CN112271944A - 一种npc两电平逆变器随机azspwm1方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种NPC两电平逆变器随机AZSPWM1方法，属电力电子与电力传动领域。该方法首先利用传统的AZSPWM1方法得出参考矢量所处扇区、合成参考矢量所用的有源矢量及其对应时间T0、T1和T2，以及7段式开关序列；然后确定7段式开关序列中每一段持续时间为T0/4、T1/2、T2/2、T0/2、T2/2、T1/2、T0/4；接着利用在0‑1内随机变化的三个不同参数P0、P1和P2，及其变形(1‑P0)、(1‑P1)和(1‑P2)乘以原7段式开关序列中按中心对称的6段持续时间；最后得到新的7段式开关时间为T0P0/2、T1P1、T2P2、T0/2、T2(1‑P2)、T1(1‑P1)、T0(1‑P0)/2，从而实现逆变器开关脉冲位置的随机化，实现随机AZSPWM1。本发明在不增加硬件成本和不降低AZSPWM1调制性能的情况下实现谐波电压频谱扩散、降低输出电压谐波的幅度从而降低谐波产生的电磁干扰。

Description

一种NPC两电平逆变器随机AZSPWM1方法
技术领域
本发明是涉及一种逆变器随机PWM调制方法，尤其涉及一种基于NPC两电平逆变器随机AZSPWM1方法，属于电力电子与电力传动领域。
背景技术
传统的三相两电平AZSPWM1法不仅实现了对基波电压幅值、频率的控制而且实现了降低共模电压。但是利用FFT分析其线电压的波形可知，波形中含有丰富的高次谐波，这些谐波主要集中在开关频率及其倍频处。这些幅值很高的谐波不仅会导致电机电磁振动、激发恼人的噪音，增加电机损耗而且导致严重的电磁干扰，影响逆变器系统中其他电子设备的安全运行。因此，有必要对逆变器输出的线电压波形中的谐波降低幅值和谐波抑制。
对于逆变器降低输出电压谐波的幅度，现行的方法主要有两种：一是硬件抑制，通过改变逆变器拓扑结构，增加逆变器输出电平数使得谐波随着电平数目增加而减少，亦或使用滤波器滤除部分高频谐波。但该方法不仅增加了成本，也使得逆变器调制方法变得更加复杂。二是软件抑制，通过专门的谐波抑制PWM调制方法抑制谐波，但这又无法实现原有AZSPWM1调制方法降低共模电压的调制性能，亦或增加逆变器开关频率以减少谐波，降低谐波幅值，但这明显增加了逆变器开关损耗。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种NPC两电平逆变器随机 AZSPWM1方法，本方法在不增加硬件成本和不降低AZSPWM1调制性能的情况下实现谐波电压频谱扩散、降低输出电压谐波的幅度。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种NPC两电平逆变器随机AZSPWM1方法，其步骤为：
(1)利用传统AZSPWM1方法得出参考矢量所处扇区、合成参考矢量所用有源矢量及其对应时间T0、T1、T2和7段式开关序列；
(2)确定7段式开关序列中每一段持续时间分别为T0/4、T1/2、T2/2、T0/2、 T2/2、T1/2、T0/4；
(3)产生在0-1内随机变化的三个不同参数P0、P1和P2，以及其变形参数 (1-P0)、(1-P1)、(1-P2)；
Figure BDA0002741627740000021
式中，rand()函数是产生随机数的一个随机函数，rand(1)表示产生在0-1范围内一个随机任意实数。这样，在两电平逆变器的每一个开关周期内，就会产生在 0-1内随机的P0、P1和P2值。
(4)利用步骤(3)中0-1内随机变化的参数及其变形乘以步骤(2)中原7 段式开关序列中按中心对称的6段持续时间得到新的7段式开关时间为 T0P0/2、T1P1、T2P2、T0/2、T2(1-P2)、T1(1-P1)、T0(1-P0)/2从而实现逆变器开关脉冲位置随机化，实现随AZSPWM1；
上述步骤(1)中所述参考矢量
Figure BDA0002741627740000022
所处扇区数N的得出是：首先，将平面分成六个扇区，每个扇区角度为π/3；接着利用clack变换，即将三相电压Ua、 Ub和Uc变换成Uα、Uβ，再利用空间矢量定义式
Figure BDA0002741627740000023
可以得出参考矢量
Figure BDA0002741627740000024
的幅角θ(θ为参考矢量
Figure BDA0002741627740000025
与α轴的夹角)的大小为
Figure BDA0002741627740000026
最后由θ的大小可知参考矢量
