CN112737309B - 一种两电平h桥变流器的开关频率调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两电平H桥变流器的开关频率调制方法，根据变流器输出基波范围、基波调制控制精度、系统效率和功率器件损耗等因素确定开关频率总阈值区间[f_min，f_max]；综合相电流纹波电流有效值限制、峰值限制和加权因子确定所需开关频率的最小值f_N3；根据开关频率最小值f_N3和总阈值区间[f_min，f_max]确定满足要求的开关频率实时限制范围[f_min‑N，f_max‑N]；在开关频率实时限制范围[f_min‑N，f_max‑N]内，利用随机因子δ_random进行开关频率的随机化选择，最后将更新后的开关频率作用到两电平H桥变流器的脉冲宽度调制中。采用该开关频率调制方法能提高变流器的电磁兼容和振动噪声性能。

Description

一种两电平H桥变流器的开关频率调制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种两电平H桥变流器的开关频率调制方法。

背景技术

相比两电平三相全桥主回路结构，两电平H桥变流器拓扑可以提高电源电压利用率，有助于实现电力推进在船舶、轨道交通等大功率领域的应用。长期以来，在进行两电平H桥变流器的脉冲宽度调制时，开关频率通常被设置为某一固定值。固定开关频率虽然会简化变流器输出滤波器的设计，但会导致变流器输出开关频次谐波能量的集中，增大高频电磁干扰的噪声，引起高频振动噪声。

在不影响电能质量的前提下，为解决传统变流器固定开关频率造成的高频振动噪声和电磁兼容问题，众多学者通过利用开关频率这一重要自由度，提出了一系列的PWM调制方法。

2013年IEEE文献“Variable Switching Frequency PWM for Three-phaseConverters Based on Current Ripple Prediction”(“基于电流纹波预测的变开关频率三相变流器PWM研究”，2013年IEEE电力电子学报)针对三相全桥两电平变流器拓扑，根据开关频次电流纹波的解析表达式，通过限制电流纹波峰峰值和均方根值，提出了满足不同纹波要求的开关频率自适应调制方法。

中国发明专利“基于纹波电流峰峰值的NPC变流器随机开关频率调制方法”(CN108054948 B)和“一种三电平NPC变流器的随机开关频率调制方法”(CN108092541B)针对二极管嵌位型三电平变流器拓扑，根据多载波脉冲宽度调制方法，通过计算分析27个电压矢量的作用时间和序列，将满足电流纹波要求的开关频率控制方法拓展应用到高压大功率领域。

然而，现有的开关频率调制方法有以下缺点：

1，受调制控制精度、系统效率和功率器件温升等因素的限制，开关频率不能无限制的自适应调制，需要限制在一定的阈值范围内。

2，纹波电流的峰峰值和有效值分别对应变流器的电磁兼容和振动噪声特性，现有调制方法根据单一指标确定开关频率，没有实现开关频率的多目标优化控制。

3，现有调制方法实质依据电压给定，通过计算脉冲矢量和作用时间，进而针对纹波电流峰峰值或有效值进行的预测控制；从变流器输出基波频率维度观察，间隔基波周期的电压给定是相同的，这意味着通过现有调制方法计算的开关频率会以基波特征频率重复出现，并没有实现开关频率的随机化；开关频率有规律的变化会导致变流器产生新的振动噪声和电磁兼容问题，这违背了开关频率调制方法的初衷。

发明内容

发明目的是针对以上问题，提出一种简单可靠、适于工程应用的两电平H桥变流器的开关频率调制方法，适用于高性能、高功效电能质量变换场所，特别适于船舶电力推进、铁路轨道交通等低压大功率电能变换领域。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种两电平H桥变流器的开关频率调制方法，用于两电平H桥拓扑结构的整流器或逆变器，基于开关频率阈值确认环节、开关频率实时限制范围计算环节、基于随机算法的开关频率调制环节、两电平H桥变流器和基于纹波电流的开关频率预测调制环节依次连接构成的控制系统；步骤为

步骤1，根据变流器输出基波范围、基波调制控制精度、系统效率和功率器件损耗等因素确定开关频率总阈值区间[f_min，f_max]；

步骤2，计算相电流纹波电流有效值和峰峰值，确定纹波电流指标限制的开关频率最小值f_N3；

步骤3，根据开关频率最小值f_N3和总阈值区间[f_min，f_max]确定满足要求的开关频率实时限制范围[f_min-N，f_max-N]；

步骤4，在开关频率实时限制范围[f_min-N，f_max-N]内，利用随机因子δ_random进行开关频率的随机化。

所述的一种两电平H桥变流器的开关频率调制方法，步骤1中根据开关频率与输出基波的载波比计算得到开关频率总阈值的下限f_min，根据变流器系统效率、功率器件损耗、冷却系统计算开关频率总阈值的上限f_max。

