CN110995042A - 飞跨电容三电平逆变器的变开关频率pwm控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于飞跨电容三电平逆变器的变开关频率PWM控制方法和系统，属于电力电子领域。该方法包括：对逆变器的每一相，根据采集得到的对应相电流和该相对应的飞跨电容值，计算该相当前周期每一个分段内的电压纹波斜率；根据逆变器三相调制电压，计算当前周期每一个分段的作用时间；根据作用时间和电压纹波斜率，得到三相在当前周期每一个分段内的电压纹波，选择其中最大的电压纹波作为当前周期三相电压纹波峰值；根据该纹波峰值，对逆变器下一个控制周期进行更新，实现下一个控制周期内的电压纹波峰值控制。本发明方法在实时调整逆变器开关频率的同时，对飞跨电容电压纹波峰值进行了控制，减小了逆变器开关损耗和电磁干扰噪声峰值。

Description

飞跨电容三电平逆变器的变开关频率PWM控制方法和系统

技术领域

本发明属于电力电子领域，更具体地，涉及一种适用于飞跨电容三电平逆变器的变开关频率PWM控制方法和系统。

背景技术

多电平逆变器适用于高压、大功率应用场合，其中，飞跨电容多电平逆变器只需要一个独立直流电源、易于扩展、控制灵活，在有源电力滤波、静止无功补偿器、中高压变频器等领域得到了广泛应用。调制技术是飞跨电容多电平逆变器的研究热点，主要分为载波脉宽调制和空间矢量脉宽调制。相比于空间矢量脉宽调制，载波脉宽调制操作简单而被广泛应用。而在载波脉宽调制中，载波移相调制由于具有电容电压平衡能力而被广泛应用。然而，当前的载波移相调制由于开关频率固定，输出电流的谐波主要集中分布在整数倍开关频率附近，引起了较高的电磁干扰峰值，为EMI滤波器设计带来了难度。

开关频率抖动的方法，可以将集中分布的开关次谐波进行扩频，降低其电磁干扰峰值。常见的开关频率抖动方法有：随机变开关频率PWM；混沌PWM；周期PWM；程控PWM。若直接将这些传统方法直接应用到飞跨电容三电平逆变器，无法兼顾对飞跨电容电压纹波峰值的控制。通常，为了输出较好的电压波形，需要将飞跨电容电压纹波峰值限定在一定范围内。也就是说，飞跨电容电压峰值直接关系到飞跨电容的设计选型。若应用传统的开关频率抖动方法，很容易恶化飞跨电容电压纹波峰值。在传统控制开关频率抖动方法下，为将飞跨电容电压纹波峰值限定在要求值以内，势必需要采用更大的飞跨电容值，这样会降低系统的功率密度。因此，有必要兼顾开关频率和电容电压纹波峰值的控制，设计新的变开关频率控制方法。

实际上，飞跨电容的电压纹波峰值可以在每个开关周期内进行准确计算，可以用时变的开关频率对三相电压纹波峰值进行控制。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于飞跨电容三电平逆变器的变开关频率PWM控制方法和系统，其目的在于实时调整逆变器开关频率，以降低电磁干扰峰值的同时，对飞跨电容电压纹波峰值进行控制。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于飞跨电容三电平逆变器的变开关频率PWM控制方法，包括：

S1：采集当前控制周期每一个分段内的逆变器三相负载电流；

S2：对逆变器的每一相，根据采集得到的对应相电流和该相对应的飞跨电容值，计算该相当前控制周期每一个分段内的电压纹波斜率，并根据对应的逆变器三相调制电压，计算当前控制周期每一个分段的作用时间；

S3：根据当前控制周期每一个分段的作用时间和对应的电压纹波斜率，得到三相在当前控制周期每一个分段内的电压纹波，并选择其中最大的电压纹波作为当前控制周期三相电压纹波峰值；

S4：根据所述三相电压纹波峰值，对逆变器下一个控制周期进行更新，实现下一个控制周期内的电压纹波峰值控制。

进一步地，步骤S2根据采集得到的对应相电流和该相对应的飞跨电容值，计算该相当前周期每一个分段内的电压纹波斜率，具体为，根据以下表达式计算该相当前周期每一个分段内的电压纹波斜率：

其中，V_r为该相对应的飞跨电容电压值；i为逆变器该相负载电流；C为逆变器该相对应的飞跨电容值。

进一步地，步骤S2根据逆变器三相调制电压，计算当前周期每一个分段的作用时间，具体为：

计算三相占空比：

其中，d_x指x相的占空比，m_x指x相调制电压，x＝a,b,c；

当d_x≥0.5时，一个开关周期内每一个分段的作用时间为：

当d_x＜0.5时，一个开关周期内每一个分段的作用时间为：

其中，T_x1,T_x2,T_x3,T_x4,T_x5,指x相一个开关周期内各个分段的作用时间，T_s为固定开关周期。

进一步地，步骤S4根据三相电压纹波峰值，对逆变器下一个控制周期进行更新，具体为，根据以下公式对逆变器下一个控制周期进行更新：

其中，T_N为逆变器下一个控制周期的更新值，R_require为工频周期内固定开关周期对应的最大电压纹波峰值，R_{peak_k}为固定开关周期下三相电压纹波计算峰值。