Figure BDA0002741627740000027
所处扇区数N
Figure BDA0002741627740000028
Figure BDA0002741627740000031
上述步骤(1)利用传统的AZSPWM1的有源矢量选择方法和开关序列来选择随机AZSPWM1所用有源矢量和开关序列如下：
扇区数 所用有源矢量及其开关序列
1 OPO-PPO-POO-POP-POO-PPO-OPO
2 OPP-OPO-PPO-POO-PPO-OPO-OPP
3 OOP-OPP-OPO-PPO-OPO-OPP-OOP
4 POP-OOP-OPP-OPO-OPP-OOP-POP
5 POO-POP-OOP-OPP-OOP-POP-POO
6 PPO-POO-POP-OOP-POP-POO-PPO
其中开关状态P指的是两电平逆变器中一个桥臂上管导通，从而逆变器输出电压为+Udc/2,开关状态O指的是两电平逆变器中一个桥臂下管导通，从而逆变器输出电压为0。
上述步骤(1)利用“伏秒平衡”原理和传统AZSPWM1有源电压矢量选择原则求出合成参考矢量
Figure BDA0002741627740000032
所用有源矢量
Figure BDA0002741627740000033
的时间T0、T1和T2的表达式为
Figure BDA0002741627740000034
其中，Ts为一个采样周期，T1、T2和T0分别为矢量
Figure BDA0002741627740000035
的作用时间，θ＝θ'-(N-1)π/3，θ'为参考矢量
Figure BDA0002741627740000041
与α轴夹角，N为参考矢量
Figure BDA0002741627740000042
所处扇区数
上述步骤(4)利用步骤(3)中0-1内随机变化的参数及其变形乘以步骤(2) 中原7段式开关序列中按中心对称的6段持续时间,最后得到新的7段式开关时间为T0P0/2、T1P1、T2P2、T0/2、T2(1-P2)、T1(1-P1)、T0(1-P0)/2，从而实现逆变器开关脉冲位置随机化，实现随机AZSPWM1。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、在传统的AZSPWM1调制方法基础上进行改变，不需要增加硬件，运行成本低，灵活性强；
2、只是将传统的AZSPWM1调制方法中7段式开关序列中关于中心对称的6 段持续时间进行了随机化，并未增加开关损耗，在不降低AZSPWM1降低共模电压的性能同时，明显的实现谐波电压频谱扩散、降低输出电压谐波的幅度和谐波抑制。
附图说明
图1是本发明一种NPC两电平逆变器随机AZSPWM1方法的流程图；
图2是本发明一种NPC两电平逆变器随机AZSPWM1方法的主电路拓扑；
图3是本发明一种NPC两电平逆变器随机AZSPWM1方法的扇区划分及空间矢量图；
图4是本发明一种NPC两电平逆变器随机AZSPWM1方法参考矢量
Figure BDA0002741627740000043
位于第二扇区开关脉冲示意图；
图5A是传统AZSPWM1法输出线电压Uab的FFT分析图；
图5B是随机AZSPWM1法输出线电压Uab的FFT分析图。
图6是传统AZSPWM1法的共模电压图；
图7是随机AZSPWM1法的共模电压图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种NPC两电平逆变器随机 AZSPWM1方法作进一步详细说明。需说明的是，附图采用非精准的比例，仅用以方便、清楚地辅助说明本发明实施例的技术方案。
如图1本方法的流程图所示，一种NPC两电平逆变器随机AZSPWM1方法步骤为：
(1)利用传统AZSPWM1方法得出参考矢量所处扇区、合成参考矢量所用有源矢量及其对应时间T0、T1、T2和7段式开关序列；
(2)确定7段式开关序列中每一段持续时间分别为T0/4、T1/2、T2/2、T0/2、 T2/2、T1/2、T0/4；
(3)产生在0-1内随机变化的三个不同参数P0、P1和P2，以及其变形参数 (1-P0)、(1-P1)、(1-P2)；
(4)利用步骤(3)中0-1内随机变化的参数及其变形乘以步骤(2)中原7 段式开关序列中按中心对称的6段持续时间得到新的7段式开关时间为T0P0/2、 T1P1、T2P2、T0/2、T2(1-P2)、T1(1-P1)、T0(1-P0)/2从而实现逆变器开关脉冲位置随机化，实现随AZSPWM1；
