消除死区效应的特定谐波消除脉宽调制控制方法及其装置与流程
本发明涉及变流器控制技术领域，特别是涉及一种消除死区效应的特定谐波消除脉宽调制控制方法及其装置。
背景技术：
二极管钳位型(npc，neutralpointclamped)三电平变流器非常适合于中压大功率工业变流传动(如机车牵引、海上风电、冶金轧机、矿井提升机、船舶推进器等)领域，结合现有商用高压大功率半导体器件(如igbt，igct，iegt等)可实现变流器的高耐压、强过流性能。npc三电平变流器的三相拓扑如图1所示，其中s1、s2、s3、s4为全控型开关器件，每一个开关器件都反并联一个续流二极管(d1～d4)，d5、d6为钳位二极管，直流侧电容c1＝c2，电容电压值均为udc/2，变流器输出电流为io。
特定谐波消除脉宽调制(shepwm，selectiveharmoniceliminationpulsewidthmodulation)，又称作开关点预置pwm调制，shepwm的实现原理是对相电压进行傅立叶分解，强制基波幅值为特定值，并通过在阶梯波上预置适当的“凹槽”来选择性地使选定的若干低频次谐波为零，“凹槽”位置的确定需以消除特定次谐波为目标函数建立非线性方程组，通过数值计算来求解各开关角的信息。目前常见做法是预先求解非线性方程组后将所得“凹槽”位置即开关角度信息储存于存储器中，正常运行时通过查表(即预设开关角存储表)读取相应的开关角度信息。
由于实际应用开关器件并非理想器件，都存在一定的开通时间和关断时间，为避免桥臂直通导致直流侧电容短路及器件损坏，必须在同一桥臂的互补脉冲触发信号中设置大于器件开通和关断延时的死区时间，记为τd。在shepwm过程中，确定各个功率器件的脉冲信号时需要以理想标准脉冲和理想标准开关角作为基准，来进行高低电平切换。而死区时间会影响得到的标准开关角，进而使输出的电压偏离，导致输出电压畸变，增加输出电压电流的谐波含量，造成对负载或供电网的冲击，如使电机的转矩发生剧烈波动甚至损坏、输出电流总的谐波畸变率(totalharmonicdistortion，thd)不满足国际或国内并网标准等，宽死区影响更甚。
因此，如何提供一种能够消除死区效应影响的消除死区效应的特定谐波消除脉宽调制控制方法及其装置是本领域技术人员目前需要解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种消除死区效应的特定谐波消除脉宽调制控制方法及其装置，能够消除死区效应对变流器的驱动脉冲的影响，优化变流器的谐波水平。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种消除死区效应的特定谐波消除脉宽调制控制方法，用于二极管钳位型npc多电平变流器，包括：
对所述npc多电平变流器进行电流电压闭环控制，实时计算电压调制比以及实时相位；
依据所述电压调制比查询预设开关角存储表，得到所述电压调制比对应的一组标准开关角；
依据所述npc多电平变流器的输出电流方向、延时导通的弧度值和提前关断的弧度值对所述标准开关角进行修正，消除所述标准开关角中的死区效应，得到一组修正标准开关角；
以所述修正标准开关角为基准，确定所述实时相位所处的角度区间，依据所述角度区间与预设对应关系表得到所述实时角度对应的带有死区的驱动脉冲，驱动所述npc多电平变流器。
优选地，所述延时导通的弧度值和提前关断的弧度值的获得过程为：
确定延时导通的时间τd1和提前关断的时间τd2；
依据弧度角关系式和所述延时导通的时间以及所述提前关断的时间得到所述延时导通的弧度值td1和提前关断的弧度值td2，所述弧度角关系式为：
其中，τ0为所述npc多电平变流器输出相电压基波周期。
优选地，所述预设对应关系表的获得过程具体为：
