CN104022667A - 三电平逆变器shepwm调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多电平逆变器的调制方法，特别是一种三电平逆变器SHEPWM调制方法，包括以下步骤：根据控制系统性能要求确定开关角数量和调制度m区间；根据开关角数量在调制度m区间内通过遗传算法求得相应调制度时的开关角；将不同调制度的开关角通过多项式插值计算得到开关角与调制度m的关系式；将插值计算得到的多项式系数存储于存储器中；采样三相逆变器输出电压，根据采样输出电压求得当前调制度，根据调制度的值查找存储器中相应插值多项式系数；通过多项式系数求出各开关角；接收开关角，根据三电平逆变器控制规律产生PWM信号。采用上述方法后，在开关角初始值未知的情况下，生成PWM信号实现对三电平逆变器的调制，实现调制度变化时快速切换。

Description

三电平逆变器SHEPWM调制方法

技术领域

本发明涉及一种多电平逆变器的调制方法，特别是一种三电平逆变器SHEPWM调制方法。

背景技术

智能电网和新能源的大力发展，使得脉宽调制控制的电力电子技术得到了大力的发展，在高电压大功率应用场合，受到器件本身散热的限制，功率器件的开关频率不能很高。而在这些场合，效率又尤其被看重，因此输出谐波又不能太大。所以一方面要降低单个器件的开关频率，另一方面又要降低整体输出的谐波含量。解决上述的矛盾可以通过多电平逆变器和SHEPWM调制达到目的。

其中，多电平变换器本质上是一个以多电平拓扑结构为硬件，PWM控制技术为软件的大功率放大器。多电平逆变器降低了功率器件开关过程中的dv/dt，具有功率器件电压应力低、输出波形畸变率小等优点，在中高压大功率电力传动领域得到了广泛的应用。

SHEPWM是一种基于频率最优化的PWM方法，直接利用逆变器输出电压的数学模型来求解开关角，达到消除特定(低次)谐波的目的。与其它PWM控制技术相比，SHEPWM具有有效消除低次谐波、输出波形质量高、功率器件开关损耗低等优点。

SHEPWM方法的困难之处在于需要求解一个非线性谐波消除方程组，计算功率器件的开关角。传统的求解方法是Newton-Raphson法，通过数值迭代的方法求解非线性消谐方程组。使用这种方法的一个关键步骤是选取迭代的初始值，选取的初始值的好坏直接决定迭代收敛与否和收敛速度的快慢。

中国发明专利申请CN102983768A公开了一种基于SHEPWM的优化控制方法，包括以下步骤：列写基波和各次受控谐波的幅值表达式；确定基波和各次受控谐波的幅值；获得开关角度。从此发明专利的权利要求书和说明书中可以看出步骤3“获得开关角度”步骤3-1中就是选择迭代法，初值和步长求法求得此时的开关角度。由此可以看出，虽然此发明通过优化目标函数，获得最有利的受控谐波的幅值大小值，以改善SHEPWM波形的谐波分布情况，降低剩余谐波的幅值，并使得其总谐波含量减小，受控谐波分量一个很小的幅值变化可以对输出电压的谐波分布造成较大影响，合适的变动可以降低传统SHEPWM方法的剩余谐波分量的幅值，甚至消除某些比较大的剩余谐波；但是此发明的方法仍然需要知道开关角初始值，如果开关角初始值未知，则无法获得开关角度。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种未知开关角初始值就能快速求解开关角，并实现不同调制度时切换的三电平逆变器SHEPWM调制方法。

为解决上述的技术问题，本发明三电平逆变器SHEPWM调制方法包括以下步骤，

步骤S10：根据控制系统性能要求确定开关角数量和调制度m区间；

步骤S20：根据步骤S10得到的开关角数量在调制度m区间内通过遗传算法求得相应调制度时的开关角；

步骤S30：将步骤S20得到不同调制度的开关角通过多项式插值计算得到开关角与调制度m的关系式；

步骤S40：将插值计算得到的多项式系数存储于存储器中；

步骤S50：采样三相逆变器输出电压，根据采样输出电压求得当前调制度，根据调制度的值查找存储器中相应插值多项式系数；通过多项式系数求出各开关角；

步骤S60：接收步骤S50得到开关角，根据三电平逆变器控制规律产生PWM信号。

进一步的，所述步骤S20包括以下步骤，

步骤S201：选取开关角度为决策变量，确定决策变量约束条件为0°-90°之间；

步骤S202：采用二进制编码对开关角度进行编码，确定二进制编码长度；

步骤S203：根据开关角选择适应度函数；

步骤S204：确定遗传算法的运行参数和优化终止条件，所述运行参数包括种群大小、进化代数、交叉率和变异率，所述优化终止条件为适应度函数达到极小值或达到最大进化代数；

