一种开关复用型逆变器交错输出驱动开绕组电机及控制方法

本发明涉及电力电子变换装置，具体的说是一种开关复用型逆变器交错输出驱动开绕组电机及控制方法。

背景技术：

1、在风力发电、光伏发电和电动汽车等新能源领域，开绕组电机驱动系统凭借多电平输出特性、直流电压利用率高和矢量冗余等优势应用广泛。目前用于驱动开绕组电机的拓扑结构，多采用双三电平逆变器。然而功率变换器设计发展趋势之一是减少开关器件，优化拓扑，从而降低成本和减小尺寸。因此，为进一步优化逆变器结构，本发明通过开关器件复用方式实现逆变器上、下端口的双三电平输出，同时为解决传统双三电平逆变器接线方式无法驱动开绕组电机的问题，提出一种开绕组电机单相绕组上、下端口间的互差120°运行方式，并基于该特殊运行方式导致的部分电压空间矢量缺失问题，给出了含调制度范围限制的pwm调制策略，迄今未见与本发明有关的开关复用型双端口逆变器驱动开绕组电机的文献报道和实际应用。

技术实现思路

1、发明目的，本发明提出一种开关复用型逆变器交错输出驱动开绕组电机及其控制方法，简化传统双三电平逆变器的拓扑结构，并提出开绕组电机单相绕组上、下端口间的互差120°运行方式，满足开绕组电机运行时所需相位差，基于所提系统存在电压空间矢量缺失的问题，给出了含调制度范围限制的pwm调制策略，用于确定开绕组电机稳定运行区域。

2、技术方案，为了解决上述技术问题，达到上述发明目的，本发明提出一种开关复用型逆变器交错输出驱动开绕组电机，所述开绕组电机拓扑包括直流侧接入的电容c1和c2、开关模块sa1～sa5、开关模块sb1～sb5、开关模块sc1～sc5；所述开关模块sa1～sa5、sb1～sb5、sc1～sc5结构均相同，开绕组电机；

3、每一个开关模块由一个反并联二极管和一个绝缘栅双极晶体管组成；每个开关模块二极管的阳极与绝缘栅双极晶体管的发射极相连，将二级管的阳极和绝缘栅双极晶体管的发射极相连接的点定义为开关模块的发射极；二极管的阴极与绝缘双极晶体管的集电极相连，将二级管的阴极和绝缘栅双极晶体管的集电极相连接的点定义为开关模块的集电极；

4、所述电容c1的正极与直流侧正极点p相接，电容c1的负极与电容c2的正极相接，c2的负极与直流侧负极点n相接，定义电容c1的负极与电容c2的正极相接的点为直流中性点o；中性点o的电位为0，正极点p与负极点n之间的电压差为udc，正极点p与直流中性点o之间的电压差为udc/2，极点n与直流中性点o之间的电压差为-udc/2；

5、所述开关模块sa1、开关模块sb1和开关模块sc1的集电极与直流母线正极点p相连接；开关模块sa1的发射极与开关模块sa2的集电极相连接，开关模块sb1的发射极与开关模块sb2的集电极相连接，开关模块sc1的发射极与开关模块sc2的集电极相连接；

6、开关模块sa2的发射极分别与开关模块sa4的集电极、开关模块sa5的集电极相连接，开关模块sb2的发射极分别与开关模块sb4的集电极、开关模块sb5的集电极相连接，开关模块sc2的发射极分别与开关模块sc4的集电极、开关模块sc5的集电极相连接；

7、开关模块sa4的发射极与开关模块sa3的集电极相连接，开关模块sb4的发射极与开关模块sb3的集电极相连接，开关模块sc4的发射极与开关模块sc3的集电极相连接；开关模块sa5、开关模块sb5和开关模块sc5的集电极与负极点n相连接；开关模块sa3、开关模块sb3和开关模块sc3的发射极与中性点o相连接；

8、开绕组电机的a端口分别与开关模块sa1的发射极、开关模块sa2的集电极相连接，开绕组电机的b端口分别与开关模块sb1的发射极、开关模块sb2的集电极相连接，开绕组电机的c端口分别与开关模块sc1的发射极、开关模块sc2的集电极连接；开绕组电机的x端口分别与开关模块sa2的发射极、开关模块sa4的发射极和开关模块sa5的集电极连接；开绕组电机的y端口分别与开关模块sb2的发射极、开关模块sb4的发射极和开关模块sb5的集电极连接，开绕组电机的z端口分别与开关模块sc2的发射极、开关模块sc4的发射极和开关模块sc5的集电极连接；形成开绕组电机单相绕组a端口与y端口，b端口和z端口、c端口和x端口之间互差120°的运行方式。