按照本发明的另一方面，提供了一种适用于飞跨电容三电平逆变器的变开关频率PWM控制系统，包括：

电流采集模块，用于采集当前控制周期每一个分段内的逆变器三相负载电流；

电压纹波斜率计算模块，用于对逆变器的每一相，根据采集得到的对应相电流和该相对应的飞跨电容值，计算该相当前控制周期每一个分段内的电压纹波斜率；

周期分段时间计算模块，用于根据对应额定逆变器三相调制电压，计算当前控制周期每一个分段的作用时间；

电压纹波峰值计算模块，用于根据当前控制周期每一个分段的作用时间和对应的电压纹波斜率，得到三相在当前控制周期每一个分段内的电压纹波，并选择其中最大的电压纹波作为当前控制周期三相电压纹波峰值；

控制周期更新模块，用于根据三相电压纹波峰值，对逆变器下一个控制周期进行更新，实现下一个控制周期内的电压纹波峰值控制。

进一步地，根据采集得到的对应相电流和该相对应的飞跨电容值，计算该相当前周期每一个分段内的电压纹波斜率，具体为，根据以下表达式计算该相当前周期每一个分段内的电压纹波斜率：

其中，V_r为该相对应的飞跨电容电压值；i为逆变器该相负载电流；C为逆变器该相对应的飞跨电容值。

进一步地，根据逆变器三相调制电压，计算当前周期每一个分段的作用时间，具体为；

计算三相占空比：

其中，d_x指x相的占空比，m_x指x相调制电压，x＝a,b,c；

当d_x≥0.5时，一个开关周期内每一个分段的作用时间为：

当d_x＜0.5时，一个开关周期内每一个分段的作用时间为：

其中，T_x1,T_x2,T_x3,T_x4,T_x5,指x相一个开关周期内各个分段的作用时间，T_s为固定开关周期。

进一步地，根据三相电压纹波峰值，对逆变器下一个控制周期进行更新，具体为，根据以下公式对逆变器下一个控制周期进行更新：

其中，T_N为逆变器下一个控制周期的更新值，R_require为工频周期内固定开关周期对应的最大电压纹波峰值，R_{peak_k}为固定开关周期下三相电压纹波计算峰值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明所提供的用于飞跨电容三电平的变开关频率PWM控制方法，在控制过程中，对三相飞跨电容电压纹波峰值进行实时预测，并根据所预测的结果实时调节下一个控制周期的开关周期，因此，能够在将电压纹波峰值控制在限定值以内。

(2)采用本发明方法能够使逆变器各个控制周期的开关频率实时变化，相应的电流谐波拥有更宽泛的频谱，与固定开关频率的传统PWM方法相比，平均开关频率得以降低，从而直接减小了逆变器开关损耗；同时开关频率的变化，能够有效降低电磁干扰噪声峰值，显著提高逆变器性能。

附图说明

图1为现有的飞跨电容三电平逆变器结构示意图；

图2(a)-(d)为现有的a相负载电流大于0时，不同开关组合情况下的电容充放电示意图；

图3为现有的开关周期分段示意图；

图4为传统固定开关频率PWM策略下工频周期内三相电压纹波示意图；

图5为本发明实施例提供的适用于飞跨电容三电平逆变器的电压纹波峰值变开关频率PWM控制方法流程图；

图6为本发明实施例提供的工频周期内三相电压纹波示意图；

图7为本发明实施例提供的同一工况不同控制方法下的开关频率比较示意图；

图8(a)是按照本发明提出的变开关频率PWM控制方法传导电磁干扰结果示意图；

图8(b)是按照固定开关频率PWM控制方法传导电磁干扰结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

飞跨电容三电平逆变器结构如图1所示，图2(a)-图2(d)以逆变器a相为例给出了不同开关组合下电容充放电情况，其中，i_a为a相输出电流，i_a＞0，开关管S₁和S₄互补导通，S₂和S₃互补导通。以单个开关周期为例，飞跨电容三电平逆变器采用180度载波移相调制，开关周期的分段示意图如图3所示，控制开关管S₁、S₄的占空比d_a1和控制开关管S₂、S₃的占空比d_a2相等，但脉冲180度载波移相，每个周期分段作用时间可结合占空比和固定开关周期计算得到。每个分段作用时间内，飞跨电容电压纹波斜率为dV_r/dt＝i_a/C_A,其中C_A为a相对应的飞跨电容值。结合作用时间和斜率，可将任一开关周期内的电压纹波计算获得。采用固定开关周期时，三相飞跨电容电压纹波如图4所示，根据图4所示结果可知，工频周期内，三相电压纹波峰值分布并不均匀，且在大多数开关周期内，实际电压纹波峰值低于最大纹波峰值要求。因此，可通过开关频率对每个开关周期内的电压纹波峰值进行控制，实现对纹波峰值要求的充分利用。