依据理想标准单相波形确定理想标准开关角以及理想标准脉冲；
将各个功率器件的驱动脉冲与所述理想标准脉冲进行比较，依据所述理想标准开关角、所述延时导通的弧度值和提前关断的弧度值，确定一组驱动脉冲在每种状态下的角度范围区间；
记录各个所述角度范围区间与驱动脉冲的状态之间的对应关系，得到所述预设对应关系表。
优选地，所述依据所述npc多电平变流器的输出电流方向io、延时导通的弧度值td1和提前关断的弧度值td2对所述标准开关角α0(h)进行修正，消除所述标准开关角中的死区效应，得到一组修正标准开关角α(h)的过程具体为：
对于每个周期内处于
对于每个周期内处于
对于每个周期内处于
对于每个周期内处于
优选地，所述预设开关角存储表的获得过程具体为：
用于通过非线性方程组求解函数fsolve()求解非线性方程组，来确定不同电压调制比对应的开关角度向量；所述非线性方程组为：
其中，udc为所述npc多电平变流器直流侧电压；m为电压调制比，m为消除的谐波次数。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种消除死区效应的特定谐波消除脉宽调制控制装置，用于二极管钳位型npc多电平变流器，包括：
初始参数获得模块，用于对所述npc多电平变流器进行电流电压闭环控制，实时计算电压调制比以及实时相位；
开关角查询模块，用于依据所述电压调制比查询预设开关角存储表，得到所述电压调制比对应的一组标准开关角；
死区效应消除模块，用于依据所述npc多电平变流器的输出电流方向、延时导通的弧度值和提前关断的弧度值对所述标准开关角进行修正，消除所述标准开关角中的死区效应，得到一组修正标准开关角；
脉冲生成模块，用于以所述修正标准开关角为基准，确定所述实时相位所处的角度区间，依据所述角度区间与预设对应关系表得到所述实时角度对应的带有死区的驱动脉冲，驱动所述npc多电平变流器；
开关角存储表生成模块，用于获得所述预设开关角存储表；
弧度值获得模块，用于预先确定所述延时导通的弧度值和所述提前关断的弧度值；
区间关系确定模块，用于预先获得所述预设对应关系表。
优选地，所述弧度值获得模块具体包括：
延迟确定单元，用于确定延时导通的时间τd1和提前关断的时间τd2；
弧度值转换单元，用于依据弧度角关系式和所述延时导通的时间以及所述提前关断的时间得到所述延时导通的弧度值td1和提前关断的弧度值td2，所述弧度角关系式为：
其中，τ0为所述npc多电平变流器输出相电压基波周期。
优选地，所述区间关系确定模块具体包括：
角度范围区间划分单元，用于依据理想标准单相波形确定理想标准开关角以及理想标准脉冲；将各个功率器件的驱动脉冲与所述理想标准脉冲进行比较，依据所述理想标准开关角、所述延时导通的弧度值和提前关断的弧度值，确定一组驱动脉冲在每种状态下的角度范围区间；
对应关系记录单元，用于记录各个所述角度范围区间与驱动脉冲的状态之间的对应关系，得到所述预设对应关系表。
优选地，所述死区效应消除模块具体包括：
第一区间消除单元，用于对于每个周期内处于
第二区间消除单元，用于对于每个周期内处于
第三区间消除单元，用于对于每个周期内处于
第四区间消除单元，用于对于每个周期内处于
优选地，所述开关角存储表生成模块具体包括：
模式确定单元，用于通过非线性方程组求解函数fsolve()求解非线性方程组，来确定不同电压调制比对应的开关角度向量；所述非线性方程组为：
其中，udc为所述npc多电平变流器直流侧电压；m为电压调制比，m为消除的谐波次数。
