CN104836555B - 一种有源电力滤波器随机频率脉宽调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源电力滤波器随机频率脉宽调制方法，通过预先存储一组符合要求的均匀分布随机数，然后再周期重复调用该组随机数，生成在一个较宽范围内均匀分布的开关频率，这样通过周期重复调用克服了要求存储空间大的缺点，易于实现和工程化，最终使有源电力滤波器的电磁辐射和电压电流谐波分量均匀分布在一个较宽的频率范围内。

Description

一种有源电力滤波器随机频率脉宽调制方法

技术领域

本发明属于有源电力滤波器随机脉宽调制技术领域，更为具体地讲，涉及一种有源电力滤波器随机频率脉宽调制方法。

背景技术

有源电力滤波器中广泛采用的是固定周期的PWM(Pulse Width Modulation)脉宽调制技术，将PWM脉冲映射到频域中就形成一系列含有离散频率分量的频谱，除了参考信号频率外，在开关频率和开关频率的整数倍附近会出现丰富的高次谐波，会导致电压和电流波形发生畸变，引起电磁干扰和电磁噪声问题。

目前，可以通过提高开关频率来解决此问题，在实际的操作中，虽然将开关频率提高到15KHz以上可以避开人耳听觉的敏感范围而达到降噪的效果，但开关频率的提高无疑将增加功率器件的损耗和死区对输出波形的影响，同时开关频率的提高还要受到硬件实现的限制。

还可以通过改变控制电路和程序，实现开关频率在一定的范围内随机均匀分布的变化。这种开关频率随机变化的脉宽调制技术称为随机开关频率脉宽调制技术。随机开关频率脉宽调制技术可以使有源电力滤波器输出电流和电压集中在开关频率和开关频率整数倍处的高次谐波在一个较宽范围内连续均匀分布而不影响基波分量，从而抑制了电磁干扰和改善系统电磁兼容性。

经初步检索，在中国发明专利《一种电力电子装置随机开关频率实现方法》(申请号201210083780.1)中，提出的一种随机开关频率脉宽调制实现方法中随机数的产生运算量大，占用资源多，工程化应用较难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种有源电力滤波器随机频率脉宽调制方法，使有源电力滤波器的电磁辐射和电压电流谐波分量均匀的分布在一个较宽的频率范围内，易于实现和工程化。

为实现上述发明目的，本发明一种有源电力滤波器随机频率脉宽调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、在DSP中断周期interrupt_A内，采样有源电力滤波器负载电流i_L和补偿电流i_C；

(2)、谐波电流检测模块将步骤(1)采样的负载电流i_L进行离散傅立叶变换(DFT)得到指令电流

(3)、电流控制模块先将步骤(2)所述指令电流与步骤(1)所述补偿电流i_C作差，得到误差电流Δi_C，再将得到的误差电流Δi_C进行PI控制，得到控制量V；

(4)、载波周期计算模块从随机数列表中按查表方式依次调用预存的随机数R_i,R_i∈[-1,1],i＝1,2,…,n，n表示随机数列表中预存的随机数个数；其中，每个载波周期内仅调用一个随机数，当调用到第n随机数后再循环重新调用；载波周期计算模块再根据调用的随机数R_i，计算出当前的载波周期值C_k，k表示当前第k个载波周期，其计算公式为：

其中，f_S0表示随机开关频率的期望值，Δf表示随机开关频率的频带宽度；

(5)、将信号调制模块DSP中断周期interrupt_B时间设定为当前载波周期值C_k，在DSP中断周期interrupt_B内，以C_k为开关周期形成载波，以输入的控制量V为调制波，经信号调制模块生成随机SPWM波；

(6)、SPWM模块根据随机SPWM波得到对应的开关控制信号，再用该开关控制信号来控制三电平VSI的各个IGBT的开关通断。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种有源电力滤波器随机频率脉宽调制方法，通过预先存储一组符合要求的均匀分布随机数，然后再周期重复调用该组随机数，生成在一个较宽范围内均匀分布的开关频率，这样通过周期重复调用克服了要求存储空间大的缺点，易于实现和工程化，最终使有源电力滤波器的电磁辐射和电压电流谐波分量均匀分布在一个较宽的频率范围内。

同时，本发明一种有源电力滤波器随机频率脉宽调制方法还具有以下有益效果：

(1)、本发明采用数字方式实现脉宽调制随机PWM波，方法简单，计算量小，便于实现和工程化应用；

(2)、通过本发明处理后，使有源电力滤波器输出电压电流谐波分量均匀连续分布在一个较宽的频率范围内，有效减小电磁辐射和降低电磁噪声。

附图说明

图1是本发明有源电力滤波器随机频率脉宽调制方法的原理框图；

图2是一组随机数形成的周期变化的载波图；

图3是未采用和采用本发明方法的有源电力滤波器a输出相电压u_o的频谱图；

图4是未采用和采用本发明方法的有源电力滤波器a输出相电流i_c的频谱图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明有源电力滤波器随机频率脉宽调制方法的原理框图。

在本实施例中，如图1所示，有源电力滤波器包括：三电平VSI1、LCL滤波器2、非线性负载3、谐波电流检测模块4、电流控制模块5、SPWM模块6；其中，SPWM模块6又包括随机数列表模块、载波周期计算模块和信号调制模块。

