CN103401405B - 一种采用固定控制周期实现特定消谐调制的方法 - Google Patents
一种采用固定控制周期实现特定消谐调制的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103401405B CN103401405B CN201310337092.8A CN201310337092A CN103401405B CN 103401405 B CN103401405 B CN 103401405B CN 201310337092 A CN201310337092 A CN 201310337092A CN 103401405 B CN103401405 B CN 103401405B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- angle
- frequency
- given voltage
- amplitude
- voltage
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Rectifiers (AREA)
Abstract
一种采用固定控制周期实现特定消谐调制的方法，其主要技术特点是：包括以下步骤：采用固定控制周期实现对PWM整流器的矢量解耦控制，得到给定电压的幅值、角度，对给定电压的角度求导得到给定电压的频率；以给定电压的角度作为初值，对频率做数值积分，得到相对连续的角度；对相对连续的角度做单调化处理；根据单调化处理后的连续角度及接收到的幅值，查表输出SHEPWM脉冲。本发明将固定周期的矢量闭环控制方法和特定消谐调制相结合，避免了采用复杂的变周期控制，使得功率变换器系统兼具快速、准确的动态响应能力和稳态时良好的电流谐波特性，能够显著抑制变流器输出电压中的低次谐波，特别适合大功率应用场合。
Description
技术领域
本发明属于交流电能变换技术领域，尤其是一种采用固定控制周期实现特定消谐调制的方法。
背景技术
采用PWM调制的变流器装置在运行过程中，其开关损耗随调制频率升高而增大，变流器装置设计容量越大，调制频率也要相应降低，目前MW级变流器的开关频率一般在1kHz左右。由于降低开关频率将使输出电压谐波增加，因此，需要增加滤波器容量，导致装置的体积和成本都增大。
特定消谐调制方法（SpecificHarmonicEliminationPulseWidthModulation,SHEPWM）是一种优化PWM方法，它以消除某几个特定的低次谐波为目标，通过求解PWM波形傅里叶级数展开式构成的超越方程组，得到一个周期内的开通、关断角度，实现调制脉冲输出。SHEPWM和传统载波PWM相比，在相同开关频率下，SHEPWM得到的电压调制波形其低次谐波显著减小，因此滤波器所需无功器件也可减小。目前，关于SHEPWM的报道大多关注于开关角度的优化计算，关于如何将这一优化调制方法与闭环控制方法相结合使得系统兼具快速的动态响应和良好的稳态电流性能，还没有相关的文献记载，这是由于SHEPWM属于同步调制，要将其与闭环控制算法相结合，直观的做法是采用变周期控制，但是实现起来相当困难。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种采用固定控制周期实现特定消谐调制的方法，通过固定周期的矢量闭环控制方法和SHEPWM相结合，使得功率变换器系统兼具快速、准确的动态响应能力和稳态时良好的电流谐波特性。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种采用固定控制周期实现特定消谐调制的方法，包括以下步骤：
步骤1、采用固定控制周期实现对PWM整流器的矢量解耦控制，得到给定电压的幅值、角度，对给定电压的角度求导得到给定电压的频率；
步骤2、以给定电压的角度作为初值，对频率做数值积分，得到相对连续的角度；
步骤3、对相对连续的角度做单调化处理；
步骤4、根据单调化处理后的连续角度及接收到的幅值，查表输出SHEPWM脉冲。
而且，所述的步骤1是在核心控制器内实现的，所述的步骤2、步骤3、步骤4是在FPGA内实现的；所述的核心控制器将电压的幅值、角度和频率传送至FPGA，FPGA对接收到的电压的幅值、角度和频率进行处理以实现特定消谐调制功能。
而且，所述单调化处理的方法为：比较相邻周期的连续角度计算值，如果当前周期的连续角度大于上一周期值，且这一差值的绝对值大于180°，则采用当前周期值作为连续角度输出，否则角度输出保持上一周期值不变。
本发明的优点和积极效果是：
本发明将固定周期的矢量闭环控制方法和特定消谐调制相结合，在矢量闭环控制的功率变换器系统中实现了SHEPWM调制功能，避免了采用复杂的变周期控制，使得功率变换器系统兼具快速、准确的动态响应能力和稳态时良好的电流谐波特性，能够显著抑制变流器输出电压中的低次谐波，特别适合大功率应用场合。
附图说明
图1是本发明的控制原理框图；
图2是本发明实施例给出的三电平PWM整流器系统的单线结构示意图；
图3是本发明的角度“单调化”处理逻辑框图；
图4是本发明实施例在突加负载时的暂态电流波形示意图；
图5是本发明实施例在额定负载时的稳态电流波形示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：
一种采用固定控制周期实现特定消谐调制的方法，以三电平PWM整流器系统为例加以说明，本发明采用固定周期的矢量闭环控制方法和特定消谐调制相结合的方法实现。如图1所示，矢量控制算法在核心控制器（DSP）中实现,特定消谐调制算法在辅助控制单元（FPGA）中实现，其中，对PWM整流器的闭环控制采用电网电压定向的矢量解耦控制方法（矢量解耦控制方法可参见文献“VladimirBlasko,VikramKaura.ANewMathematicalModelandControlofaThree-PhaseAC–DCVoltageSourceConverter.IEEETRANSACTIONSONPOWERELECTRONICS,VOL.12,NO.1,JANUARY1997”）。
