CN106160453A - 一种基于马尔可夫链的npc逆变器混合随机svpwm控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于马尔可夫链的NPC逆变器混合随机SVPWM控制系统及方法，属于电力电子运用领域，该控制系统中的三相正弦波发生器首先产生三相正弦波传输给SVPWM波发生器、基于三状态马尔可夫链的随机数发生器产生随机开关频率及基于两状态马尔可夫链的随机数发生器产生随机分配的零矢量作用时间同时传输给SVPWM波发生器，SVPWM波发生器根据接收的三相正弦波、随机开关频率及矢量作用时间产生SVPWM波，传输给三相NPC拓扑结构。本发明使谐波在开关频率及其整数倍处变得平顺，抑制电磁噪声，减小了产生的电磁污染，而加入了马尔可夫链的随机算法，保证了随机调制技术优点的同时，使调制频率在期望中心频率周围更加均匀的分布，改善了电磁兼容性。

Description

一种基于马尔可夫链的NPC逆变器混合随机SVPWM控制系统及 方法

技术领域

本发明属于电力电子运用领域，具体涉及一种基于马尔可夫链的NPC逆变器混合随机SVPWM控制系统及方法。

背景技术

21世纪以来，电力电子技术迅速发展。各类电力电子设备的广泛运用，电网中产生严重的谐波污染，非线性负荷是谐波源，如逆变器，斩波器以及双向晶闸管可控开关设备等，使电网中电流严重的畸变，夹杂着非常多的无功分量和谐波，不仅影响电力电子设备的正常使用，而且威海了电能的生产和传输。所以我们可以发现谐波的危害非常严重，电能质量问题，会造成设备故障，严重的会损坏整个系统，造成难以估量的损失。现在，人们越来越重视电能质量，以及对谐波的治理。其中，逆变器的选择对输出波形的影响非常关键，而三电平二极管钳位式(Neutral Point Clamped,NPC)逆变器相对于两电平逆变器其具有更小的dv/dt和THD、输出更接近正弦波、输出谐波小等优点。因此NPC逆变器一直是科研的热点。

传统的SVPWM控制方法大多采用定频SVPWM来控制全控器件的导通及关断，虽然拥有很高的直流电压利用率；但因为是定频，所以输入电流在开关频率整数倍处会产生幅值较高的谐波，降低了输出波形的质量，同时产生电磁污染及高频噪音的问题。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于马尔可夫链的NPC逆变器混合随机SVPWM控制系统及方法，解决传统的SVPWM控制方法产生的电磁污染及高频噪音的问题。

本发明是通过以下技术方案实现上述技术目的的。

一种基于马尔可夫链的NPC逆变器混合随机SVPWM控制系统，其特征在于，包括三相NPC拓扑结构、基于两状态马尔可夫链的随机数发生器、基于三状态马尔可夫链的随机数发生器、三相正弦波发生器及SVPWM波发生器，

所述三相正弦波发生器首先产生正弦波由导线传输给所述SVPWM波发生器，所述基于三状态马尔可夫链的随机数发生器产生随机开关频率及所述基于两状态马尔可夫链的随机数发生器产生随机分配的零矢量作用时间同时由导线传输给所述SVPWM波发生器，所述SVPWM波发生器根据接收的三相正弦波、随机开关频率及零矢量作用时间，产生SVPWM波并通过导线传输给三相NPC拓扑结构的IGBT开关管。

一种基于马尔可夫链的NPC逆变器混合随机SVPWM控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)，构建基于马尔可夫链的NPC逆变器混合随机SVPWM控制系统；