步骤S205：满足优化终止条件时，选取调制度得到相应的开关角度。

优选的，所述适应度函数为 $\mathrm{fit}\_f=\frac{1}{1+{\mathrm{ff}}_1^2+{\mathrm{ff}}_5^2+{\mathrm{ff}}_7^2+...+{\mathrm{ff}}_x^2},$ X为最大消除谐波次数，其中，

${\mathrm{ff}}_1=\frac{4}{\mathrm{\π}}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{(-1)}^{i+1}\cos {\mathrm{\α}}_i-m,{\mathrm{ff}}_N=\frac{4}{\mathrm{N\π}}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{(-1)}^{i+1}\cos \left({\mathrm{N\α}}_i\right),$ n为开关角数量，N为相应消除谐波次数。

优选的，所述步骤S30中多项式插值计算为分段插值计算。

优选的，所述步骤S50中通过DSP处理器采样三电平逆变器的输出电压。

优选的，所述步骤S60中采用FPGA接收DSP处理器发送来的开关角，然后根据三电平逆变器控制规律生产PWM信号，所述DSP处理器通过外部接口模块将开关角以并行通信方式发送给FPGA。

优选的，所述根据三电平逆变器控制规律生成PWM信号时，加入死区时间。

采用上述方法后，本发明三电平逆变器SHEPWM调制方法采用遗传算法通过对目标函数优化与多项式插值相结合的方法，在开关角初始值未知的情况下，计算开关角，从而生成PWM信号实现对三电平逆变器的调制；另外，通过DSP处理器和FPGA的组合节省了芯片内资源，提高了运行效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为三电平SHEPWM原理图。

图2为三电平逆变器主电路拓扑结构。

图3为本发明的流程图。

图4a为本发明调制度为0.93时控制器输出的三相PWM信号。

图4b为调制度0.58变为0.93的控制器输出的三相PWM信号。

图5a为调制度为0.93时，采用遗传算法求解开关角度，三电平逆变器的输出电压、电流波形。

图5b为调制度为0.93时，采用遗传算法求解开关角度，三电平逆变器的电压频谱分析。

图6a为调制度为0.93时，采用本发明求解开关角度，三电平逆变器的输出电压、电流波形。

图6b为为调制度为0.93时，采用本发明求解开关角度，三电平逆变器的电压频谱分析。

图7为本发明在调制度由0.58变为0.93时三电平逆变器的输出电压、电流波形。

具体实施方式

如图2所示，从电路拓扑结构和控制算法复杂性的角度来看，三电平是应用较多的一种多电平拓扑结构，本发明就以三电平逆变器为例，其他多电平逆变器类似。SHEPWM是一种基于频率最优化的PWM方法，直接利用逆变器输出电压的数学模型来求解开关角，达到消除特定(低次)谐波的目的。与其它PWM控制技术相比，SHEPWM具有有效消除低次谐波、输出波形质量高、功率器件开关损耗低等优点。

本发明三电平逆变器SHEPWM调制方法是为了实现开关角初始值未知的情况下如何生成PWM信号对三电平逆变器进行调制。如图3所示，本发明多电平逆变器SHEPWM调制方法包括以下步骤，

步骤S10：根据控制系统性能要求确定开关角数量和调制度m区间，逆变器系统性能跟开关角有直接的关系，开关角越多，特定谐波含量越少，系统性能也越好。本实施方式以求解5个开关角，调制度m位于区间[0.9,1.0]为例，5个开关角即消除5、7、11、13次谐波，消除谐波次数以开关角数量为准。

步骤S20：根据步骤S10得到的开关角数量在调制度m区间内通过遗传算法求得相应调制度时的开关角。本步骤通过遗传算法求得相应开关角还包括以下步骤。

步骤S201：选取5个开关角α₁，α₂，α₃，α₄，α₅为决策变量，五个变量满足约束条件0°＜α₁＜α₂＜α₃＜α₄＜α₅＜90°。

步骤S202：选择编码方法，采用二进制编码方式对开关角度进行编码，编码长度Codel＝32。

步骤S203：确定个体评价指标，即适应度函数。选择适应度函数为5个开关角最大消除谐波次数为13。其中，n为开关角度数量5，N为相应消除谐波次数即分别为5、7、11、13，得到

$\begin{array}{c}{\mathrm{ff}}_1=\frac{4}{\mathrm{\π}}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^5{(-1)}^{i+1}\cos {\mathrm{\α}}_i-m=\frac{4}{\mathrm{\π}}(\cos {\mathrm{\α}}_1-\cos {\mathrm{\α}}_2+\cos {\mathrm{\α}}_3-\cos {\mathrm{\α}}_4+\\ \cos \mathrm{\α}5-m,\end{array}$