下面结合图1对本发明进行详细说明，具体如下：

在本实施例中，一种有源电力滤波器随机频率脉宽调制方法，包括以下步骤：

S1、采样负载电流i_L和补偿电流i_C

将DSP中断周期interrupt_A设定为系统采样周期，在中断周期interrupt_A内对有源电力滤波器负载电流i_L和补偿电流i_C进行采样；

S2、获取指令电流

谐波电流检测模块将上述S1中采样的负载电流i_L进行离散傅立叶变换(DFT)得到指令电流

S3、获取控制量V

电流控制模块先将上述S2中的指令电流与上述S1中的补偿电流i_C作差得到误差电流Δi_C，再将得到的误差电流Δi_C进行PI控制得到控制量V；

S4、计算当前的载波周期值C_k

在随机数列表中预存有n个确定的随机数R_i∈[-1,1],i＝1,2,…,n，用于载波周期计算模块计算当前载波周期值C_k时循环调用；在本实施例中，随机数列表中预存有200个确定的随机数，即n＝200，这200个确定的随机数是由数学算法产生，符合均匀分布规律且满足如下公式：

其中，其f_S0表示随机开关频率的期望值，Δf表示随机开关频率的频带宽度，T_CMIN、T_CMAX分别表示随机开关周期的最小值和最大值。在本实施例中f_S0＝10kHz，Δf＝2000Hz，T_CMIN＝1/12000，T_CMAX＝1/8000。

载波周期计算模块从随机数列表中按查表方式依次调用预存的200个随机数，每个载波周期内仅调用一个随机数，当调用到第200随机数后再返回第1个随机数循环调用；如图2所示，给出部分循环调用200个随机数得到的载波波形。

载波周期计算模块再根据调用的随机数R_i，计算出当前的载波周期值C_k，k表示当前第k个载波周期，其计算公式为：

S5、生成SPWM波

将信号调制模块中断周期interrupt_B时间设定为当前载波周期值C_k，在中断周期interrupt_B内，以C_k为开关周期形成载波，以输入的控制量V为调制波，经信号调制模块生成随机SPWM波；

S6、生成开关控制信号

SPWM模块根据随机SPWM波得到对应的开关控制信号，再用该开关控制信号来控制三电平VSI的各个IGBT的开关通断。

图3是未采用和采用本发明方法的有源电力滤波器a输出相电压u_o的频谱图。

在本实施例中，图3(a)为未采用本发明方法的有源电力滤波器a输出相电压u_o的频谱图，图3(b)为采用本发明方法的有源电力滤波器a输出相电压u_o的频谱图。从图3(a)可以看出，电压谐波主要集中在开关频率及其整数倍(200次和400次)处，图3(b)可以看出，集中在开关频率及其整数倍(200次和400次)的电压谐波连续均匀地分布在设定的频带范围内，有效减小电磁辐射和降低电磁噪声。

图4是未采用和采用本发明方法的有源电力滤波器a输出相电流i_c的频谱图。

在本实施例中，图4(a)为未采用本发明方法的有源电力滤波器a输出相电流i_c的频谱图，图4(b)为采用本发明方法的有源电力滤波器a输出相电流i_c的频谱图。从图4(a)可以看出，电流谐波主要集中在开关频率及其整数倍(200次和400次)处，图4(b)可以看出，集中在开关频率及其整数倍(200次和400次)的电压谐波连续均匀地分布在设定的频带范围内，有效减小电磁辐射和降低电磁噪声。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种有源电力滤波器随机频率脉宽调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、在信号调制模块DSP中断周期interrupt_A内，采样有源电力滤波器负载电流i_L和补偿电流i_C；

(2)、谐波电流检测模块将步骤(1)采样的负载电流i_L进行离散傅立叶变换(DFT)得到指令电流

(3)、电流控制模块先将步骤(2)所述指令电流与步骤(1)所述补偿电流i_C作差，得到误差电流Δi_C，再将得到的误差电流Δi_C进行PI控制，得到控制量V；

(4)、载波周期计算模块从随机数列表中按查表方式依次调用预存的随机数R_i,R_i∈[-1,1],i＝1,2,…,n，n表示随机数列表中预存的随机数个数；其中，每个载波周期内仅调用一个随机数，当调用到第n随机数后再循环重新调用；载波周期计算模块再根据调用的随机数R_i，计算出当前的载波周期值C_k，k表示当前第k个载波周期，其计算公式为：

$C_k=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{f_{S0}+R_k*\mathrm{\Δ}f}& k\≤n\\ \frac{1}{f_{S0}+R_{k-n}*\mathrm{\Δ}f}& k>n\end{array}\right.$

其中，f_S0表示随机开关频率的期望值，Δf表示随机开关频率的频带宽度；

(5)、将信号调制模块DSP中断周期interrupt_B时间设定为当前载波周期值C_k，在信号调制模块DSP中断周期interrupt_B内，以C_k为开关周期形成载波，以输入的控制量V为调制波，经信号调制模块DSP生成随机SPWM波；

(6)、SPWM模块根据随机SPWM波得到对应的开关控制信号，再用该开关控制信号来控制三电平VSI的各个IGBT的开关通断。

2.根据权利要求1所述的有源电力滤波器随机频率脉宽调制方法，其特征在于，所述中断周期interrupt_A为负载电流i_L和补偿电流i_C的采样周期。

3.根据权利要求1所述的有源电力滤波器随机频率脉宽调制方法，其特征在于，所述SPWM模块包括随机数列表模块、载波周期计算模块和信号调制模块DSP。

4.根据权利要求1或3所述的有源电力滤波器随机频率脉宽调制方法，其特征在于，所述随机数列表中预存有n个确定的随机数R_i∈[-1,1],i＝1,2,…,n，用于载波周期计算模块计算当前载波周期值C_k时循环调用；

其中，n个确定的随机数是由数学算法产生，符合均匀分布规律，且满足如下公式：

$T_{CMIN}\≤\frac{1}{f_{S0}+R_i*\mathrm{\Δ}f}\≤T_{CMAX}$

其中，T_CMIN、T_CMAX分别表示随机开关周期的最小值和最大值。