9、此外，本发明还提出根据所述一种开关复用型逆变器交错输出驱动开绕组电机的控制方法，该方法包括如下步骤：

10、第一步、设置开关复用型双端口逆变器直流侧输入电压为udc，给定开关模块sa1、sa2、sa3、sa4、sa5导通信号为[0,1,0,1,1]，开关模块sb1、sb2、sb3、sb4、sb5导通信号为[0,1,0,1,1]，开关模块sc1、sc2、sc3、sc4、sc5导通信号为[0,1,0,1,1]，0为关断，1为导通，测得a端口和中性点之间电压ua为-udc/2，x端口和中性点之间电压ux为-udc/2，b端口和中性点之间电压ub为-udc/2，y端口和中性点之间电压uy为-udc/2，c端口和中性点之间电压uc为-udc/2，z端口和中性点之间电压uz为-udc/2；

11、第二步、利用电压空间矢量互差120°解耦的思想，计算得到开绕组电机a、b、c端口与中性点之间电压所对应的电压空间表达式v1，即上输出端口的电压空间矢量表达式v1，根据上输出端口的电压空间矢量表达式v1和直流侧电压udc计算上输出端口电压空间矢量的调制度为m1，同时计算得到开绕组电机x、y、z端口与中性点之间电压所对应的电压空间表达式v2，即下输出端口的电压空间矢量表达式v2，根据下输出端口的电压空间矢量表达式v2和直流侧电压udc得到下输出端口电压空间矢量的调制度为m2；

12、第三步、根据上输出端口的电压空间矢量表达式v1和下输出端口的电压空间矢量表达式v2得到开关复用型双端口逆变器电压空间矢量v的表达式，并根据开关复用型双端口逆变器电压空间矢量v和直流侧电压udc计算得到开关复用型双端口逆变器电压空间矢量的调制度m；

13、第四步、根据所述开关复用型双端口逆变器电压空间矢量v＝v1-v2得到开关复用型双端口逆变器电压空间矢量的调制度m与解耦后的上输出端口电压空间矢量的调制度m1和下输出端口电压空间矢量的调制度m2的关系；根据上输出端口电压空间矢量的调制度m1和下输出端口电压空间矢量的调制度m2分析开关复用型双端口逆变器电压空间矢量的调制度m的调制区域，对应的开绕组异步电机运行不同划分区域，给出开绕组电机运行时调制度范围。

14、进一步的，步骤二中，上输出端口的电压空间矢量表达式v1如下：

15、

16、下输出端口的电压空间矢量表达式v2如下：

17、

18、采用互差120°的接线方案，v2表达式中相位角超前120，开关复用型双端口逆变器电压空间矢量v＝v1-v2，则计算得到的开关复用型双端口逆变器电压空间矢量v为：

19、

20、进一步的，步骤二中，根据上输出端口的电压空间矢量表达式v1和直流侧电压udc计算上输出端口电压空间矢量的调制度为m1，下输出端口的电压空间矢量表达式v2和直流侧电压udc得到下输出端口电压空间矢量的调制度为m2，上输出端口电压空间矢量的调制度m1和下输出端口电压空间矢量的调制度m2的计算方法如下：

21、

22、进一步的，步骤三中，根据开关复用型双端口逆变器电压空间矢量v和直流侧电压udc计算开关复用型双端口逆变器电压空间矢量的调制度m，开关复用型双端口逆变器电压空间矢量的调制度m计算方法如下：

23、

24、进一步的，步骤四中，根据所述开关复用型双端口逆变器电压空间矢量v＝v1-v2，将等式两边同时平方，计算得到开关复用型双端口逆变器电压空间矢量的调制度m因满足的调制范围为与解耦后的上输出端口电压空间矢量的调制度m1和下输出端口电压空间矢量的调制度m2的关系如下：

25、

26、上输出端口电压空间矢量的调制度m1和下输出端口电压空间矢量的调制度m2调制度范围限制在(0，1)，开关复用型双端口逆变器电压空间矢量的调制度m调制范围在即所述开绕组电机稳定运行调制度区间在

27、有益效果，与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

28、(1)开关复用型逆变器简化传统双三电平逆变器的拓扑结构；

29、(2)提出一种新型开绕组电机接线方式，满足开绕组电机运行时所需相位差；

30、(3)提出一种含调制度范围限制的pwm调制策略，用于确定开绕组电机稳定运行调制度区间。