如图5所示，本发明实施例提供了一种适用于飞跨电容三电平逆变器的变开关频率PWM控制方法，包括：

S1：采集当前控制周期每一个分段内的逆变器三相负载电流；

具体地，当前控制周期和初始设定的固定开关周期相同，当控制器发出单个完整载波时，对逆变器三相负载电流进行采样。

S2：对逆变器的每一相，根据采集得到的对应相电流和该相对应的飞跨电容值，计算该相当前周期每一个分段内的电压纹波斜率；

具体地，根据以下表达式计算该相当前周期每一个分段内的电压纹波斜率：

其中，V_r为该相对应的飞跨电容电压值；i为逆变器该相负载电流；C为逆变器该相对应的飞跨电容值。

S3：根据逆变器三相调制电压，计算当前周期每一个分段的作用时间；

具体地，计算每一个分段的作用时间方法如下：先计算三相占空比：

其中，d_x指x相的占空比，m_x指x相调制电压，x＝a,b,c。本发明实施例中d_x＝d_a1＝d_a2；

当d_x≥0.5时，一个开关周期内每一个分段的作用时间为：

当d_x＜0.5时，一个开关周期内每一个分段的作用时间为：

其中，T_x1,T_x2,T_x3,T_x4,T_x5,指x相(x＝a,b,c)一个开关周期内各个分段的作用时间，T_s为固定开关周期。

S4：根据当前周期每一个分段的作用时间和对应的电压纹波斜率，得到三相在当前周期每一个分段内的电压纹波，并选择其中最大的电压纹波作为当前周期三相电压纹波峰值；

S5：根据三相电压纹波峰值，对逆变器下一个控制周期进行更新，实现下一个控制周期内的电压纹波峰值控制。

具体地，根据以下公式对逆变器下一个控制周期进行更新：

其中，T_N为逆变器下一个控制周期的更新值，R_require为工频周期内固定开关周期对应的最大电压纹波峰值，R_{peak_k}为固定开关周期下三相电压纹波计算峰值。

基于以上控制方法，即可实时的对三相飞跨电容电压纹波峰值进行有效控制并更新下一个开关周期。图6是采用提出的变开关频率PWM控制方法控制三相电压纹波结果，相比于传统的固定开关频率PWM控制方法，本发明方法控制下，任一开关周期内，三相电压纹波峰值等于限定值5.4V。

图7是按照本发明提出的变开关频率PWM控制方法与固定开关频率PWM控制方法得到的开关频率对比图，从图7可以看出，采用本发明提出的变开关频率PWM控制方法开关频率在8kHz和10kHz之间变化，相比传统固定开关频率的PWM控制方法，平均开关频率降低11％，从而直接降低了逆变器开关损耗。

图8(a)是按照本发明提出的变开关频率PWM控制方法传导电磁干扰结果示意图，图8(b)是按照固定开关频率PWM控制方法传导电磁干扰结果示意图，可以看出本发明方法能有效地削低EMI(Electromagnetic Interference，电磁干扰)噪声峰值。

本发明实施例另一方面，提供了一种适用于飞跨电容三电平逆变器的变开关频率PWM控制系统，包括：电流采集模块，用于采集当前控制周期每一个分段内的逆变器三相负载电流；电压纹波斜率计算模块，用于对逆变器的每一相，根据采集得到的对应相电流和该相对应的飞跨电容值，计算该相当前周期每一个分段内的电压纹波斜率；周期分段时间计算模块，用于根据逆变器三相调制电压，计算当前周期每一个分段的作用时间；电压纹波峰值计算模块，用于根据当前周期每一个分段的作用时间和对应的电压纹波斜率，得到三相在当前周期每一个分段内的电压纹波，并选择其中最大的电压纹波作为当前周期三相电压纹波峰值；控制周期更新模块，用于根据三相电压纹波峰值，对逆变器下一个控制周期进行更新，实现下一个控制周期内的电压纹波峰值控制。系统中每个模块的实施方式与方法对应相同，本发明再次不再赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于飞跨电容三电平逆变器的变开关频率PWM控制方法，其特征在于，包括：