本发明提供了一种消除死区效应的特定谐波消除脉宽调制控制方法及其装置，在依据电压调制比和预设开关角存储表得到标准开关角后，依据变流器的输出电流方向、延时导通的弧度值和提前关断的弧度值来消除了标准开关角的死区效应影响，对标准开关角进行了修正，之后依据修正后的标准开关角作为基准输出带有死区的驱动脉冲。可见，本发明消除了作为基准的标准开关角的死区效应，使得后续生成驱动脉冲时，不会受到死区影响而导致输出电压偏离等情况，且减少了输出电压的谐波畸变，优化了变流器的谐波水平。并且本发明在生成驱动脉冲时可直接输出携带有死区的驱动脉冲，不再需要增加单独设置死区的步骤。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为二极管钳位型三电平变流器的拓扑结构示意图；
图2为二极管钳位型三电平变流器在特定谐波消除脉宽调制中的输出单相电压理想波形图；
图3为特定谐波消除脉宽调制时死区设置示意图；
图4为本发明提供的一种消除死区效应的特定谐波消除脉宽调制控制方法的过程的示意图；
图5(a)为本发明提供的一种消除死区效应的特定谐波消除脉宽调制控制方法的具体实施例的总体流程示意图；
图5(b)为图5(a)中的死区脉冲生成流程ⅱ部分的具体过程的示意图；
图5(c)为图5(a)中的死区脉冲生成流程ⅲ部分的具体过程的示意图；
图5(d)为图5(a)中的死区脉冲生成流程ⅳ部分的具体过程的示意图；
图6为本发明提供的一种死区效应消除的过程的流程图；
图7为本发明提供的一种消除死区效应的特定谐波消除脉宽调制控制装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种消除死区效应的特定谐波消除脉宽调制控制方法及其装置，能够消除死区效应对变流器的驱动脉冲的影响，优化变流器的谐波水平。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种消除死区效应的特定谐波消除脉宽调制控制方法，用于二极管钳位型npc多电平变流器，参见图4所示，图4为本发明提供的一种消除死区效应的特定谐波消除脉宽调制控制方法的过程的示意图；该方法包括：
步骤s1：对npc多电平变流器进行电流电压闭环控制，实时计算电压调制比以及实时相位；
其中，电压调制比指的是变流器输出交流电压基波幅值与变流器输入直流电压值之比。
步骤s2：依据电压调制比查询预设开关角存储表，得到电压调制比对应的一组标准开关角；
步骤s3：依据npc多电平变流器的输出电流方向、延时导通的弧度值和提前关断的弧度值对标准开关角进行修正，消除标准开关角中的死区效应，得到一组修正标准开关角；
步骤s4：以修正标准开关角为基准，确定实时相位所处的角度区间，依据角度区间与预设对应关系表得到实时角度对应的带有死区的驱动脉冲，驱动npc多电平变流器。
具体的，延时导通的弧度值和提前关断的弧度值的获得过程为：
步骤s101：确定延时导通的时间τd1和提前关断的时间τd2；
步骤s102：依据弧度角关系式和延时导通的时间以及提前关断的时间得到延时导通的弧度值td1和提前关断的弧度值td2，弧度角关系式为：
其中，τ0为npc多电平变流器输出相电压基波周期。
可以理解的是，当τd1和τd2均不为0时，变流器为延时导通集合提前关断的模式，当τd1＝0时，为单纯提前关断模式，当τd2＝0时，为单纯延时导通模式；τd＝τd1+τd2。
参见图2所示，图2为二极管钳位型三电平变流器在特定谐波消除脉宽调制中的输出单相电压理想波形图；波形在[0,π]区间内关于α＝π/2轴对称，在一个基波周期即[0,2π]区间内关于点(π,0)中心对称。四分之一个周期内包含n个理想开关角(或称为弧度角，记为α(1)、α(2)、…、α(k)、…、α(n))。其中，α＝0时刻零电平、α＝π/2时刻为正电平，n为奇数，且n个开关角的数值关系以下关系式所示：
对于相电压u0，由波形的对称性可知输出电压本身不含偶次谐波，只含奇数次谐波，即相电压u0可分解为：
其中，ω为相电压的角频率，bn可表示为：