所述的一种两电平H桥变流器的开关频率调制方法，步骤2具体包括：

步骤2.1，在两电平H桥拓扑结构下，分别计算三相电流纹波电流的有效值i_{a(ripple-rms)}、i_{b(ripple-rms)}和i_{c(ripple-rms)}，进而得到基于三相电流纹波电流有效值的待更新开关频率最小值f_N1；

步骤2.2，在两电平H桥拓扑结构下，分别计算三相电流纹波电流的峰峰值i_{a(ripple-max)}、i_{b(ripple-max)}和i_{c(ripple-max)}，进而得到基于三相电流纹波电流峰峰值的待更新开关频率最小值f_N2；

步骤2.3，确定纹波电流指标限制的开关频率最小值，分两种情况：单一指标限制时开关频率最小值f_N3＝αf_N1+(1-α)f_N2，其中α为指标分配因子，若仅考虑纹波电流的有效值要求则设置α＝1，若仅考虑纹波电流的峰峰值要求则设置α＝0；有效值和峰峰值双指标限制时开关频率最小值f_N3＝max(f_N1,f_N2)。

其中，所述的步骤2.1具体包括：

根据公式d(t)＝mcos(ωt)计算占空比，其中m和ω分别为调制比和基波频率，母线电压为V_dc，开关周期为T_s，回路等效电感为L，根据以下公式计算三相每个开关周期的电流纹波有效值：

进而计算三相电流纹波电流的平均有效值：

设纹波电流有效值限制最大为i_{ripple-rms-require}，根据i_ripple-rms＜i_{ripple-rms-require}可计算得到基于三相电流纹波电流有效值的待更新开关频率最小值f_N1。

其中，所述的步骤2.2中根据以下公式计算三相每个开关周期的电流纹波峰峰值：

进而计算三相电流纹波电流的最大峰峰值：

i_ripple-max＝max{i_{a(ripple-max)},i_{b(ripple-max)},i_{c(ripple-max)}}，

设纹波电流峰峰值限制最大为i_{ripple-max-require}，根据i_ripple-max＜i_{ripple-max-require}可计算得到基于三相电流纹波电流峰峰值的待更新开关频率最小值f_N2。

其中，所述的步骤2.3具体包括：

1)，单一指标限制时开关频率最小值f_N3＝αf_N1+(1-α)f_N2，若仅考虑纹波电流的有效值要求则设置α＝1，若仅考虑纹波电流的峰峰值要求则设置α＝0；

2)，有效值和峰峰值双指标限制时开关频率最小值f_N3＝max(f_N1,f_N2)。

所述的一种两电平H桥变流器的开关频率调制方法，其步骤3中根据开关频率最小值f_N3与开关频率的开关频率总阈值的下限f_min和开关频率总阈值的下限f_max之间的关系，开关频率实时限制范围计算包括以下三种情况：

1)，若步骤2确定的开关频率的最小值满足关系式f_N3≤f_min，此时开关频率实时限制范围参数f_min-N＝f_min，f_max-N＝f_max；

2)，若步骤2确定的开关频率的最小值满足关系式f_N3≥f_max，此时开关频率实时限制范围参数f_min-N＝f_max，f_max-N＝f_max；

3)，若步骤2确定的开关频率的最小值满足关系式f_min＜f_N3＜f_max，此时开关频率实时限制范围参数f_min-N＝f_N3，f_max-N＝f_max。

所述的一种两电平H桥变流器的开关频率调制方法，其步骤4具体包括：

步骤4.1，查询第N-1次的随机数R_N-1，N为大于0的自然数；

步骤4.2，运用随机算法迭代计算第N次的随机数R_N；

步骤4.3，根据随机数的最大值R_max和最小值R_min，将随机数R_N进行归一标幺化处理，利用下式计算随机因子δ_random：

步骤4.4，根据随机因子δ_random，按照下式更新第N次调制需要的开关频率f_N：

f_N＝f_min-N+δ_random(f_max-N-f_min-N)。

其中，所述的步骤4.2中采用线形同余迭代计算随机数如下：

R_N＝mod2^Ns(R_N-1×P₁+P₂)，

式中R_N、R_N-1分别为第N次、N-1次产生的随机数，N_s表示随机数位数，P₁、P₂是两个质数；

取P₁＝29、P₂＝37，随机数计算公式为：R_N＝mod2¹⁶(R_N-1×29+37)。

所述的一种两电平H桥变流器的开关频率调制方法，其步骤4具体包括：

步骤4.1，查询第N-1次的随机数R_N-1；

步骤4.2，运用随机算法迭代计算第N次的随机数R_N；

步骤4.3，设随机数最大值和最小值分别为R_andom-max和R_andom-min，将随机数R_N进行归一化标幺处理，则可利用下式计算随机因子δ_random：