本实施例NPC两电平AZSPWM1逆变器的主电路拓扑结构如图2所示，中点箝位型三相两电平逆变器包括A、B、C三相桥臂，每相桥臂由2个IGBT开关管、2 个续流二极管组成，图中O点表示直流母线中点，n点表示星型连接的阻感负载的中点，n点与O点之间电压差叫做共模电压Uno，S1、S4表示A相的2个开关管。是常见的三相两电平NPC电路。
首先，两电平逆变器有8种可能的开关状态组合，如下面的表1所示。再利用clack变换和空间矢量的定义，由此可以得到如图3所示的两电平逆变器的空间矢量图。
表1两电平逆变器开关状态的定义
Figure BDA0002741627740000051
Figure BDA0002741627740000061
空间矢量通常是依据α-β坐标系中两相电压来定义的
Figure BDA0002741627740000062
因此利用clack变换，即三相电压Ua、Ub和Uc变换成Uα、Uβ，再利用空间矢量定义式
Figure BDA0002741627740000063
可以得出参考矢量
Figure BDA0002741627740000064
的幅角θ(θ为参考矢量
Figure BDA0002741627740000065
与α轴的夹角)的大小为
Figure BDA0002741627740000066
最后由θ的大小可知参考矢量
Figure BDA0002741627740000067
所处扇区数N
Figure BDA0002741627740000068
其次，利用“伏秒平衡”原理和传统AZSPWM1有源电压矢量选择原则求出合成参考矢量
Figure BDA0002741627740000069
所用有源矢量
Figure BDA00027416277400000610
的时间T0、T1和T2的表达式为
Figure BDA00027416277400000611
其中，Ts为一个采样周期，T1、T2和T0分别为矢量
Figure BDA00027416277400000612
的作用时间，θ＝θ'-(N-1)π/3，θ'为参考矢量
Figure BDA0002741627740000071
与α轴夹角，N为参考矢量
Figure BDA0002741627740000072
所处扇区数
接着，确定7段式开关序列中每一段持续时间为T0/4、T1/2、T2/2、T0/2、 T2/2、T1/2、T0/4。
然后，产生在0-1内随机变化的三个不同参数P0、P1和P2，如下式所示，及其变形(1-P0)、(1-P1)、(1-P2)
Figure BDA0002741627740000073
式中，rand(1)函数是产生随机数的一个随机函数，rand(1)表示产生在0-1范围内一个随机任意实数。这样，在两电平逆变器的每一个开关周期内，就会产生在 0-1内随机的P0、P1和P2值。
最后，利用0-1内随机变化的参数及其变形乘以原7段式开关序列中按中心对称的6段持续时间,最后得到新的7段式开关时间为T0P0/2、T1P1、T2P2、T0/2、 T2(1-P2)、T1(1-P1)、T0(1-P0)/2，从而与周期变化的三角载波比较得到逆变器开关时刻，实现逆变器开关脉冲位置随机化，实现随机AZSPWM1，以参考矢量
Figure BDA0002741627740000074
位于第二扇区举例，如图4所示。
仿真参数：直流侧电压Udc＝250V,开关频率10khz,调制指数0.69，星型连接的电阻电感负载参数电阻8Ω、电感23mh。
图5A和图5B分别是传统AZSPWM1法与随机AZSPWM1法输出线电压Uab谐波 FFT分析图的对比图；其中图5A是传统AZSPWM1法输出线电压Uab的FFT分析图，图5B是随机AZSPWM1法输出线电压Uab的FFT分析图。两图对比，结果显而易见。谐波最高幅值从70降到45，此外，图5B中明显显示将高幅值谐波扩散到其他低幅值谐波中。结合图6与图7所示，传统AZSPWM1法和随机AZSPWM1 法都将共模电压限制在±Udc/6内，结合上述内容可知本发明调制性能几乎未降低。由此可见，本发明随机AZSPWM1法在不增加硬件成本和不降低AZSPWM1调制性能的情况下实现了谐波电压频谱扩散、降低抑制输出电压谐波的幅度，证明本方法的正确性和有效性。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本专业技术人员清楚了解本发明内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种NPC两电平逆变器随机AZSPWM1方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)利用传统AZSPWM1方法得出参考矢量