对由各开关角组成的向量列写的非线性方程组关系式为：
其中，udc为npc多电平变流器直流侧电压；m为电压调制比，m为消除的谐波次数。
之后通过非线性方程组求解函数fsolve()求解上述非线性方程组，即确定不同电压调制比对应的开关角度向量；进而得到预设开关角存储表。
进一步可知，预设的区间脉冲对应关系的获得过程具体为：
步骤s201：依据理想标准单相波形确定理想标准开关角以及理想标准脉冲；
步骤s202：将各个功率器件的驱动脉冲与理想标准脉冲进行比较，依据理想标准开关角、延时导通的弧度值和提前关断的弧度值，确定一组驱动脉冲在每种状态下的角度范围区间；
步骤s203：记录各个角度范围区间与驱动脉冲的状态之间的对应关系，得到预设对应关系表。
参见图3所示，图3为特定谐波消除脉宽调制时死区设置示意图；
理想情况(无开关死区)下，驱动脉冲g1、g2、g3、g4根据理想标准开关角位置α(k)作相应的高、低电平切换，以[0,π/2)内的[α(k)，α(k+1)]区间为例(k为奇数)：g2≡1，g4≡0；当α∈[α(k)，α(k+1))时，g1＝1、g3＝0；当
图3中，当设置开关死区(即设置有死区时间)时，以延时导通结合提前关断死区模式为例进行分析：g2≡1，g4≡0；当α∈[α(k)-td2，α(k)+td1)时，g1＝0、g3＝0；当α∈[α(k)+td1，α(k+1)-td2)时，g1＝1、g3＝0；当α∈[α(k+1)-td2，α(k+1)+td1)时，g1＝0、g3＝0。
据此分析可得到[0,π/2)区间内的各个角度范围区间与驱动脉冲的状态之间的对应关系，参见表1，表1为α∈[0,π/2)时的对应关系表。
表1α∈[0,π/2)时的对应关系表
同理可得，[π/2,π)，[π,3π/2)，[3π/2,2π)区间内的对应关系表，分别参见表2、表3和表4。
表2α∈[π/2,π)时的对应关系表
表3α∈[π,3π/2)时的对应关系表
表4α∈[3π/2,2π)时的对应关系表
进一步的，步骤s4中，可直接确定实时相位处于表格中的哪个区间内，之后输出该区间对应的脉冲信号。
在另一种具体实施例中，为便于软件实现，参见图5(a)(b)(c)(d)所示，图5(a)为总体流程示意图，其中包含α∈[0,π/2)的具体示意图；图5(b)为α∈[π/2,π)部分的示意图；图5(c)为α∈[π,3π/2)部分的示意图；图5(d)为α∈[3π/2,2π)部分的示意图；整数变量k用于遍历各开关角以及角度范围区间。
可以理解的是，根据实验可得，在变流器io>0时，死区效应相当于少输出了正电压脉冲，当go>0时，g1的延时导通、提前关断均影响输出电压，而g3的延时导通、提前关断均不影响输出电压；当go<0时，g2的延时导通、提前关断均影响输出电压，而g4的延时导通、提前关断均不影响输出电压。io<0时，死区效应相当于少输出了负电压脉冲：当go>0时，g3的延时导通、提前关断均影响输出电压，而g1的延时导通、提前关断均不影响输出电压；当go<0时，g4的延时导通、提前关断均影响输出电压，而g2的延时导通、提前关断均不影响输出电压。由此绘制脉冲信号g1～g4死区效应真值表如表5，其中，‘1’表示影响输出电压，‘0’则表示不影响输出电压。
表5脉冲信号g1～g4死区效应真值表
基于死区效应真值表可得，在优选实施例中，参见图6所示，图6为本发明提供的一种死区效应消除的过程的流程图；步骤s3的过程具体为：
步骤s301：对于每个周期内处于
步骤s302：对于每个周期内处于
步骤s303：对于每个周期内处于
步骤s304：对于每个周期内处于
作为优选地，本发明可以用于二极管钳位型两电平变流器或三电平变流器或其他电平的变流器，具体可根据需要而定。
