陳希亮，焦慧方，韓亞強(qiáng)，張 姣，張 斌，陳文潔

（1.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安710049；2.西北大學(xué)科學(xué)史高等研究院，西安710600）

基于預(yù)測(cè)控制技術(shù)的逆變-電機(jī)系統(tǒng)共模干擾抑制

陳希亮1，焦慧方2，韓亞強(qiáng)1，張 姣1，張 斌1，陳文潔1

（1.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安710049；2.西北大學(xué)科學(xué)史高等研究院，西安710600）

共模電壓幅值大小是衡量電磁干擾強(qiáng)弱的重要指標(biāo)，較大的共模電壓會(huì)對(duì)電機(jī)繞組間絕緣和電機(jī)軸承產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。通過(guò)電壓源逆變器驅(qū)動(dòng)的三相電機(jī)共模電壓的建?？刂婆c分析，發(fā)現(xiàn)模型預(yù)測(cè)控制可以有效減小共模電壓，比傳統(tǒng)的屏蔽濾波技術(shù)有減少成本與體積等優(yōu)勢(shì)，但會(huì)帶來(lái)輸出電流波形的畸變。在傳統(tǒng)的三相感應(yīng)電機(jī)電流預(yù)測(cè)控制基礎(chǔ)上，引入共模電壓幅值的影響，通過(guò)調(diào)節(jié)代價(jià)函數(shù)相應(yīng)影響因子的權(quán)重，達(dá)到低輸出電流畸變與低共模電壓的平衡。通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了此控制策略的有效性與可行性。

模型預(yù)測(cè)控制；逆變電機(jī)；共模干擾；抑制

在逆變器-感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，開關(guān)管高速動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的噪聲電流通過(guò)寄生電路傳導(dǎo)至直流側(cè)與交流側(cè)，產(chǎn)生的共模電壓CMV（common mode voltage）會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的電磁干擾。該電磁干擾會(huì)對(duì)線圈絕緣層進(jìn)行擊穿，使電流檢測(cè)電路誤動(dòng)作，產(chǎn)生損壞軸承的漏電流［1-3］。

為了分析與抑制由此產(chǎn)生的電磁干擾EMI（electro magnetic interference），許多文獻(xiàn)提出了相應(yīng)的研究策略與方法，大體可以分為兩類：一類是改變系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)，例如四橋臂逆變器［4］、無(wú)源濾波器［5］、有源濾波器［6］和機(jī)箱屏蔽［7］等，目前大部分系統(tǒng)采用這種方法來(lái)抑制EMI，但這些改進(jìn)都需要增加額外的成本與體積，也不適用于高電壓和大電容的系統(tǒng)；另一類更便捷與實(shí)惠的抑制電機(jī)EMI方法是改進(jìn)控制算法，通過(guò)不同的PWM調(diào)制技術(shù)來(lái)減小共模干擾，例如三相兩電平PWM逆變器非零矢量控制法［8］和多電平PWM逆變器低共模電壓控制法［9］等。但是這些PWM調(diào)制技術(shù)大多是基于電壓控制，為了達(dá)到降低EMI的需求，一些電壓矢量被消除，從而導(dǎo)致了逆變器輸出電壓波形的畸變，帶來(lái)較差的動(dòng)態(tài)特性。模型預(yù)測(cè)控制算法以其控制精度高，響應(yīng)速度快，近年來(lái)被大量關(guān)注［10-11］。電流預(yù)測(cè)控制應(yīng)用于三相逆變-電機(jī)系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)跟蹤期望電流，可以很好地改善動(dòng)態(tài)特性。盡管需要大量的計(jì)算，但是隨著DSP（digital signal processor）等微處理器的發(fā)展，在逆變-電機(jī)系統(tǒng)中有著越來(lái)越多的應(yīng)用［12］。但在逆變-電機(jī)共模干擾分析與抑制領(lǐng)域，預(yù)測(cè)電流控制應(yīng)用不多，有文獻(xiàn)采取棄用零矢量的預(yù)測(cè)控制調(diào)制策略［13］，能對(duì)共模電壓顯著抑制，但是盲目舍棄零矢量會(huì)給電流輸出波形帶來(lái)較大畸變。

本文提出了一種全新的逆變-電機(jī)系統(tǒng)共模干擾的抑制策略，在電流預(yù)測(cè)控制基礎(chǔ)上，給代價(jià)函數(shù)中引入共模電壓因子，通過(guò)調(diào)整電流跟蹤與共模電壓的權(quán)重因子，實(shí)現(xiàn)低輸出電流畸變與低共模電壓的平衡。