Figure FDA0002741627730000011
所处扇区、合成参考矢量
Figure FDA0002741627730000012
所用有源矢量及其对应时间T0、T1、T2和7段式开关序列；
(2)确定步骤1中所述7段式开关序列中每一段持续时间为T0/4、T1/2、T2/2、T0/2、T2/2、T1/2、T0/4；
(3)产生在0-1内随机变化的三个不同参数P0、P1和P2，以及其变形参数(1-P0)、(1-P1)、(1-P2)；
Figure FDA0002741627730000013
式中，rand(1)函数是产生随机数的一个随机函数，rand(1)表示产生在0-1范围内一个随机任意实数；这样，在两电平逆变器的每一个开关周期内，就会产生在0-1内随机的P0、P1和P2值；
(4)利用上述0-1内随机变化的参数及其变形乘以原7段式开关序列中按中心对称的6段持续时间得到新的7段式开关时间为T0P0/2、T1P1、T2P2、T0/2、T2(1-P2)、T1(1-P1)、T0(1-P0)/2从而实现逆变器开关脉冲位置随机化，实现随机AZSPWM1。
2.根据权利要求1所述NPC两电平逆变器随机AZSPWM1方法，其特征在于：步骤(1)中所述参考矢量
Figure FDA0002741627730000014
所处扇区数N的得出是：首先，将平面分成六个扇区，每个扇区角度为π/3；接着利用clack变换，即将三相电压Ua、Ub和Uc变换成Uα、Uβ，再利用空间矢量定义式
Figure FDA0002741627730000015
得出参考矢量
Figure FDA0002741627730000016
的幅角θ，θ为参考矢量
Figure FDA0002741627730000017
与α轴的夹角，θ的大小为
Figure FDA0002741627730000018
最后由θ的大小可知参考矢量
Figure FDA0002741627730000019
所处扇区数N：
0＜θ≤π/3 参考矢量
Figure FDA0002741627730000021
所处扇区一
π/3＜θ≤2π/3 参考矢量
Figure FDA0002741627730000022
所处扇区二
2π/3＜θ≤π 参考矢量
Figure FDA0002741627730000023
所处扇区三
π＜θ≤4π/3 参考矢量
Figure FDA0002741627730000024
所处扇区四
4π/3＜θ≤5π/3 参考矢量
Figure FDA0002741627730000025
所处扇区五
5π/3＜θ≤2π 参考矢量
Figure FDA0002741627730000026
所处扇区六。
3.根据权利要求1所述的NPC两电平逆变器随机AZSPWM1方法，其特征在于：所述步骤(1)利用传统的AZSPWM1的有源矢量选择方法和开关序列来选择随机AZSPWM1法合成参考矢量所用有源矢量和开关序列，如下：
Figure FDA0002741627730000027
其中开关状态P指的是两电平逆变器中某一个桥臂上管导通，从而逆变器输出电压为+Udc/2,开关状态O指的是两电平逆变器中某一个桥臂下管导通，从而逆变器输出电压为0。
4.根据权利要求1所述的NPC两电平逆变器随机AZSPWM1方法，其特征在于：所述步骤(1)利用“伏秒平衡”和传统AZSPWM1有源电压矢量选择原则求出合成参考矢量
Figure FDA0002741627730000028
所用有源矢量
Figure FDA0002741627730000029
的时间T0、T1和T2的表达式为
Figure FDA0002741627730000031
其中，Ts为一个采样周期，T1、T2和T0分别为矢量
Figure FDA0002741627730000032
的作用时间，θ＝θ'-(N-1)π/3，θ'为参考矢量
Figure FDA0002741627730000033
与α轴夹角，N为参考矢量
Figure FDA0002741627730000034
所处扇区数。
5.根据权利要求1所述的NPC两电平逆变器随机AZSPWM1方法，其特征在于：所述步骤(4)是利用步骤(3)中0-1内随机变化的参数及其变形乘以步骤(2)中原7段式开关序列中按中心对称的6段持续时间得到新的7段式开关时间分别为T0P0/2、T1P1、T2P2、T0/2、T2(1-P2)、T1(1-P1)、T0(1-P0)/2，从而实现逆变器开关脉冲位置随机化，实现随机AZSPWM1。
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