下面以三电平PWM整流器（ThreelevelPWMRectifier,TLREC）为例对本发明进行说明。三电平PWM整流器系统的单线结构如图2所示，Lg、La、Lf、Cf、Rf分别为网侧滤波电感、整流器侧滤波电感、滤波器电感、滤波器电容、滤波器电阻，CL为直流侧电容；ua、ia分别为整流器输入电压、电流矢量，ug、ig表示电网电压、电流矢量，udc、iL为整流器输出直流电压和负载电流。交流侧电压、电流变量均为矢量，用粗斜体标识。
在图2给出的三电平PWM整流器（TLREC）中，其闭环控制算法的控制周期为1.6ms，FPGA的主频为40MHz；滤波器参数为：T型滤波器参数为：Lg=1.9mH，La=3.6mH，Cf=14.4uF，Rf=80.5Ω，Lf=1.16mH；网侧线电压410V，整流器额定输出电流15A，额定直流电压328V；特定消谐在1/4调制波周期内的开关次数为7次，可消除23次以下的非3倍数次特征谐波。
一种采用固定控制周期实现特定消谐调制的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：核心控制器DSP采用固定控制周期实现对PWM整流器的矢量解耦控制，得到给定电压的幅值Ur、角度θr，对给定电压的角度θr求导得到给定电压的频率Fr，将给定电压的幅值Ur、角度θr和频率Fr传送至FPGA。
在本步骤中，核心控制器DSP通过采集电网中的电流矢量和电压矢量，然后以电网电压矢量的方向为d轴，推导PWM整流器在dq旋转坐标系下的数学模型，基于这一模型设计电压、电流双闭环控制器，通过运算得出整流器的给定电压幅值和相角，对相角求导得到频率，将幅值、角度和频率传给FPGA。这些量都是以1.6ms为周期的离散量，不能直接用于SHEPWM查表运算。举例来说，若电网频率保持50Hz不变，相邻控制周期算出的角度值相差28.8°，这意味着查表输出脉冲的误差可能有28.8°，这是无法接受的。因此，DSP算出的离散角度，还需在FPGA中做“连续化”处理。
步骤2：FPGA以给定电压的角度θr作为初值，对给定电压的频率Fr做数值积分，得到相对连续的角度。
在本步骤中，FPGA接收到DSP传来的幅值、角度和频率，以角度作为初值，对频率做数值积分。选取数值积分的运算周期为1μs，算出的“连续”角度完全可以满足SHEPWM查表的精度要求。
步骤3：FPGA对相对连续的角度做单调化处理。
在本步骤中，进行单调化处理时为了防止连续角度在积分初值更新时刻发生突减而导致窄脉冲。由于实际运行中电网频率在50Hz附近小幅波动，因此步骤2中通过数值积分算出的“连续”角度可能大于DSP算出的角度，导致“连续”角度在角度更新时刻突减一下。这一现象可能造成SHEPWM中含有窄脉冲，因此需要对步骤2得到的“连续”角度做“单调化”处理。FPGA对连续角度的做单调化处理的具体实现，如图3所示，模块A1为D触发器，相当于延迟1拍；A2为减法器，A3表示取绝对值，A4、A5为比较器，A6是与门。A7为选通器，当A6输出1时A7输出下通道，为0时A7输出上通道。综上所述，图3逻辑可总结为：比较相邻周期（这里指FPGA的计算周期，而不是系统控制周期）的连续角度计算值，若当前周期的连续角度大于上一周期值，且这一差值的绝对值大于180°，则采用当前周期值作为连续角度输出，否则角度输出保持上一周期值不变。
步骤4、FPGA根据单调化处理后的连续角度及接收到的幅值，查表输出SHEPWM脉冲。
在本步骤中，FPGA采用目前常用的查表方法输出SHEPWM脉冲。由于在线计算SHEPWM的开关角度较为复杂，耗时较长，因此，采用离线方式计算得到的SHEPWM脉冲生成表，该脉冲生成表的输入是电压参考值的幅值和角度，输出是1或0。该脉冲生成表的数据被存储在FPGA的ROM当中，运行时FPGA通过读取ROM中的值，即可得到在当前幅值和角度下，SHEPWM应输出1还是0。FPGA输出的SHEPWM脉冲用于控制三电平PWM整流器。
本发明的试验验证结果如图4及图5所示。
图4给出了PWM整流器突加100%负载时的暂态电流波形。在图4中，通道1为网侧电流，通道2为整流器电流，通道3、4分别为正、负组直流电压。从图4可以看出，从加载时刻起，电流经过大约40ms即达到稳态，表现出矢量解耦控制的快速动态响应效果。
图5给出了稳态时的电流波形。从图5可以看出，网侧电流正弦度较好，但是含有一些高频谐波成分，这主要是试验中滤波器选取的滤波电抗偏小所致。对该波形的谐波分析结果表明，23阶以下单次谐波含量不超过1%，23次谐波含量较大，约为4%，适当增大滤波器电感La可以进一步改善电流效果。如果采用异步调制，高次电流谐波要比图5小很多，但要把低次谐波滤除到接近图5的效果，所需滤波电感（La、Lg）也会增大很多。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
Claims (2)
1.一种采用固定控制周期实现特定消谐调制的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、采用固定控制周期实现对PWM整流器的矢量解耦控制，得到给定电压的幅值、角度，对给定电压的角度求导得到给定电压的频率；
步骤2、以给定电压的角度作为初值，对频率做数值积分，得到相对连续的角度；
步骤3、对相对连续的角度做单调化处理；所述单调化处理的方法为：比较相邻周期的连续角度计算值，如果当前周期的连续角度大于上一周期值，且这一差值的绝对值大于180°，则采用当前周期值作为连续角度输出，否则角度输出保持上一周期值不变；
步骤4、根据单调化处理后的连续角度及接收到的幅值，查表输出SHEPWM脉冲。