S1：采集当前控制周期每一个分段内的逆变器三相负载电流；

S2：对逆变器的每一相，根据采集得到的对应相电流和该相对应的飞跨电容值，计算该相当前控制周期每一个分段内的电压纹波斜率，并根据对应的逆变器三相调制电压，计算当前控制周期每一个分段的作用时间；

S3：根据当前控制周期每一个分段的作用时间和对应的电压纹波斜率，得到三相在当前控制周期每一个分段内的电压纹波，并选择其中最大的电压纹波作为当前控制周期三相电压纹波峰值；

S4：根据所述三相电压纹波峰值，对逆变器下一个控制周期进行更新，实现下一个控制周期内的电压纹波峰值控制。

2.根据权利要求1所述的一种适用于飞跨电容三电平逆变器的变开关频率PWM控制方法，其特征在于，步骤S2所述根据采集得到的对应相电流和该相对应的飞跨电容值，计算该相当前周期每一个分段内的电压纹波斜率，具体为，根据以下表达式计算该相当前周期每一个分段内的电压纹波斜率：

其中，V_r为该相对应的飞跨电容电压值；i为逆变器该相负载电流；C为逆变器该相对应的飞跨电容值。

3.根据权利要求1或2所述的一种适用于飞跨电容三电平逆变器的变开关频率PWM控制方法，其特征在于，步骤S2所述根据逆变器三相调制电压，计算当前周期每一个分段的作用时间，具体为：

计算三相占空比：

其中，d_x指x相的占空比，m_x指x相调制电压，x＝a,b,c；

当d_x≥0.5时，一个开关周期内每一个分段的作用时间为：

当d_x＜0.5时，一个开关周期内每一个分段的作用时间为：

其中，T_x1,T_x2,T_x3,T_x4,T_x5,指x相一个开关周期内各个分段的作用时间，T_s为固定开关周期。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种适用于飞跨电容三电平逆变器的变开关频率PWM控制方法，其特征在于，步骤S4所述根据所述三相电压纹波峰值，对逆变器下一个控制周期进行更新，具体为，根据以下公式对逆变器下一个控制周期进行更新：

其中，T_N为逆变器下一个控制周期的更新值，R_require为工频周期内固定开关周期对应的最大电压纹波峰值，R_{peak_k}为固定开关周期下三相电压纹波计算峰值。

5.一种适用于飞跨电容三电平逆变器的变开关频率PWM控制系统，其特征在于，包括：

电流采集模块，用于采集当前控制周期每一个分段内的逆变器三相负载电流；

电压纹波斜率计算模块，用于对逆变器的每一相，根据采集得到的对应相电流和该相对应的飞跨电容值，计算该相当前周期每一个分段内的电压纹波斜率；

周期分段时间计算模块，用于根据逆变器三相调制电压，计算当前周期每一个分段的作用时间；

电压纹波峰值计算模块，用于根据当前周期每一个分段的作用时间和对应的电压纹波斜率，得到三相在当前周期每一个分段内的电压纹波，并选择其中最大的电压纹波作为当前周期三相电压纹波峰值；

控制周期更新模块，用于根据所述三相电压纹波峰值，对逆变器下一个控制周期进行更新，实现下一个控制周期内的电压纹波峰值控制。

6.根据权利要求5所述的一种适用于飞跨电容三电平逆变器的变开关频率PWM控制系统，其特征在于，所述根据采集得到的对应相电流和该相对应的飞跨电容值，计算该相当前周期每一个分段内的电压纹波斜率，具体为，根据以下表达式计算该相当前周期每一个分段内的电压纹波斜率：

其中，V_r为该相对应的飞跨电容电压值；i为逆变器该相负载电流；C为逆变器该相对应的飞跨电容值。

7.根据权利要求5或6所述的一种适用于飞跨电容三电平逆变器的变开关频率PWM控制系统，其特征在于，所述根据逆变器三相调制电压，计算当前周期每一个分段的作用时间，具体为；

计算三相占空比：

其中，d_x指x相的占空比，m_x指x相调制电压，x＝a,b,c；

当d_x≥0.5时，一个开关周期内每一个分段的作用时间为：

当d_x＜0.5时，一个开关周期内每一个分段的作用时间为：

其中，T_x1,T_x2,T_x3,T_x4,T_x5,指x相一个开关周期内各个分段的作用时间，T_s为固定开关周期。

8.根据权利要求5-7任一项所述的一种适用于飞跨电容三电平逆变器的变开关频率PWM控制系统，其特征在于，所述根据所述三相电压纹波峰值，对逆变器下一个控制周期进行更新，具体为，根据以下公式对逆变器下一个控制周期进行更新：

其中，T_N为逆变器下一个控制周期的更新值，R_require为工频周期内固定开关周期对应的最大电压纹波峰值，R_{peak_k}为固定开关周期下三相电压纹波计算峰值。

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