步骤2)，三相正弦波发生器产生三相正弦波传输给SVPWM波发生器；

步骤3)，基于三状态马尔可夫链的随机数发生器产生随机开关频率f；

步骤4)，基于两状态马尔可夫链的随机数发生器产生随机分配的零矢量作用时间T₀₁、T₀₂；

步骤5)，步骤3)产生的随机开关频率f及步骤4)产生的随机分配的零矢量作用时间T₀₁、T₀₂同时传输给所述SVPWM波发生器；

步骤6)，SVPWM波发生器根据接收的三相正弦波、随机开关频率f及矢量作用时间T₀₁、T₀₂产生SVPWM波，传输给三相NPC拓扑结构。

进一步，所述步骤1)中基于马尔可夫链的NPC逆变器混合随机SVPWM控制系统，包括三相NPC拓扑结构、基于两状态马尔可夫链的随机数发生器、基于三状态马尔可夫链的随机数发生器、三相正弦波发生器及SVPWM波发生器，所述三相正弦波发生器首先产生正弦波由导线传输给所述SVPWM波发生器，所述基于三状态马尔可夫链的随机数发生器产生随机开关频率及所述基于两状态马尔可夫链的随机数发生器产生随机分配的零矢量作用时间同时由导线传输给所述SVPWM波发生器，所述SVPWM波发生器根据接收的三相正弦波、随机开关频率及零矢量作用时间，产生SVPWM波并通过导线传输给三相NPC拓扑结构的IGBT开关管。

进一步，所述步骤3)基于三状态马尔可夫链的随机数发生器产生随机开关频率f的具体过程为：取随机增益B、期望开关频率f_s以及[-1,1]之间的随机数R_b，通过转移矩阵p₃将的随机数R_b分为三个区间，通过公式f＝f_s+BR_b得出开关频率f。

进一步，所述步骤4)中基于两状态马尔可夫链的随机数发生器产生随机分配的零矢量作用时间T₀₁、T₀₂的具体过程为：

设零矢量的总作用时间为T₀，零矢量v₀的作用时间为T₀₀，前半周期作用时间为T₀₁，后半周期作用时间为T₀₂；零矢量v₇前半周期作用时间为T₇₁，后半周期作用时间为T₇₂，则零矢量v₇的作用时间为T₇＝T₇₁+T₇₂；

取[0,1]之间的随机数R_a，通过转移矩阵p₂产生两个随机数R₁、R₂，随机数R₁分配零矢量v₀、v₇的作用时间，然后随机数R₂分配零矢量v₀在前、后半周期的作用时间T₀₁、T₀₂。

进一步，所述转移矩阵其中P₁为属于状态3的概率，P₂为属于状态2的概率。

进一步，所述转移矩阵其中P为从状态1转移到状态2的概率。

本发明的有益效果为：本发明提出的控制方法优化了普通随机数，引入两状态和三状态马尔可夫链产生转移矩阵，随机开关频率分散原本集中于开关频率整数倍处突出的谐波能量，减小了NPC逆变器中高次谐波带来的电磁干扰传导问题，不仅大幅降低了谐波峰值，抑制了电磁噪声，同时使得NPC逆变器输出电压的功率谱变得连续。

附图说明

图1为NPC逆变器的拓扑结构示意图；

图2为本发明两状态马尔可夫链原理图；

图3为本发明三状态马尔可夫链原理图；

图4为本发明一种基于马尔可夫链的NPC逆变器混合随机SVPWM控制方法的系统原理图；

图5为本发明基于马尔可夫链生成随机数的示意图；

图6为本发明随机开关频率f示意图；

图7为本发明零矢量v₀的随机位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，NPC逆变器的拓扑结构示意图，图中有12个IGBT开关管，每4个IGBT开关管组成三相桥臂，三相桥臂与负载相连。在大功率场合，相对于两电平逆变器其具有开关频率高、器件承受电压低、输出电压波形好等优点。

图2和图3分别表示了两状态、三状态马尔可夫链原理，首先马尔可夫过程是一种随机过程，特征如下：在已知当前状态的条件下，它将来状态独立于它以往的状态，也就是说该过程中，在给定当前知识或信息的情况下，只有当前的状态可以用来预测将来状态，过去对于预测将来是无用的。马尔可夫过程可作如下数学描述：