对于步骤4.2中的线形同余随机数计算，R_{andom_max}＝65535,R_{andom_min}＝0，则有：

δ_random＝[mod2¹⁶(R_N×29+37)]/65535；

步骤4.4，根据随机因子δ_random，按照下式更新第N次调制需要的开关频率f_N：

f_N＝f_min-N+δ_random(f_max-N-f_min-N)。

本发明的有益效果是：本发明同时将纹波电流有效值和峰峰值目标优化引入到变流器的开关频率调制方法中，可根据系统电磁兼容和振动噪声考核要求，通过加权因子综合考虑开关频率该自由度的选择；在确定开关频率调制范围后，通过引入随机算法，避免了调制的开关频率以基波特征频率重复出现，最大程度地实现开关频率的随机化，防止开关频率规律性变化引入新的振动噪声和电磁兼容问题；该方法综合考虑系统效率、损耗等各影响因素，原理清晰，实用性强，易于工程实现。

附图说明

图1为本发明调制方法示意图。

各附图标记为：1—开关频率阈值确认环节，2—基于纹波电流的开关频率预测调制环节，3—开关频率实时限制范围计算环节，4—基于随机算法的开关频率调制环节。

具体实施方式

结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明如下。

如图1所示，本发明公开的一种两电平H桥变流器的开关频率调制方法，用于两电平H桥拓扑结构的整流器或逆变器，基于开关频率阈值确认环节1、开关频率实时限制范围计算环节3、基于随机算法的开关频率调制环节4、两电平H桥变流器和基于纹波电流的开关频率预测调制环节2依次连接构成的控制系统；步骤如下。

步骤1，根据变流器输出基波范围、基波调制控制精度、系统效率和功率器件损耗等因素确定开关频率总阈值区间[f_min，f_max]，其中变流器输出基波范围、基波调制控制精度受载波比的影响，这决定了开关频率的最低阈值f_min；变流器系统效率、功率器件损耗、冷却系统等因素限制了开关频率的最高阈值f_max。

其中，所述的步骤1具体包括：

步骤1.1，变流器输出基波范围和基波调制控制精度决定于开关频率与输出基波的载波比，需要根据载波比计算得到开关频率总阈值的下限f_min；

步骤1.2，由于功率器件开关损耗直接由开关频率决定，需要根据变流器系统效率、功率器件损耗、冷却系统等因素考虑计算开关频率总阈值的上限f_max。

步骤2，基于相电流纹波电流有效值和峰峰值要求确定开关频率的最小值f_N3。

其中，所述的步骤2具体包括：

步骤2.1，在两电平H桥拓扑结构下，分别计算三相电流纹波电流的有效值i_{a(ripple-rms)}、i_{b(ripple-rms)}和i_{c(ripple-rms)}，进而得到基于相电流纹波电流有效值的待更新开关频率最小值f_N1。

进一步，设占空比d(t)＝mcos(ωt)，其中m和ω分别为调制比和基波频率；母线电压为V_dc，开关周期为T_s，回路等效电感为L，分析可得三相每个开关周期的电流纹波有效值的统一表达式：

进而计算三相电流纹波电流平均有效值：

设纹波电流有效值限制最大为i_{ripple-rms-require}，根据i_ripple-rms＜i_{ripple-rms-require}可计算得到基于相电流纹波电流有效值的待更新开关频率最小值f_N1。

步骤2.2，在两电平H桥拓扑结构下，分别计算三相电流纹波电流的峰峰值i_{a(ripple-max)}、i_{b(ripple-max)}和i_{c(ripple-max)}，进而得到基于相电流纹波电流峰峰值的待更新开关频率最小值f_N2。

进一步，分析可得三相每个开关周期的电流纹波峰峰值的统一表达式：

进而计算三相电流纹波电流最大峰峰值：

i_ripple-max＝max{i_{a(ripple-max)},i_{b(ripple-max)},i_{c(ripple-max)}}

设纹波电流峰峰值限制最大为i_{ripple-max-require}，根据i_ripple-max＜i_{ripple-max-require}可计算得到基于相电流纹波电流峰峰值的待更新开关频率最小值f_N2。