2.根据权利要求1所述的一种采用固定控制周期实现特定消谐调制的方法，其特征在于：所述的步骤1是在核心控制器内实现的，所述的步骤2、步骤3、步骤4是在FPGA内实现的；所述的核心控制器将电压的幅值、角度和频率传送至FPGA，FPGA对接收到的电压的幅值、角度和频率进行处理以实现特定消谐调制功能。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310337092.8A CN103401405B (zh) | 2013-08-05 | 2013-08-05 | 一种采用固定控制周期实现特定消谐调制的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310337092.8A CN103401405B (zh) | 2013-08-05 | 2013-08-05 | 一种采用固定控制周期实现特定消谐调制的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103401405A CN103401405A (zh) | 2013-11-20 |
| CN103401405B true CN103401405B (zh) | 2015-11-25 |
Family
ID=49564975
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201310337092.8A Active CN103401405B (zh) | 2013-08-05 | 2013-08-05 | 一种采用固定控制周期实现特定消谐调制的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103401405B (zh) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107027203B (zh) * | 2016-02-02 | 2021-03-19 | 佛山市顺德区美的电热电器制造有限公司 | 电磁加热烹饪装置及其降噪控制方法 |
| CN105846697B (zh) * | 2016-05-05 | 2018-09-21 | 苏州汇川技术有限公司 | 一种低开关频率下pwm整流控制方法以及系统 |
| CN106230241B (zh) * | 2016-10-11 | 2018-07-10 | 吉林大学 | 全周期无波形对称特点的选择性谐波消除脉宽调制方法 |
| CN107733403B (zh) * | 2017-10-26 | 2021-05-11 | 中国人民解放军国防科技大学第六十三研究所 | 一种特定谐波消除多电平射频脉宽调制方法及调制器 |
| CN107645234B (zh) * | 2017-11-03 | 2019-08-27 | 天津电气科学研究院有限公司 | 一种特定谐波抑制优化pwm的实现方法 |
| CN108134391B (zh) * | 2017-12-16 | 2021-09-21 | 西安翌飞核能装备股份有限公司 | 一种用于电网电压波形畸变的三相pwm整流器的控制方法 |
| CN116545281B (zh) * | 2023-05-06 | 2023-10-03 | 燕山大学 | 具有窄脉冲抑制能力的三相电流型pwm整流器调制算法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101682271A (zh) * | 2007-05-31 | 2010-03-24 | 三菱电机株式会社 | 功率转换装置 |
| CN103078479A (zh) * | 2011-10-25 | 2013-05-01 | 江苏东润光伏科技有限公司 | 三电平中点钳位光伏逆变器特定谐波消除控制方法 |
-
2013
- 2013-08-05 CN CN201310337092.8A patent/CN103401405B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101682271A (zh) * | 2007-05-31 | 2010-03-24 | 三菱电机株式会社 | 功率转换装置 |
| CN103078479A (zh) * | 2011-10-25 | 2013-05-01 | 江苏东润光伏科技有限公司 | 三电平中点钳位光伏逆变器特定谐波消除控制方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| A New Mathematical Model and Control of a Three-Phase AC–DC Voltage Source Converter;Vladimir Blasko et al.;《IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS》;19970131;第12卷(第1期);第116-123页 * |
| 基于SHEPWM的中压大功率牵引永磁同步电机两电平控制;郭新华等;《电工技术学报》;20121130;第20卷(第3期);第1-9页 * |
| 基于特定谐波消除的五电平PWM脉冲发生器;刘文华;《电力电子技术》;20031231;第37卷(第6期);第67-70页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103401405A (zh) | 2013-11-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103401405B (zh) | 一种采用固定控制周期实现特定消谐调制的方法 | |
| Zhi et al. | Improved direct power control of grid-connected DC/AC converters | |
| CN106532749B (zh) | 一种微电网不平衡功率和谐波电压补偿系统及其应用 | |
| Chen et al. | Distributed auxiliary inverter of urban rail train—Load sharing control strategy under complicated operation condition | |
| Bouzid et al. | Adaptive hysteresis current control of active power filters for power quality improvement | |