1 逆變-電機(jī)系統(tǒng)共模干擾機(jī)理分析

三相逆變-電機(jī)系統(tǒng)由三相逆變器驅(qū)動(dòng)，用阻感負(fù)感等效電機(jī)定子線圈繞組，如圖1所示，其中，e1～e3為電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)，L為直流正母線，N為直流負(fù)母線。

圖1 三相兩電平逆變-電機(jī)系統(tǒng)及漏電流回流路徑Fig.1 Three-phase two-level inverters-fed AC motor system and leakage current circling path

電機(jī)的共模電壓可以定義為電機(jī)直流輸入側(cè)電壓Vdc的中點(diǎn)到電機(jī)中心點(diǎn)n之間的電壓VCM，則兩電平三相驅(qū)動(dòng)共模電壓為

式中：Vdc為直流側(cè)電壓；VnN為電機(jī)中心點(diǎn)n到直流負(fù)母線N的電壓；Si∈{0,1}（i=a，b，c）為代表逆變器每個(gè)橋臂上開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)，關(guān)斷為0，導(dǎo)通為1。由于每個(gè)橋臂上2個(gè)開關(guān)管狀態(tài)相反，所以三相兩電平逆變器有8個(gè)開關(guān)狀態(tài)。

表1 開關(guān)狀態(tài)與對(duì)應(yīng)共模電壓幅值Tab.1 Magnitude of CMV according to the switching states

式中，VaN、VbN、VcN為逆變器中性點(diǎn)電壓。則將各個(gè)開關(guān)狀態(tài)產(chǎn)生的電壓矢量定義為：V0=0，，V7=0。

由于V0=V7，所以在復(fù)平面產(chǎn)生了7個(gè)不同的電壓矢量的有限集合，如圖2所示。

圖2 復(fù)平面中的電壓矢量Fig.2 Voltage vectors in the complexplane

2 逆變-電機(jī)系統(tǒng)電流預(yù)測(cè)控制建模

2.1 電流預(yù)測(cè)控制策略

逆變-電機(jī)系統(tǒng)電流預(yù)測(cè)控制［14］是讓逆變器輸出電流實(shí)時(shí)跟蹤參考電流，使其誤差最小，這一需求可通過(guò)代價(jià)函數(shù)形式反映，直角坐標(biāo)形式表示為

圖3 三相逆變-電機(jī)系統(tǒng)電流預(yù)測(cè)控制策略框圖Fig.3 Block diagram of predictive current control method for three-phase motor system

2.2 負(fù)載模型

假定三相電機(jī)為含反電動(dòng)勢(shì)的阻感負(fù)載，則由圖1得出三相負(fù)載電流動(dòng)態(tài)方程為

式中：R為負(fù)載電阻；L為負(fù)載電感。

將式（4）代入式（2）中，同時(shí)考慮負(fù)載電流空間矢量和反電動(dòng)勢(shì)空間矢量，得到負(fù)載電流動(dòng)態(tài)方程的矢量差分方程表達(dá)式為

式中：v為由逆變器產(chǎn)生的電壓矢量；i為負(fù)載電流矢量；e為負(fù)載反電動(dòng)勢(shì)矢量。

2.3 預(yù)測(cè)電流控制離散化模型

采樣時(shí)間Ts下，對(duì)式（5）的負(fù)載電流進(jìn)行離散化建模。為了避免在對(duì)導(dǎo)數(shù)簡(jiǎn)化逼近時(shí)將誤差引入模型中，采用前向歐拉逼近來(lái)代替負(fù)載電流導(dǎo)數(shù)，獲得更為精確的離散化模型，即

則式（5）可轉(zhuǎn)化為

因反電動(dòng)勢(shì)頻率低于采樣頻率，假設(shè)在一個(gè)Ts內(nèi)反電動(dòng)勢(shì)改變不大，所以。通過(guò)對(duì)三相-逆變電機(jī)預(yù)測(cè)電流控制的離散化建模，可以方便地編寫控制算法程序，從而實(shí)現(xiàn)該控制策略。

2.4 共模電壓的引入

在代價(jià)函數(shù)式（3）中，僅僅包含對(duì)電流的跟蹤，還可以通過(guò)引入共模電壓因子，并增加對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)電流特性與共模干擾特性之間的平衡。改進(jìn)的代價(jià)函數(shù)表示為