本发明提供了一种消除死区效应的特定谐波消除脉宽调制控制方法，在依据电压调制比和预设开关角存储表得到标准开关角后，依据变流器的输出电流方向、延时导通的弧度值和提前关断的弧度值来消除了标准开关角的死区效应影响，对标准开关角进行了修正，之后依据修正后的标准开关角作为基准输出带有死区的驱动脉冲。可见，本发明消除了作为基准的标准开关角的死区效应，使得后续生成驱动脉冲时，不会受到死区影响而导致输出电压偏离等情况，且减少了输出电压的谐波畸变，优化了变流器的谐波水平。
本发明还提供了一种消除死区效应的特定谐波消除脉宽调制控制装置，用于二极管钳位型npc多电平变流器，参见图7所示，图7为本发明提供的一种消除死区效应的特定谐波消除脉宽调制控制装置的结构示意图。该装置包括：
初始参数获得模块1，用于对npc多电平变流器进行电流电压闭环控制，实时计算电压调制比以及实时相位；
开关角查询模块3，用于依据电压调制比查询预设开关角存储表，得到电压调制比对应的一组标准开关角；
死区效应消除模块4，用于依据npc多电平变流器的输出电流方向、延时导通的弧度值和提前关断的弧度值对标准开关角进行修正，消除标准开关角中的死区效应，得到一组修正标准开关角；
脉冲生成模块5，用于以修正标准开关角为基准，确定实时相位所处的角度区间，依据角度区间与预设对应关系表得到实时角度对应的带有死区的驱动脉冲，驱动npc多电平变流器；
开关角存储表生成模块5，用于获得预设开关角存储表；
弧度值获得模块6，用于预先确定延时导通的弧度值和提前关断的弧度值；
区间关系确定模块7，用于预先获得预设对应关系表。
其中，弧度值获得模块6具体包括：
延迟确定单元，用于确定延时导通的时间τd1和提前关断的时间τd2；
弧度值转换单元，用于依据弧度角关系式和延时导通的时间以及提前关断的时间得到延时导通的弧度值td1和提前关断的弧度值td2，弧度角关系式为：
其中，τ0为npc多电平变流器输出相电压基波周期。
进一步可知，区间关系确定模块7具体包括：
角度范围区间划分单元，用于依据理想标准单相波形确定理想标准开关角以及理想标准脉冲；将各个功率器件的驱动脉冲与理想标准脉冲进行比较，依据理想标准开关角、延时导通的弧度值和提前关断的弧度值，确定一组驱动脉冲在每种状态下的角度范围区间；
对应关系记录单元，用于记录各个角度范围区间与驱动脉冲的状态之间的对应关系，得到预设对应关系表。
在优选实施例中，死区效应消除模块4具体包括：
第一区间消除单元，用于对于每个周期内处于
第二区间消除单元，用于对于每个周期内处于
第三区间消除单元，用于对于每个周期内处于
第四区间消除单元，用于对于每个周期内处于
其中，开关角存储表生成模块5具体包括：
模式确定单元，用于通过非线性方程组求解函数fsolve()求解非线性方程组，来确定不同电压调制比对应的开关角度向量；非线性方程组为：
其中，udc为npc多电平变流器直流侧电压；m为电压调制比，m为消除的谐波次数。
作为优选地，本发明可以用于二极管钳位型两电平变流器或三电平变流器或其他电平的变流器，具体可根据需要而定。
本发明提供了一种消除死区效应的特定谐波消除脉宽调制控制装置，在依据电压调制比和预设开关角存储表得到标准开关角后，依据变流器的输出电流方向、延时导通的弧度值和提前关断的弧度值来消除了标准开关角的死区效应影响，对标准开关角进行了修正，之后依据修正后的标准开关角作为基准输出带有死区的驱动脉冲。可见，本发明消除了作为基准的标准开关角的死区效应，使得后续生成驱动脉冲时，不会受到死区影响而导致输出电压偏离等情况，且减少了输出电压的谐波畸变，优化了变流器的谐波水平。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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