$\begin{array}{c}{\mathrm{ff}}_5=\frac{4}{5\mathrm{\π}}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^5{(-1)}^{i+1}\cos 5{\mathrm{\α}}_i=\frac{4}{5\mathrm{\π}}(\cos 5{\mathrm{\α}}_1-\cos 5{\mathrm{\α}}_2+\cos 5{\mathrm{\α}}_3-\\ \cos 5\mathrm{\α}4+\cos 5\mathrm{\α}5,\end{array}$

$\begin{array}{c}{\mathrm{ff}}_7=\frac{4}{7\mathrm{\π}}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^5{(-1)}^{i+1}\cos 7{\mathrm{\α}}_i=\frac{4}{7\mathrm{\π}}(\cos 7{\mathrm{\α}}_1-\cos 7{\mathrm{\α}}_2+\cos 7{\mathrm{\α}}_3-\\ \cos 7\mathrm{\α}4+\cos \mathrm{\α}5,\end{array}$

$\begin{array}{c}{\mathrm{ff}}_{11}=\frac{4}{11\mathrm{\π}}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^5{(-1)}^{i+1}\cos 11{\mathrm{\α}}_i=\frac{4}{11\mathrm{\π}}(\cos 11{\mathrm{\α}}_1-\cos 11{\mathrm{\α}}_2+\\ \cos 11\mathrm{\α}3-\cos 11\mathrm{\α}4+\cos 11\mathrm{\α}5,\end{array}$

$\begin{array}{c}{\mathrm{ff}}_{13}=\frac{4}{13\mathrm{\π}}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^5{(-1)}^{i+1}\cos 13{\mathrm{\α}}_i=\frac{4}{13\mathrm{\π}}(\cos 13{\mathrm{\α}}_1-\cos 13{\mathrm{\α}}_2+\\ \cos 13\mathrm{\α}3-\cos 13\mathrm{\α}4+\cos 13\mathrm{\α}5.\end{array}$

步骤S204：确定算法的初始化运行参数。种群大小为600，进化代数为600，交叉率p_c＝0.85，变异率p_m＝0.05。优化终止条件为适应度函数达到极小值或算法达到最大进化代数600。当然，这里也可以选择其他适用的种群大小，进化代数、交叉率，变异率。

步骤S205：满足优化终止条件时，使用的解就是开关角的编码，通过解码依次计算调制度取0.9,0.95,1.0时的3组开关角。

步骤S30：将步骤S20得到不同调制度的开关角通过多项式插值计算得到开关角与调制度m的关系式。根据步骤S20中步骤S205求解的3组开关角构造次数为2的插值多项式。

N(x)＝a₀+a₁(x-x₀)+a₂(x-x₀)(x-x₁)

其中，系数a₀＝f(x₀)□f[x₀]，

通过多项式插值计算得到开关角度α₁,α₂,α₃,α₄,α₅与调制度m的关系为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_1=189.1400m^2-351.3010m+180.5613\\ {\mathrm{\α}}_2=-355.1600m^2+659.8020m-256.9533\\ {\mathrm{\α}}_3=-331.2400m^2+615.2600m-230.5841\\ {\mathrm{\α}}_4=494.8200m^2-916.6990m+504.2797\\ {\mathrm{\α}}_5=248.0200m^2-461.9550m+302.0064\end{array}\right.$

这里为了提高插值计算方法的精度，采用分段插值计算。

步骤S40：将插值计算得到的多项式系数存储于存储器中。

步骤S50：采样三相逆变器输出电压，根据采样输出电压求得当前调制度，根据调制度的值查找存储器中相应插值多项式系数；通过多项式系数求出各开关角。

步骤S60：接收步骤S50得到开关角，根据三电平逆变器控制规律产生PWM信号。如图1所示，根据三电平SHEPWM原理图，开关角1-2，3-4，…之间要输出高电平。如图2所示，其他区间也要输出对应的电平。因为调制度的区间为[0.9,1.0]，选择调制度为0.93，控制器输出的PWM调制信号如图4a所示。

本发明采用DSP处理器和FPGA的组合，在步骤S40-步骤S60中，先将插值计算得到的多项式的系数存储于DSP的存储器中。然后，逆变器系统工作过程中，DSP通过采样输出电压计算系统当前的调制度，根据调制度的值进行查表，获得插值多项式的系数；通过多项式运算求出各个开关角的值；通过外部接口模块将开关角的值以并行通信方式发送至FPGA。FPGA内部产生SHEPWM所需的三相对称载波信号，在接收到DSP发送的开关角的值后，根据三电平逆变器的控制规律生成PWM信号。为了防止逆变器在开关管通断的过程中不发生同时导通形成短路的情况，根据三电平逆变器的控制规律生成PWM信号，加入死区时间。DSP作为系统的处理器，充分发挥运算速度快、指令执行周期短、数据处理方便的优点。FPGA作为DSP的一个外设，负责与DSP进行通信。这种设计方法充分发挥了两种芯片的优势，节省了DSP的片内资源，提高了DSP的运行效率，弥补了DSP专用I/O不足的缺点。

