电压矢量分配系数；详细内容参见上述方法实施例中步骤s102的相关描述。
[0064]
第二系数确定模块3，用于根据两个支撑电容的电压与电机的功率流方向确定第二基本电压矢量分配系数；详细内容参见上述方法实施例中步骤s103的相关描述。
[0065]
调节模块4，用于根据所述第一基本电压矢量分配系数、第二基本电压矢量分配系数及虚拟空间数量调制算法调节变流器输出基本矢量的作用时间。详细内容参见上述方法实施例中步骤s104的相关描述。
[0066]
本发明实施例提供的闭环虚拟空间矢量调制装置，针对电机由于低调制比高载波比引起窄脉冲问题，高调制比低载波比工况下存在离散化误差的问题，在采用虚拟空间矢量调制方法时，综合考虑了功率流方向和中点电荷极性，从而能够选择合适的小矢量，实现中点电位偏差闭环控制。
[0067]
本发明实施例提供的闭环虚拟空间矢量调制装置的功能描述详细参见上述实施例中闭环虚拟空间矢量调制方法描述。
[0068]
本发明实施例还提供一种闭环虚拟空间矢量调制系统，该系统包括：电机、三电平变流器及微处理器；三电平变流器连接所述电机；微处理器内置虚拟空间矢量调制算法，微处理器用于获取三电平变流器中直流侧两个支撑电容的电压，采用上述实施例所述的闭环虚拟空间矢量调制方法，得到所述三电平变流器输出基本矢量的作用时间，并根据作用时间控制三电平变流器工作。在一实施例中，三电平变流器为t型箝位三电平变流器。
[0069]
本发明实施例提供的闭环虚拟空间矢量调制系统，针对电机由于低调制比高载波比引起窄脉冲问题，高调制比低载波比工况下存在离散化误差的问题，在采用虚拟空间矢量调制方法时，综合考虑了功率流方向和中点电荷极性，从而能够选择合适的小矢量，实现中点电位偏差闭环控制。
[0070]
本发明实施例提供的闭环虚拟空间矢量调制系统的功能描述详细参见上述实施例中闭环虚拟空间矢量调制方法描述。
[0071]
本发明实施例还提供一种存储介质，如图14所示，其上存储有计算机程序601，该指令被处理器执行时实现上述实施例中闭环虚拟空间矢量调制方法的步骤。该存储介质上还存储有音视频流数据，特征帧数据、交互请求信令、加密数据以及预设数据大小等。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read－only memory，rom)、随机存储记忆体(random access memory，ram)、快闪存储器(flash memory)、硬盘(hard disk drive，缩写：hdd)或固态硬盘(solid－state drive，ssd)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
[0072]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read－only memory，rom)、随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)、快闪存储器(flash memory)、硬盘(hard disk drive，缩写：hdd)或固态硬盘(solid－state drive，ssd)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
[0073]
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。