| CN103311957A (zh) | 一种网侧变流器控制方法和系统 | |
| CN105226982A (zh) | 一种基于中点电流的三电平npc逆变器中点电位均衡控制方法 | |
| Bi et al. | Modified deadbeat predictive current control method for single-phase AC–DC PFC converter in EV charging system | |
| CN103532423B (zh) | 一种静止坐标系下复合控制电流源型并网逆变器 | |
| Rodriguez-Rodrıguez et al. | Current-sensorless control of an SPWM H-Bridge-based PFC rectifier designed considering voltage sag condition | |
| Varaprasad et al. | An improved SVPWM based shunt active power filter for compensation of power system harmonics | |
| Townsend et al. | Capacitance minimization in modular multilevel converters: A reliable and computationally efficient algorithm to identify optimal circulating currents and zero-sequence voltages | |
| Liu et al. | Neutral-point voltage balance control and oscillation suppression for VIENNA rectifier | |
| Mo et al. | Active damping of oscillations in LC-filter for line connected, current controlled, PWM voltage source converters | |
| Zhang et al. | Three-Level PWM rectifier based high efficiency batteries charger for EV | |
| Wang et al. | Analysis and design of voltage feedforward for stability and power quality of grid-tied inverter | |
| Tallam et al. | Practical issues in the design of active rectifiers for AC drives with reduced DC-link capacitance | |
| Saidi et al. | Power quality improvement using VF-DPC-SVM controlled three-phase shunt active filter | |
| Chelladurai et al. | Performance evaluation of three phase scalar controlled PWM rectifier using different carrier and modulating signal | |
| Selarka et al. | Close loop control of three phase Active Front End Converter using SVPWM technique | |
| Priandana et al. | Analysis and design of variable double-band hysteresis current controller for single-phase full-bridge bidirectional converters | |
| Luo et al. | Balance Control of SOC for MMC-BESS With Power Fluctuation Suppression, PCC Voltage Regulation, and Harmonic Mitigation in Grid-Connected Wind Farm | |
| Xiao et al. | Active power filter design for improving power quality | |
| Abiri et al. | A sensorless and simple controller for VSC based HVDC systems | |
| Chen et al. | A Charging Current Ripple Suppression Strategy for Three-phase Power Conversion System Based on DC-side Harmonic Current Compensation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 300180, No. 174 Jintang Road, Hedong District, Tianjin Patentee after: TIANJIN RESEARCH INSTITUTE OF ELECTRIC SCIENCE Co.,Ltd. Address before: 300180, No. 174 Jintang Road, Hedong District, Tianjin Patentee before: TIANJIN DESIGN & RESEARCH INSTITUTE OF ELECTRIC DRIVE Co.,Ltd. |