本发明三电平逆变器SHEPWM调制方法在不需要知道开关角初始值前提下实现了在线计算开关角，进一步生成PWM信号对逆变器进行调制，另外实现了不同调制度情况下的快速切换。如图5a和图5b所示，先通过遗传算法求解开关角度得出三电平逆变器的输出电压、电流波形。如图6a和图6b所示，通过本发明的方法求解开关角得出三电平逆变器的输出电压、电流波形。因为遗传算法具有随机搜索的特点，不适合采用DSP、FPGA等微控制器实现实时控制，通过本发明的方法可以更加方便地采用DSP、FPGA等微控制器实现实时控制，进行在线插值计算，提高了效率。对比图5a和图6a，图5b和图6b可以看出没有明显区别，验证了本发明方法的正确性，但是本发明速度更快，效率更高，适合于实时控制。当调制度发生变化，例如调制度从0.58-0.93，如图4b所示，通过本发明方法求解开关角继而得到PWM信号对逆变器控制，继而得到如图7所示三电平逆变器的输出电压、电流波形。从图4b和图7可以看出，本发明的方法可以实现调制度变化时快速切换，产生相应PWM信号对三电平逆变器进行控制。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式作出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (7)

1.一种三电平逆变器SHEPWM调制方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤S10：根据控制系统性能要求确定开关角数量和调制度m区间；

步骤S20：根据步骤S10得到的开关角数量在调制度m区间内通过遗传算法求得相应调制度时的开关角；

步骤S30：将步骤S20得到不同调制度的开关角通过多项式插值计算得到开关角与调制度m的关系式；

步骤S40：将插值计算得到的多项式系数存储于存储器中；

步骤S50：采样三相逆变器输出电压，根据采样输出电压求得当前调制度，根据调制度的值查找存储器中相应插值多项式系数；通过多项式系数求出各开关角；

步骤S60：接收步骤S50得到开关角，根据三电平逆变器控制规律产生PWM信号。

2.按照权利要求1所述的三电平逆变器SHEPWM调制方法，其特征在于，所述步骤S20包括以下步骤，

步骤S201：选取开关角度为决策变量，确定决策变量约束条件为0°-90°之间；

步骤S202：采用二进制编码对开关角度进行编码，确定二进制编码长度；

步骤S203：根据开关角选择适应度函数；

步骤S204：确定遗传算法的运行参数和优化终止条件，所述运行参数包括种群大小、进化代数、交叉率和变异率，所述优化终止条件为适应度函数达到极小值或达到最大进化代数；

步骤S205：满足优化终止条件时，选取调制度得到相应的开关角度。

3.按照权利要求2所述的三电平逆变器SHEPWM调制方法，其特征在于：

所述适应度函数为 $\mathrm{fit}\_f=\frac{1}{1+{\mathrm{ff}}_1^2+{\mathrm{ff}}_5^2+{\mathrm{ff}}_7^2+...+{\mathrm{ff}}_x^2},$ X为最大消除谐波次数，其中， ${\mathrm{ff}}_1=\frac{4}{\mathrm{\π}}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{(-1)}^{i+1}\cos {\mathrm{\α}}_i-m,{\mathrm{ff}}_N=\frac{4}{\mathrm{N\π}}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{(-1)}^{i+1}\cos \left({\mathrm{N\α}}_i\right),$ n为开关角数量,N为相应消除谐波次数。

4.按照权利要求1所述的三电平逆变器SHEPWM调制方法，其特征在于：所述步骤S30中多项式插值计算为分段插值计算。

5.按照权利要求1所述的三电平逆变器SHEPWM调制方法，其特征在于：所述步骤S50中通过DSP处理器采样三电平逆变器的输出电压。

6.按照权利要求5所述的三电平逆变器SHEPWM调制方法，其特征在于：所述步骤S60中采用FPGA接收DSP处理器发送来的开关角，然后根据三电平逆变器控制规律生产PWM信号，所述DSP处理器通过外部接口模块将开关角以并行通信方式发送给FPGA。

7.按照权利要求1至6中任一项所述的三电平逆变器SHEPWM调制方法，其特征在于：所述根据三电平逆变器控制规律生成PWM信号时，加入死区时间。