设{A(t),t∈T}为一个随机过程，且

0＜t₁＜t₂＜……＜t_n∈T (1)

若在t₁,t₂,……,t_n时刻过程A(t)的取值分别为a₁,a₂,……,a_n，并有

F(a_n，t_n|a_n-1，t_n-1；a_n-2，t_n-1；……；a₁，t₁)＝F(a_n，t_n|a_n-1，t_n-1) (2)

则称A(t)为马尔可夫过程；(2)式中当前时刻t_n的状态是x_n，而下一时刻t_n+1的状态x_n+1仅取决于当前状态x_n而与过去状态无关，具有无后效性。

当马尔可夫过程的自变量和状态均离散取值时，称该过程为离散马尔可夫链；实际系统中，常用转移概率来观察系统状态的转化情况；如P_ij表示状态j变为状态i的概率，马尔可夫链所有的转移概率可以组成转移概率矩阵：

$P=\{p_{ij},i,j\∈S\}=\left[\begin{array}{ccc}{p}_{11}& \mathrm{...}& p_{1n}\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ p_{n1}& \mathrm{...}& p_{nn}\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中S为状态空间，包含所有状态；

图2为两个状态在转移所以转移概率矩阵为2阶，图3为三个状态在转移所以转移概率矩阵为3阶。

就本发明而言，就是引入随机因子R∈[0,1]，两状态指以0.5为分界，状态1为[0,0.5]，状态2为[0.5,1]，因此若设当前为状态1，则下一次为状态2的概率为P，而为状态1的概率为1-P；同理，若当前为状态2，则下一次为状态1的概率为P，而为状态2的概率为1-P。因此，图2的马尔可夫链的转移概率矩阵可以表示为：

$p_2=\left[\begin{array}{cc}1-P& P\\ P& 1-P\end{array}\right]---\left(4\right)$

对于三状态而言引入随机因子Y∈[-1,1]，状态1为[-1,-0.33)，状态2为[-0.33,0.33]，状态3为(0.33,1]，因此设若系统当前属于状态1，则下一次只能是状态2或3，设属于状态3的概率为P₁，则属于状态2的概率为1-P₁；若当前为状态2，则下一次为状态2的概率为P₂，而为状态1或3的概率均为(1-P₂)/2；若当前为状态3，则下一次只能是状态1或2，属于状态1的概率为P₁，则属于状态2的概率为1-P₁，因此图3的马尔可夫链的转移概率矩阵可以表示为：

$p_3=\left[\begin{array}{ccc}0& 1-P_1& P_1\\ (1-P_2)/2& P_2& (1-P_2)/2\\ P_1& 1-P_1& 0\end{array}\right]---\left(5\right)$

图4所示为本发明一种基于马尔可夫链的NPC逆变器混合随机SVPWM控制方法的系统原理图，包括步骤：

步骤1)，构建基于马尔可夫链的NPC逆变器混合随机SVPWM控制系统；

基于马尔可夫链的NPC逆变器混合随机SVPWM控制系统，包括三相NPC拓扑结构、基于两状态马尔可夫链的随机数发生器、基于三状态马尔可夫链的随机数发生器、三相正弦波发生器及SVPWM波发生器，三相正弦波发生器首先产生正弦波由导线传输给SVPWM波发生器，基于三状态马尔可夫链的随机数发生器产生随机开关频率及基于两状态马尔可夫链的随机数发生器产生随机分配的零矢量作用时间同时由导线传输给SVPWM波发生器，SVPWM波发生器根据接收的三相正弦波、随机开关频率及零矢量作用时间，产生SVPWM波并通过导线传输给三相NPC拓扑结构的IGBT开关管。