步骤2.3，由于纹波电流有效值和峰峰值分别对应变流器的振动噪声和电磁兼容特性。根据系统电磁兼容和振动噪声考核要求，确定纹波电流指标限制的开关频率最小值，分两种情况：单一指标限制时开关频率f_N3＝αf_N1+(1-α)f_N2，若仅考虑纹波电流的有效值要求则设置α＝1，若仅考虑纹波电流的峰峰值要求则设置α＝0；有效值和峰峰值双指标限制时开关频率f_N3＝max(f_N1,f_N2)。

1)，单一指标限制时开关频率f_N3＝αf_N1+(1-α)f_N2，若仅考虑纹波电流的有效值要求则设置α＝1，若仅考虑纹波电流的峰峰值要求则设置α＝0；

2)，有效值和峰峰值双指标限制时开关频率f_N3＝max(f_N1,f_N2)。

步骤3，根据开关频率最小值f_N3和总阈值区间[f_min，f_max]确定满足要求的开关频率实时限制范围[f_min-N，f_max-N]。

其中，所述的步骤3中根据最小开关频率f_N3与开关频率的最低阈值f_min和最高阈值f_max之间的关系，开关频率实时限制范围计算包括以下三种情况：

1)，若步骤2确定的开关频率的最小值满足关系式f_N3≤f_min，此时开关频率实时限制范围参数f_min-N＝f_min，f_max-N＝f_max。

2)，若步骤2确定的开关频率的最小值满足关系式f_N3≥f_max，此时开关频率实时限制范围参数f_min-N＝f_max，f_max-N＝f_max。

3)，若步骤2确定的开关频率的最小值满足关系式f_min＜f_N3＜f_max，此时开关频率实时限制范围参数f_min-N＝f_N3，f_max-N＝f_max。

步骤4，在开关频率实时限制范围[f_min-N，f_max-N]内，利用随机因子δ_random进行开关频率的随机化。

其中，所述的步骤4具体包括：

步骤4.1，查询第N-1次随机算法产生的随机数R_N-1；

步骤4.2，运用线形同余随机算法迭代计算第N次的随机数R_N；

本实施例采用的线形同余迭代计算随机数过程如下：

R_N＝mod2^Ns(R_N-1×P₁+P₂)

式中R_N、R_N-1分别为第N次、N-1次产生的随机数，N_s表示随机数位数，P₁、P₂是两个质数。上述公式中只包含一个加法运算和乘法运算，在编程中容易实现，尤其适用于16位字节的控制器。

取P₁＝29、P₂＝37，随机数计算公式如下所示：

R_N＝mod2¹⁶(R_N-1×29+37)。

步骤4.3，设随机数最大值和最小值分别为R_max和R_min，将随机数R_N进行归一化处理，可利用下式计算随机因子δ_random：

步骤4.4，根据随机因子δ_random，在开关频率的实时限制范围[f_min-N，f_max-N]内，按照下式更新第N次调制需要的开关频率f_N：

f_N＝f_min-N+δ_random(f_max-N-f_min-N)。

作为本发明的第二实施例，与第一实施例的区别在于，所述的基于随机算法的开关频率调制环节4中随机数可由马尔科夫链等其它随机算法产生。

作为本发明的第三实施例，与第一实施例的区别在于，该开关频率调制方法可扩展应用于两电平三相全桥、三电平三相全桥等其它变流器主回路拓扑中。

步骤4.3，设随机数最大值和最小值分别为R_andom-max和R_andom-min，将随机数R_N进行归一化标幺处理，则可利用下式计算随机因子δ_random：

对于步骤4.2中的线形同余随机数计算，R_{andom_max}＝65535,R_{andom_min}＝0，则有：

δ_random＝[mod2¹⁶(R_n×29+37)]/65535。

本文中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可对所描述的具体实施例做各种的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种两电平H桥变流器的开关频率调制方法，其特征在于：基于开关频率阈值确认环节(1)、开关频率实时限制范围计算环节(3)、基于随机算法的开关频率调制环节(4)和基于纹波电流的开关频率预测调制环节(2)依次连接构成的控制系统；步骤为

步骤1，根据变流器输出基波范围、基波调制控制精度、系统效率和功率器件损耗确定开关频率总阈值区间[f_min，f_max]，根据开关频率与输出基波的载波比计算得到开关频率总阈值的下限f_min，根据变流器系统效率、功率器件损耗、冷却系统计算开关频率总阈值的上限f_max；

步骤2，计算相电流纹波电流有效值和峰峰值，确定纹波电流指标限制的开关频率最小值f_N3：

步骤2.1，分别计算三相电流纹波电流的有效值i_{a(ripple-rms)}、i_{b(ripple-rms)}和i_{c(ripple-rms)}，进而得到基于三相电流纹波电流有效值的待更新开关频率最小值f_N1；

