CN104377980B - 用于地铁辅助逆变器控制的脉冲生成方法 - Google Patents

用于地铁辅助逆变器控制的脉冲生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及逆变器控制技术，具体为用于地铁辅助逆变器控制的脉冲生成方法。解决常规的高频PWM调制不太适用于地铁辅助电源这种高压大功率场合的问题。首先获得调制度M和开关角值的对应查询表；再得到调制度M的实际输出值，并根据实际输出值在对应查询表中查得一组开关角值；选取5°为一个中断周期，在查得的一组开关角值中寻找是否有落入当前中断周期所覆盖的电角度范围内的一个或两个开关角值，如果有一个则在该开关角值处发生脉冲状态改变；如果有两个开关角值则分别在两个开关角值处发生脉冲状态改变；如果没有则脉冲状态不发生改变。本发明可以满足地铁辅助逆变器在不同直流输入电压下对输出电压特性、网压突变、负载突变的要求。

Description

用于地铁辅助逆变器控制的脉冲生成方法
技术领域
本发明涉及逆变器控制技术，具体为用于地铁辅助逆变器控制的脉冲生成方法。
背景技术
地铁辅助电源系统是地铁车辆上一个必不可少的关键电气部件，负责为车辆空调、电热采暖、照明、空气压缩机、各系统控制电路及列车监视系统、车载信号和通信设备等交流负载提供稳定的三相四线制的380V(220V)电源。地铁辅助电源是由辅助逆变器得到的。辅助电源系统正常工作与否直接影响到列车的安全稳定运行、乘客乘坐的舒适度。
在地铁中辅助逆变器多采用传统两电平逆变器，因其技术成熟，控制简单，更容易实现。对于1500VDC供电电网电压，不仅要考虑到器件耐压，还要考虑到开关频率；器件耐压越高，为保护器件安全，开关频率亦不能太高；对于功率单元的损耗和温升限制，也使得开关频率不能太高；这使得常规的高频PWM调制不太适用于这种高压大功率场合。
发明内容
本发明解决常规的高频PWM调制不太适用于地铁辅助电源这种高压大功率场合的问题，提供一种用于地铁辅助逆变器控制的脉冲生成方法。该方法针对地铁辅助逆变器电压等级高，功率大，功率模块散热靠走行风冷进行的状况，在保证输出电压波形质量的前提下，以不提高开关频率，不增加系统损耗的前提下，采用特定消谐的方式进行脉冲的产生，保证模块温升满足要求，提高系统运行的稳定性、可靠性。
本发明是采用如下技术方案实现的：用于地铁辅助逆变器控制的脉冲生成方法，是由如下步骤实现的：
1)设三相系统任意一相在1/4周期内共有N个状态变化，N为5、7、9、11、13，根据电网周期的1/4周期偶对称，1/2周期奇对称，三相系统任意一相在半个周期内共有2N+1个状态变化(2N个状态变化，加上180°位置的状态变化)，一个周期有2(2N+1)个状态变化；
2)针对低电平开始或高电平开始的脉冲状态，得到以不同精度分布的调制度M和N个开关角值的对应查询表，调制度M的范围为0.1－1.15；进而再通过步骤1)所述的偶对称和奇对称得到以不同精度分布的调制度M和2(2N+1)个开关角值的对应查询表。调制度M的分布精度决定逆变器的控制精度，分布精度越高，控制精度越高；对应查询表与脉冲状态有关，即脉冲是低电平开始，得到的是低电平开始的对应查询表；脉冲是高电平开始，得到的是高电平开始的对应查询表。对应查询表的获得是本领域技术人员容易实现的：根据大量有关特定消谐开关角的生成方法文献资料，针对地铁辅助逆变器的控制要求选取以低电平开始或高电平开始的单极性输出电压波形为研究对象，利用傅立叶分析法、数值计算方法和MATLAB软件，对所建立的N个非线性方程组进行求解，得到不同调制度M下的N个开关角值；对N个非线性方程联立进行求解，先选取初始值，再用同伦叠代算法进行固定步数的叠代，再把同伦叠代算法的结果作为牛顿叠代算法的初值进行叠代计算，得到相应脉冲状态的不同调制度M下的各开关角值；
3)根据直流输入电压Udc和所需输出线电压有效值Us进行计算，同时考虑输出端滤波电抗器的压降ΔUL和输出变压器的变比T，利用公式M1＝π(Us*T/1.732+ΔUL)/(1.414*Udc)得出第一调制度值M1；将给定的输出线电压有效值与输出电压检测值相比较后，经过PI调节，得出第二调制度值M2,将两者的结果相加作为调制度M的实际输出值即M＝M1+M2；在逆变器启动过程和直流输入电压Udc的变化超过100V时，要求实时更新M值，保证启动时间和防止直流突变引起的输出电压波动，而当直流输入电压Udc的变化小于100V时，每个电网周期更新一次M值，保证输出电压的谐波特性良好；
4)根据步骤3)得到的调制度M的实际输出值经四舍五入，在对应查询表中查到对应的一组开关角值(4N+2个)。利用三相对称性，其它两相可以通过扩展查询任意一相的数据表得到对应的结果；
5)选取5°为一个中断周期，则任意一相电压的一个电网周期分成72份；针对某一中断周期，在步骤4)得到的一组开关角值中寻找是否有落入该中断周期所覆盖的电角度范围内的一个或两个开关角值，如果有一个开关角值，则该中断周期内只用该一个开关角值，即在该开关角值处发生脉冲状态改变(从高到低或从低到高)；如果有两个开关角值，该中断周期分别使用该两个开关角值，即分别在两个开关角值处发生脉冲状态改变；如果没有则脉冲状态不发生改变，即维持相邻的上一个中断周期最后的脉冲状态；
6)在当前脉冲状态会发生改变的中断周期，查表寻找下次脉冲状态改变的开关角值，在下次需脉冲状态改变的前一个中断周期更新开关角值的变化，在下次需脉冲状态改变的中断周期更新脉冲状态的变化；
