基于预测控制技术的逆变-电机系统共模干扰抑制

2017-06-05陈希亮焦慧方韩亚强陈文洁

电源学报 2017年3期

关键词：共模畸变三相

陈希亮，焦慧方，韩亚强，张姣，张斌，陈文洁

（1.西安交通大学电气工程学院，西安710049；2.西北大学科学史高等研究院，西安710600）

基于预测控制技术的逆变-电机系统共模干扰抑制

陈希亮1，焦慧方2，韩亚强1，张姣1，张斌1，陈文洁1

（1.西安交通大学电气工程学院，西安710049；2.西北大学科学史高等研究院，西安710600）

共模电压幅值大小是衡量电磁干扰强弱的重要指标，较大的共模电压会对电机绕组间绝缘和电机轴承产生严重的危害。通过电压源逆变器驱动的三相电机共模电压的建模控制与分析，发现模型预测控制可以有效减小共模电压，比传统的屏蔽滤波技术有减少成本与体积等优势，但会带来输出电流波形的畸变。在传统的三相感应电机电流预测控制基础上，引入共模电压幅值的影响，通过调节代价函数相应影响因子的权重，达到低输出电流畸变与低共模电压的平衡。通过仿真分析验证了此控制策略的有效性与可行性。

模型预测控制；逆变电机；共模干扰；抑制

在逆变器-感应电机驱动系统中，开关管高速动作时产生的噪声电流通过寄生电路传导至直流侧与交流侧，产生的共模电压CMV（common mode voltage）会导致强烈的电磁干扰。该电磁干扰会对线圈绝缘层进行击穿，使电流检测电路误动作，产生损坏轴承的漏电流［1-3］。

为了分析与抑制由此产生的电磁干扰EMI（electro magnetic interference），许多文献提出了相应的研究策略与方法，大体可以分为两类：一类是改变系统物理结构，例如四桥臂逆变器［4］、无源滤波器［5］、有源滤波器［6］和机箱屏蔽［7］等，目前大部分系统采用这种方法来抑制EMI，但这些改进都需要增加额外的成本与体积，也不适用于高电压和大电容的系统；另一类更便捷与实惠的抑制电机EMI方法是改进控制算法，通过不同的PWM调制技术来减小共模干扰，例如三相两电平PWM逆变器非零矢量控制法［8］和多电平PWM逆变器低共模电压控制法［9］等。但是这些PWM调制技术大多是基于电压控制，为了达到降低EMI的需求，一些电压矢量被消除，从而导致了逆变器输出电压波形的畸变，带来较差的动态特性。模型预测控制算法以其控制精度高，响应速度快，近年来被大量关注［10-11］。电流预测控制应用于三相逆变-电机系统时，通过跟踪期望电流，可以很好地改善动态特性。尽管需要大量的计算，但是随着DSP（digital signal processor）等微处理器的发展，在逆变-电机系统中有着越来越多的应用［12］。但在逆变-电机共模干扰分析与抑制领域，预测电流控制应用不多，有文献采取弃用零矢量的预测控制调制策略［13］，能对共模电压显著抑制，但是盲目舍弃零矢量会给电流输出波形带来较大畸变。

本文提出了一种全新的逆变-电机系统共模干扰的抑制策略，在电流预测控制基础上，给代价函数中引入共模电压因子，通过调整电流跟踪与共模电压的权重因子，实现低输出电流畸变与低共模电压的平衡。

1 逆变-电机系统共模干扰机理分析

三相逆变-电机系统由三相逆变器驱动，用阻感负感等效电机定子线圈绕组，如图1所示，其中，e1～e3为电机反电动势，L为直流正母线，N为直流负母线。

图1 三相两电平逆变-电机系统及漏电流回流路径Fig.1 Three-phase two-level inverters-fed AC motor system and leakage current circling path

电机的共模电压可以定义为电机直流输入侧电压Vdc的中点到电机中心点n之间的电压VCM，则两电平三相驱动共模电压为

式中：Vdc为直流侧电压；VnN为电机中心点n到直流负母线N的电压；Si∈{0,1}（i=a，b，c）为代表逆变器每个桥臂上开关管的开关状态，关断为0，导通为1。由于每个桥臂上2个开关管状态相反，所以三相两电平逆变器有8个开关状态。

表1 开关状态与对应共模电压幅值Tab.1 Magnitude of CMV according to the switching states

式中，VaN、VbN、VcN为逆变器中性点电压。则将各个开关状态产生的电压矢量定义为：V0=0，，V7=0。

由于V0=V7，所以在复平面产生了7个不同的电压矢量的有限集合，如图2所示。

图2 复平面中的电压矢量Fig.2 Voltage vectors in the complexplane

2 逆变-电机系统电流预测控制建模

2.1 电流预测控制策略

逆变-电机系统电流预测控制［14］是让逆变器输出电流实时跟踪参考电流，使其误差最小，这一需求可通过代价函数形式反映，直角坐标形式表示为

图3 三相逆变-电机系统电流预测控制策略框图Fig.3 Block diagram of predictive current control method for three-phase motor system