步骤2)，三相正弦波发生器产生三相正弦波V_a，V_b，V_c传输给SVPWM波发生器。

步骤3)，如图5所示，基于三状态马尔可夫链的随机数发生器产生随机开关频率f；

虽然马尔可夫链的状态空间维数的选择越大越好，但同时也会成倍的增加运算过程，因此此处选择三状态马尔可夫链，随机开关频率的表达式为：

f＝f_s+BR_b (6)

其中，f_s为期望开关频率，B为随机增益，R_b为[-1,1]之间的随机数；

引入三状态马尔可夫链，通过转移矩阵将[-1,1]分为[-1,-0.33],[-0.33,0.33],[0.33,1]三个区间，即将随机开关频率f分为了[f_s-B，f_s-0.33B]，[f_s-0.33B，f_s+0.33B]，[f_s+0.33B，f_s+B]三个部分，从上述三个部分中任取一个随机开关频率，即开关周期t_n(n＝1，2，3……)，用此随机开关频率f代替普通SVPWM控制方法中的固定开关频率；原理如图6所示，图中A、B、C指的是NPC逆变器三相矢量时间分配，T₀、T₁、T₂为各矢量的作用时间；图中开关周期t₁和t₂是不相等的，所以开关频率不固定。图5中，在原有的随机数生成算法中加入了马尔可夫链算法，通过与阈值比较来判断是否发生转移，产生随机范围系数，最后与期望值相加得到最终的随机数。随机数生成时加入了马尔可夫算法，实际是一种伪随机策略，防止一段时间连续大于或小于期望频率，减小电流纹波，且抑制了谐波。随机开关频率通过三状态的马尔可夫链产生，周期为频率的倒数，随机开关频率SVPWM即随机改变载波周期，引入到系统中后，提高了对直流电压的利用率，使输出线电压的谐波分布得到改善。

步骤4)，基于两状态马尔可夫链的随机数发生器产生随机分配的零矢量作用时间T₀₁、T₀₂；

采用SVPWM调制时，有两个零矢量v₀、v₇，设零矢量的总作用时间为T₀，零矢量v₀的作用时间为T₀₀，前半周期作用时间为T₀₁，后半周期作用时间为T₀₂；零矢量v₇前半周期作用时间为T₇₁，后半周期作用时间为T₇₂，则零矢量v₇的作用时间为T₇＝T₇₁+T₇₂；

T₀₀＝R₁T (7)

T₇＝(1-R₁)T₀ (8)

T₀₁＝R₂R₁T₀ (9)

T₀₂＝(1-R₂)R₁T₀ (10)

其中，R_a为[0,1]之间的随机数，两个随机数R₁、R₂是由R_a通过转移矩阵产生；

随机数R₁分配零矢量v₀、v₇的作用时间，然后随机数R₂分配零矢量v₀在前、后半周期的作用时间T₀₁、T₀₂，更新周期等于开关周期t_n，产生新的SVPWM波；图7所示为零矢量v₀的随机位置，只改变零矢量作用时间，而其他矢量不变，使零矢量的作用时间随机生成，具有降低谐波畸变率的优点。

步骤5)，步骤3)产生的随机开关频率f及步骤4)产生的随机分配的零矢量作用时间T₀₁、T₀₂同时传输给所述SVPWM波发生器。

步骤6)，SVPWM波发生器根据接收的三相正弦波、随机开关频率f及矢量作用时间T₀₁、T₀₂产生SVPWM波，传输给三相NPC拓扑结构，实现混合随机SVPWM调制。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于马尔可夫链的NPC逆变器混合随机SVPWM控制系统，其特征在于，包括三相NPC拓扑结构、基于两状态马尔可夫链的随机数发生器、基于三状态马尔可夫链的随机数发生器、三相正弦波发生器及SVPWM波发生器，