7)查询表对应的是U相的值，故查表时U相是从第1个开关角值开始查表，利用三相对称互差120°的特点，对于V相和W相给定的查表初值分别为第N+1个和第N个，避免出现首脉冲出错的状态。
本发明为保证输出电压品质，选用特定消谐的脉冲生成方式，通过开关时刻的优化选择，消除选定的低次谐波，将低次谐波推移为高次谐波，后用滤波器将谐波滤除。本发明具有以下几个特点：1)在同样的波形质量下，利用特定消谐的脉冲得到的开关频率最低，从而降低开关损耗，提高转化效率，这一点对高压大功率设备具有特别的意义；2)由于不含低次谐波，使滤波电感和滤波电容的尺寸有所减小，降低设计成本；3)直流侧电压利用率高，可以达到1.15倍。本发明可以满足地铁辅助逆变器在不同直流输入电压下对输出电压特性、网压突变、负载突变的要求。
附图说明
图1为辅助变流器原理图。
具体实施方式
用于地铁辅助逆变器控制的脉冲生成方法，是由如下步骤实现的：
1)设三相系统任意一相在1/4周期内共有N个状态变化，N为5、7、9、11、13，根据电网周期的1/4周期偶对称，1/2周期奇对称，三相系统任意一相在半个周期内共有2N+1个状态变化(2N个状态变化，加上180°位置的状态变化)，一个周期有2(2N+1)个状态变化；
2)针对低电平开始或高电平开始的脉冲状态，得到以不同精度分布的调制度M和N个开关角值的对应查询表，调制度M的范围为0.1－1.15；进而再通过步骤1)所述的偶对称和奇对称得到得到以不同精度分布的调制度M和2(2N+1)个开关角值的对应查询表。
《测控技术》杂志2003年22卷第8期，丁小松等发表的文章“SHEPWM技术应用研究”；利用特定消谐技术进行PWM逆变器的设计,《电工技术》2007.06，孙柯等；SPWM逆变器混合调制方法的研究，中国农业大学，2005学位论文，刘磊。上述各文献公开了对应查询表的获得方法，充分显示了对应查询表获得方法属于现有成熟技术。
调制度M的分布精度可选用0.01，即0.1－1.15的调制度M范围划分成115个值，各值间相差0.01。调制度M的分布精度也可选用0.03，或0.05等。表1给出了分布精度为0.03，N等于7的一种低电平开始的对应查询表；表2给出了分布精度为0.03，N等于11的一种低电平开始的对应查询表。在表1、表2的基础上根据步骤1)，每一个调制度M值可对应一组分别有30个和46个数据的开关角值组。
表1
表2
3)根据直流输入电压Udc和所需输出线电压有效值Us(380V)进行计算，同时考虑输出端滤波电抗器的压降ΔUL和输出变压器的变比T(如图1所示)，利用公式M1＝π(Us*T/1.732+ΔUL)/(1.414*Udc)得出第一调制度值M1；将给定的输出线电压有效值(380V)与输出电压检测值相比较后，经过PI调节，得出第二调制度值M2,作为扰动补偿项，将两者的结果相加作为调制度M的实际输出值即M＝M1+M2；在逆变器启动过程和直流输入电压Udc的变化超过100V时，要求实时更新M值，保证启动时间和防止直流突变引起的输出电压波动，而当直流输入电压Udc的变化小于100V时，每个电网周期更新一次M值，保证输出电压的谐波特性良好；
4)根据步骤3)得到的调制度M的实际输出值经四舍五入，在对应查询表中查到对应的一组开关角值(4N+2个)，具体实施时，查询表只存储前半个周期的值，后半个周期可利用对称性得到。利用三相对称性，其它两相可以通过扩展查询任意一相的数据表得到对应的结果；
5)选取5°为一个中断周期，则任意一相电压的一个电网周期分成72份；针对某一中断周期，在步骤4)得到的一组开关角值中寻找是否有落入该中断周期所覆盖的电角度范围内的一个或两个开关角值，如果有一个开关角值，则该中断周期内只用该一个开关角值，即在该开关角值处发生脉冲状态改变(从高到低或从低到高)；如果有两个开关角值，该中断周期分别使用该两个开角值，即分别在两个开关角值处发生脉冲状态改变；如果没有则脉冲状态不发生改变，即维持相邻的上一个中断周期最后的脉冲状态。从表1可以看出，在M为0.97时，50.21和53.08就是在一个中断周期(50－55°)内的两个开关角值。表2中有多个中断周期内有两个开关角值；
以表1中某一电网周期的M值为0.97为例，0－5°的中断周期是低电平(因为表1是低电平开始的脉冲状态)，5－10°的中断周期在8.26处发生从低到高的改变，10－15°的中断周期(未寻找到对应值)是高电平(即维持相邻的上一个中断周期最后的脉冲状态)，15－20°的中断周期在16.87处发生从高到低的改变，……，在50－55°的中断周期有两个对应开关角值50.21，53.08，则分别在50.21，53.08处发生脉冲状态改变(从高到低或从低到高)，……。
6)在当前脉冲状态会发生改变的中断周期，查表寻找下次脉冲状态改变的开关角值，在下次需脉冲状态改变的前一个中断周期更新开关角值的变化，在下次需脉冲状态改变的中断周期更新脉冲状态的变化。如，当前脉冲状态发生改变的中断周期为5－10°，查表得到的下次脉冲状态改变的开关角值为30.45，则在25－30°的中断周期更新开关角值的变化，而30－35°的中断周期更新脉冲状态的变化；
7)查询表对应的是U相的值，故查表时U相是从第1个开关角值开始查表，利用三相对称互差120°的特点，对于V相和W相给定的查表初值分别为第N+1个和第N个，避免出现首脉冲出错的状态。