式中：f（vk）為開關(guān)狀態(tài)共模電壓的幅值函數(shù)；KCM為權(quán)重系數(shù)。

3 仿真與分析

為了驗(yàn)證所提出控制策略的可行性，采用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真。主電路拓?fù)渑c圖1拓?fù)湟恢?，仿真參?shù)如表2所示。

表2 三相電機(jī)電流預(yù)測(cè)控制電氣參數(shù)Tab.2 Electrical parameters of the current predictive control three-phase motor

Matlab控制程序流程如圖4所示。

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

當(dāng)代價(jià)函數(shù)未引入共模電壓因子時(shí)，共模電壓頻譜如圖5所示，逆變器輸出電流波形如圖6所示，其輸出電流THD定量分析結(jié)果如圖7所示。

在代價(jià)函數(shù)中引入共模電壓因子，選取其權(quán)重系數(shù)（相對(duì)于電流跟蹤因子）為5‰，共模電壓頻譜如圖8所示，其逆變器輸出電流波形如圖9所示，其THD定量分析結(jié)果如圖10所示。

圖5 不含抑制作用的共模電壓頻譜Fig.5 Frequency domain waveform of CMV without suppression

圖6 不含抑制作用的逆變器輸出電流Fig.6 Inverter output current waveform without suppression

圖7 不含抑制作用的逆變器輸出電流THDFig.7 THD of output current without suppression

從圖5～圖10可以看出，代價(jià)函數(shù)中未引入共模電壓因子時(shí)，逆變器僅跟蹤輸出參考電流進(jìn)行輸出，輸出電流波形畸變很小，與參考電流誤差較小，THD為2.46%，但是共模電壓非常大，頻譜圖中共模電壓最大達(dá)到155 dBμV，在很大頻率范圍內(nèi)共模電壓超過(guò)130 dBμV，在低、高頻段會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的共模干擾。

在代價(jià)函數(shù)中引入共模電壓因子后，共模電壓得到顯著抑制，頻譜圖中共模電壓最大不超過(guò)140 dBμV，并且在幾乎全頻段內(nèi)（150 kHz～30 MHz），共模電壓不超過(guò)135 dBμV。此時(shí)輸出電流波形畸變有所增加，THD為4.16%，但是在可接受范圍內(nèi)，這是因?yàn)樵诖鷥r(jià)函數(shù)中引入權(quán)重系數(shù)，達(dá)到了低共模電壓與低輸出畸變之間的平衡。

圖8 含抑制作用的共模電壓頻譜Fig.8 Frequency domain waveform of CMV with suppression

圖9 含抑制作用的逆變器輸出電流Fig.9 Inverter output current waveform with suppression

圖10 含抑制作用的逆變器輸出電流THDFig.10 THD of the output currentwith suppression

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)三相逆變電機(jī)系統(tǒng)，本文基于電流預(yù)測(cè)控制策略提出一種新型共模干擾抑制技術(shù)，在傳統(tǒng)的電流預(yù)測(cè)控制基礎(chǔ)上，通過(guò)給代價(jià)函數(shù)引入共模電壓因子與權(quán)重系數(shù)，使得在低共模干擾與低輸出畸變之間達(dá)到平衡，從而改善了系統(tǒng)的輸出特性。

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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

陳希亮

10.13234/j.issn.2095-2805．2017．3.112

：TM464

：A

陳希亮（1992－），男，通信作者，博士研究生，研究方向：電力電子領(lǐng)域的電磁兼容技術(shù)，E-mail：837331442@qq.com。

焦慧方（1990-），女，碩士，助理工程師，研究方向：電力電子領(lǐng)域的電磁兼容技術(shù)，E-mail jiaohf@nwu.edu.cn。

韓亞強(qiáng)（1990－），男，碩士研究生，研究方向：高壓DC-DC電源，E-mail：129163 1723@qq.com。

張姣（1989－），女，碩士研究生，研究方向：電力電子領(lǐng)域電磁兼容技術(shù)，E-mail：475992051@qq.com。

張斌（1989－），男，博士研究生，研究方向：大功率電力電子技術(shù)，E-mail：12142 43987@qq.com。

陳文潔（1974－），女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：電力電子領(lǐng)域電磁兼容性問(wèn)題，E-mail：cwj@mail.xjtu.edu.cn。

2015-12-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助面上項(xiàng)目（51277145）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51277145）