所述三相正弦波发生器首先产生正弦波由导线传输给所述SVPWM波发生器，所述基于三状态马尔可夫链的随机数发生器产生随机开关频率及所述基于两状态马尔可夫链的随机数发生器产生随机分配的零矢量作用时间同时由导线传输给所述SVPWM波发生器，所述SVPWM波发生器根据接收的三相正弦波、随机开关频率及零矢量作用时间，产生SVPWM波并通过导线传输给三相NPC拓扑结构的IGBT开关管。

2.一种基于马尔可夫链的NPC逆变器混合随机SVPWM控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)，构建基于马尔可夫链的NPC逆变器混合随机SVPWM控制系统；

步骤2)，三相正弦波发生器产生三相正弦波传输给SVPWM波发生器；

步骤3)，基于三状态马尔可夫链的随机数发生器产生随机开关频率f；

步骤4)，基于两状态马尔可夫链的随机数发生器产生随机分配的零矢量作用时间T₀₁、T₀₂；

步骤5)，步骤3)产生的随机开关频率f及步骤4)产生的随机分配的零矢量作用时间T₀₁、T₀₂同时传输给所述SVPWM波发生器；

步骤6)，SVPWM波发生器根据接收的三相正弦波、随机开关频率f及矢量作用时间T₀₁、T₀₂产生SVPWM波，传输给三相NPC拓扑结构。

3.根据权利要求2所述的一种基于马尔可夫链的NPC逆变器混合随机SVPWM控制方法，其特征在于，所述步骤1)中基于马尔可夫链的NPC逆变器混合随机SVPWM控制系统，包括三相NPC拓扑结构、基于两状态马尔可夫链的随机数发生器、基于三状态马尔可夫链的随机数发生器、三相正弦波发生器及SVPWM波发生器，所述三相正弦波发生器首先产生正弦波由导线传输给所述SVPWM波发生器，所述基于三状态马尔可夫链的随机数发生器产生随机开关频率及所述基于两状态马尔可夫链的随机数发生器产生随机分配的零矢量作用时间同时由导线传输给所述SVPWM波发生器，所述SVPWM波发生器根据接收的三相正弦波、随机开关频率及零矢量作用时间，产生SVPWM波并通过导线传输给三相NPC拓扑结构的IGBT开关管。

4.根据权利要求2所述的一种基于马尔可夫链的NPC逆变器混合随机SVPWM控制方法，其特征在于，所述步骤3)基于三状态马尔可夫链的随机数发生器产生随机开关频率f的具体过程为：取随机增益B、期望开关频率f_s以及[-1,1]之间的随机数R_b，通过转移矩阵p₃将的随机数R_b分为三个区间，通过公式f＝f_s+BR_b得出开关频率f。

5.根据权利要求2所述的一种基于马尔可夫链的NPC逆变器混合随机SVPWM控制方法，其特征在于，所述步骤4)中基于两状态马尔可夫链的随机数发生器产生随机分配的零矢量作用时间T₀₁、T₀₂的具体过程为：

设零矢量的总作用时间为T₀，零矢量v₀的作用时间为T₀₀，前半周期作用时间为T₀₁，后半周期作用时间为T₀₂；零矢量v₇前半周期作用时间为T₇₁，后半周期作用时间为T₇₂，则零矢量v₇的作用时间为T₇＝T₇₁+T₇₂；

取[0,1]之间的随机数R_a，通过转移矩阵p₂产生两个随机数R₁、R₂，随机数R₁分配零矢量v₀、v₇的作用时间，然后随机数R₂分配零矢量v₀在前、后半周期的作用时间T₀₁、T₀₂。

6.根据权利要求4所述的一种基于马尔可夫链的NPC逆变器混合随机SVPWM控制方法，其特征在于，所述转移矩阵其中P₁为属于状态3的概率，P₂为属于状态2的概率。

7.根据权利要求5所述的一种基于马尔可夫链的NPC逆变器混合随机SVPWM控制方法，其特征在于，所述转移矩阵其中P为从状态1转移到状态2的概率。