2.2 负载模型

假定三相电机为含反电动势的阻感负载，则由图1得出三相负载电流动态方程为

式中：R为负载电阻；L为负载电感。

将式（4）代入式（2）中，同时考虑负载电流空间矢量和反电动势空间矢量，得到负载电流动态方程的矢量差分方程表达式为

式中：v为由逆变器产生的电压矢量；i为负载电流矢量；e为负载反电动势矢量。

2.3 预测电流控制离散化模型

采样时间Ts下，对式（5）的负载电流进行离散化建模。为了避免在对导数简化逼近时将误差引入模型中，采用前向欧拉逼近来代替负载电流导数，获得更为精确的离散化模型，即

则式（5）可转化为

因反电动势频率低于采样频率，假设在一个Ts内反电动势改变不大，所以。通过对三相-逆变电机预测电流控制的离散化建模，可以方便地编写控制算法程序，从而实现该控制策略。

2.4 共模电压的引入

在代价函数式（3）中，仅仅包含对电流的跟踪，还可以通过引入共模电压因子，并增加对应的权重系数，以实现电流特性与共模干扰特性之间的平衡。改进的代价函数表示为

式中：f（vk）为开关状态共模电压的幅值函数；KCM为权重系数。

3 仿真与分析

为了验证所提出控制策略的可行性，采用Matlab/Simulink软件进行仿真。主电路拓扑与图1拓扑一致，仿真参数如表2所示。

表2 三相电机电流预测控制电气参数Tab.2 Electrical parameters of the current predictive control three-phase motor

Matlab控制程序流程如图4所示。

图4 Matlab控制程序流程Fig.4 Flow chart of Matlab control program

当代价函数未引入共模电压因子时，共模电压频谱如图5所示，逆变器输出电流波形如图6所示，其输出电流THD定量分析结果如图7所示。

在代价函数中引入共模电压因子，选取其权重系数（相对于电流跟踪因子）为5‰，共模电压频谱如图8所示，其逆变器输出电流波形如图9所示，其THD定量分析结果如图10所示。

图5 不含抑制作用的共模电压频谱Fig.5 Frequency domain waveform of CMV without suppression

图6 不含抑制作用的逆变器输出电流Fig.6 Inverter output current waveform without suppression

图7 不含抑制作用的逆变器输出电流THDFig.7 THD of output current without suppression

从图5～图10可以看出，代价函数中未引入共模电压因子时，逆变器仅跟踪输出参考电流进行输出，输出电流波形畸变很小，与参考电流误差较小，THD为2.46%，但是共模电压非常大，频谱图中共模电压最大达到155 dBμV，在很大频率范围内共模电压超过130 dBμV，在低、高频段会产生非常严重的共模干扰。

在代价函数中引入共模电压因子后，共模电压得到显著抑制，频谱图中共模电压最大不超过140 dBμV，并且在几乎全频段内（150 kHz～30 MHz），共模电压不超过135 dBμV。此时输出电流波形畸变有所增加，THD为4.16%，但是在可接受范围内，这是因为在代价函数中引入权重系数，达到了低共模电压与低输出畸变之间的平衡。

图8 含抑制作用的共模电压频谱Fig.8 Frequency domain waveform of CMV with suppression

图9 含抑制作用的逆变器输出电流Fig.9 Inverter output current waveform with suppression

图10 含抑制作用的逆变器输出电流THDFig.10 THD of the output currentwith suppression

4 结语

针对三相逆变电机系统，本文基于电流预测控制策略提出一种新型共模干扰抑制技术，在传统的电流预测控制基础上，通过给代价函数引入共模电压因子与权重系数，使得在低共模干扰与低输出畸变之间达到平衡，从而改善了系统的输出特性。

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Common-mode Voltage Suppression to Inverters-fed AC Motor System Based on Predictive Control Technology

CHEN Xiliang1,JIAO Huifang2,HAN Yaqiang1,ZHANG Jiao1,ZHANG Bin1,CHEN Wenjie1
（1.School of Electrical Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China;2.Institute for Advanced Study in History of Science,Northwest University,Xi’an 710600,China）

The common-mode voltage amplitude size is one of the important index to measure electromagnetic interference intensity,larger common-mode voltage can lead to severe hazards to the motor winding insulation and bearings.Through control modeling and analyzing to the common-mode voltage of three-phase motor,which driven by the voltage source inverter,found that the model predictive control（MPC）can effectively reduce common-mode voltage with less cost and size than the traditional blocking and filtering technology.However,MPC will bring the output current waveform distortion.Based on the current predictive control to the traditional three-phase induction motor,this paper introduces the influence of common-mode voltage amplitude,by adjusting the weights of the cost function to find a good balance between low current distortion and common-mode voltage reduction.This control strategy is verified through the simulation analysis which is proved to be effective and feasible.

model predictive control;inverter motor;common-code interference;reduction