Claims (1)

1.一种用于地铁辅助逆变器控制的脉冲生成方法，其特征在于是由如下步骤实现的：
1）设三相系统任意一相在1/4周期内共有N个状态变化，N为5、7、9、11、13，根据电网周期的1/4周期偶对称，1/2周期奇对称，三相系统任意一相在半个周期内共有2N + 1个状态变化，一个周期有2（2N+1）个状态变化；
2）针对低电平开始或高电平开始的脉冲状态，得到以不同精度分布的调制度M和N个开关角值的对应查询表，调制度M的范围为0.1－1.15；进而再通过步骤1）所述的偶对称和奇对称得到以不同精度分布的调制度M和2（2N+1）开关角值的对应查询表；
3）根据直流输入电压Udc和所需输出线电压有效值Us进行计算，同时考虑输出端滤波电抗器的压降ΔUL和输出变压器的变比T，利用公式M1=π（Us*T/1.732+ΔUL）/（1.414*Udc）得出第一调制度值M1；将给定的输出线电压有效值与输出电压检测值相比较后，经过PI调节，得出第二调制度值M2, 将两者的结果相加作为调制度M的实际输出值即M=M1+M2；在逆变器启动过程和直流输入电压Udc的变化超过100V时，要求实时更新M值，而当直流输入电压Udc的变化小于100V时，每个电网周期更新一次M值；
4）根据步骤3）得到的调制度M的实际输出值经四舍五入，在对应查询表中查到对应的一组开关角值；
5）选取5°为一个中断周期，则任意一相电压的一个电网周期分成72份；针对某一中断周期，在步骤4）得到的一组开关角值中寻找是否有落入该中断周期所覆盖的电角度范围内的一个或两个开关角值，如果有一个开关角值，则该中断周期内只用该一个开关角值，即在该开关角值处发生脉冲状态改变；如果有两个开关角值，该中断周期分别使用该两个开关角值，即分别在两个开关角值处发生脉冲状态改变； 如果没有则脉冲状态不发生改变，即维持相邻的上一个中断周期最后的脉冲状态；
6）在当前脉冲状态会发生改变的中断周期，查表寻找下次脉冲状态改变的开关角值，在下次需脉冲状态改变的前一个中断周期更新开关角值的变化，在下次需脉冲状态改变的中断周期更新脉冲状态的变化；
7）查询表对应的是U相的值，故查表时U相是从第1个开关角值开始查表，利用三相对称互差120°的特点，对于V相和W相给定的查表初值分别为第N+1个和第N个，避免出现首脉冲出错的状态。
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