步骤2.2，分别计算三相电流纹波电流的峰峰值i_{a(ripple-max)}、i_{b(ripple-max)}和i_{c(ripple-max)}，进而得到基于三相电流纹波电流峰峰值的待更新开关频率最小值f_N2；

步骤2.3，确定纹波电流指标限制的开关频率最小值：单一指标限制时开关频率最小值f_N3＝αf_N1+(1-α)f_N2；其中α为指标分配因子，有效值和峰峰值双指标限制时开关频率最小值f_N3＝max(f_N1,f_N2)；

步骤3，根据开关频率最小值f_N3和总阈值区间[f_min，f_max]确定满足要求的开关频率实时限制范围[f_min-N，f_max-N]；

步骤4，在开关频率实时限制范围[f_min-N，f_max-N]内，利用随机因子δ_random进行开关频率的随机化。

2.根据权利要求1所述的一种两电平H桥变流器的开关频率调制方法，其特征在于，所述的步骤2.1具体包括：

根据公式d(t)＝mcos(ωt)计算占空比，其中m和ω分别为调制比和基波频率，母线电压为V_dc，开关周期为T_s，回路等效电感为L，根据以下公式计算三相每个开关周期的电流纹波有效值：

进而计算三相电流纹波电流的平均有效值：

设纹波电流有效值限制最大为i_{ripple-rms-require}，根据i_ripple-rms＜i_{ripple-rms-require}可计算得到基于三相电流纹波电流有效值的待更新开关频率最小值f_N1。

3.根据权利要求2所述的一种两电平H桥变流器的开关频率调制方法，其特征在于，所述的步骤2.2中根据以下公式计算三相每个开关周期的电流纹波峰峰值：

进而计算三相电流纹波电流的最大峰峰值：

i_ripple-max＝max{i_{a(ripple-max)},i_{b(ripple-max)},i_{c(ripple-max)}}，

设纹波电流峰峰值限制最大为i_{ripple-max-require}，根据i_ripple-max＜i_{ripple-max-require}可计算得到基于三相电流纹波电流峰峰值的待更新开关频率最小值f_N2。

4.根据权利要求1所述的一种两电平H桥变流器的开关频率调制方法，其特征在于，所述的步骤2.3具体包括：

1)，单一指标限制时开关频率最小值f_N3＝αf_N1+(1-α)f_N2，若仅考虑纹波电流的有效值要求则设置α＝1，若仅考虑纹波电流的峰峰值要求则设置α＝0；

2)，有效值和峰峰值双指标限制时开关频率最小值f_N3＝max(f_N1,f_N2)。

5.根据权利要求1所述的一种两电平H桥变流器的开关频率调制方法，其特征在于，所述的步骤3中根据开关频率最小值f_N3与开关频率总阈值的下限f_min和开关频率总阈值的上限f_max之间的关系，开关频率实时限制范围计算包括以下三种情况：

1)，若步骤2确定的开关频率的最小值满足关系式f_N3≤f_min，此时开关频率实时限制范围参数f_min-N＝f_min，f_max-N＝f_max；

2)，若步骤2确定的开关频率的最小值满足关系式f_N3≥f_max，此时开关频率实时限制范围参数f_min-N＝f_max，f_max-N＝f_max；

3)，若步骤2确定的开关频率的最小值满足关系式f_min＜f_N3＜f_max，此时开关频率实时限制范围参数f_min-N＝f_N3，f_max-N＝f_max。

6.根据权利要求1所述的一种两电平H桥变流器的开关频率调制方法，其特征在于，所述的步骤4具体包括：

步骤4.1，查询第N-1次的随机数R_N-1，N为大于0的自然数；

步骤4.2，运用随机算法迭代计算第N次的随机数R_N；

步骤4.3，根据随机数的最大值R_max和最小值R_min，将随机数R_N进行归一标幺化处理，利用下式计算随机因子δ_random：

步骤4.4，根据随机因子δ_random，按照下式更新第N次调制需要的开关频率f_N：

f_N＝f_min-N+δ_random(f_max-N-f_min-N)。

7.根据权利要求6所述的一种两电平H桥变流器的开关频率调制方法，其特征在于，所述的步骤4.2中采用线形同余迭代计算随机数如下：

R_N＝mod2^Ns(R_N-1×P₁+P₂)，

式中R_N、R_N-1分别为第N次、N-1次产生的随机数，N_s表示随机数位数，P₁、P₂是两个质数；取P₁＝29、P₂＝37，随机数计算公式为：R_N＝mod2¹⁶(R_N-1×29+37)。

Images