分段同步SHEPWM切换控制方法、介质及电子设备与流程

分段同步shepwm切换控制方法、介质及电子设备
技术领域
[0001]
本发明属于电力电子应用技术，涉及变流器领域，尤其是涉及一种分段同步shepwm切换控制方法、介质及电子设备。


背景技术：

[0002]
二极管钳位型(npc,neutral point clamped)三电平变流器具有耐压较高、输出电压dv/dt较小、结构较简单、可能量双向流动等特点，广泛应用于铁路机车牵引和高速磁浮交通领域。但是在机车牵引领域一般要求npc三电平变流器输出电压的幅值范围大、频率范围广、谐波含量低，例如现有高速磁浮列车牵引变流器输出频率范围为0-300赫兹，而大功率电力电子器件开关频率比较低，如igct为几百赫兹，为此一般采用多模式分段脉宽调制策略，即低频时采用异步调制(如svpwm)以获得更高的直流电压利用率、减小电流脉动，中高频时采用优化pwm调制(如分段同步shepwm)以有效降低高频下的低次谐波，改善波形质量。
[0003]
特定谐波消除脉冲宽度调制(shepwm，selected harmonic elimination pulse width modulation)是一种以优化输出谐波为目标的调制策略。shepwm通过傅里叶分解，预先确定转换时刻实现特定开关的切换，从而消除选定的低频谐波。与其它pwm控制技术相比，shepwm具有开关频率低，无特定次的低次谐波、输出波形质量高、开关损耗低等特点。为了增大输出频率，可以采用分段调制的shepwm，根据输出频率的范围采用不同的载波比。
[0004]
大功率开关器件如igct的导通过程和关断过程所需时间均较长，例如考虑到死区时间后4500v/4000a的igct最小脉宽的要求可达到150us。为了使得器件能够成功导通和关断，必须提供给开关器件足够长时间的开通脉冲以及关断脉冲，否则可能出现导通/关断失效而使得实际电压发生畸变，在器件尚未完全导通的时候就进行关断动作还可能对器件造成破坏。因此，为保证高压大功率逆变器的可靠运行，必须保证输出脉宽满足最小脉宽要求。
[0005]
现有文献对于svpwm和shepwm中的窄脉冲问题，提出了很多解决方案。例如针对shepwm，通常采取的办法是将过窄的脉冲舍去或者将其扩展到最小脉冲宽度；或者在理想解轨迹的基础上对局部调制比范围内的角度轨迹进行挪移，使角度间隔增大；或者利用shepwm开关角度轨迹的多解性在不同调制比段使用不同组解来满足最小脉宽要求。分段同步调制shepwm在不同载波比之间切换时同样有可能存在窄脉冲，如果采用在固定角度切换，可以通过以上方法来消除窄脉冲，但是如果采用在任意角度切换，则以上方法不能完全消除窄脉冲。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种分段同步shepwm切换方法、介质及电子设备，实现最小脉宽控制，有效消除窄脉冲，以适应于在任意角度上进行切换时均能满足任意角度切换。
[0007]
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008]
一种分段同步shepwm切换控制方法，该方法用于控制不同载波比的shepwm模式切换的实现，包括以下步骤：
[0009]
获取最小脉宽与pwm周期时间的比例n；
[0010]
当达到切换条件时，在每个pwm周期，判定是否同时满足以下两个条件：
[0011]
a、切换前n个周期的各路pwm信号都保持不变；
[0012]
b、切换后shepwm输出的电平和切换前shepwm输出的电平相同或者切换后n个周期的各路pwm信号都保持不变；
[0013]
若是，则完成不同载波比的shepwm切换，若否，则保持当前载波比运行。
[0014]
进一步地，所述比例n的获取公式为：
[0015][0016]
其中，t
min
为最小脉宽，t
s
为变流器pwm周期时间。
[0017]
进一步地，所述最小脉宽根据开关器件的最小开通、关断时间及死区时间确定。
[0018]
进一步地，所述比例n大于等于2。
[0019]
进一步地，所述切换条件基于变流器电压频率确定。
[0020]
进一步地，所述切换为任意角度进行。
[0021]
本发明还提供一种变流器调制方法，该方法中采用如所述的分段同步shepwm切换控制方法进行不同载波比的shepwm模式的切换。
[0022]
本发明还提供一种二极管钳位型三电平变流器，该变流器基于所述的分段同步shepwm切换控制方法实现不同载波比的shepwm模式的切换。
[0023]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如所述分段同步shepwm切换控制方法的指令。
[0024]
本发明还提供一种电子设备，包括：
[0025]
一个或多个处理器；
[0026]
存储器；和
[0027]
被存储在存储器中的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如所述分段同步shepwm切换控制方法的指令。
[0028]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0029]
本发明在达到切换条件时，对每个pwm周期内的输出信号进行全面判定，仅在各项条件适宜时才进行不同载波比的shepwm切换，有效实现最小脉宽控制，实时解决分段同步调制shepwm在任意时刻实现不同载波比的shepwm切换时存在的窄脉冲问题，既可以满足最小脉宽要求，又保证了切换前后都能够彻底消除指定次数谐波，切换精度高。
附图说明
[0030]
图1是不同载波比的shepwm切换前窄脉冲生成示意图；
[0031]
图2是不同载波比的shepwm切换后窄脉冲生成示意图；
[0032]
图3是本发明不同载波比的shepwm切换控制方法流程图。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0034]
图1为不同载波比的shepwm切换前窄脉冲生成机制，由于切换时电压角度θ与切换前的shepwm的开关角度α1非常接近，切换后的输出电平与切换前的输出电平不一致，因此导致了窄脉冲的出现。图2为不同载波比的shepwm切换后窄脉冲生成机制，由于切换时电压角度θ与切换后的shepwm的开关角度α2非常接近，切换后的输出电平与切换前的输出电平不一致，因此导致了窄脉冲的出现。本发明就是为了有效消除窄脉冲而提出。
[0035]
本发明提供一种分段同步shepwm切换控制方法，该方法用于控制不同载波比的shepwm模式切换的实现，包括以下步骤：
[0036]
获取最小脉宽与pwm周期时间的比例n；
[0037]
当达到切换条件时，在每个pwm周期，判定是否同时满足以下两个条件：
[0038]
a、切换前n个周期的各路pwm信号都保持不变；
[0039]
b、切换后shepwm输出的电平和切换前shepwm输出的电平相同或者切换后n个周期的各路pwm信号都保持不变；
[0040]
若是，则完成不同载波比的shepwm切换，若否，则保持当前载波比运行。
[0041]
通过上述控制过程，可实时解决分段同步调制shepwm在任意时刻实现不同载波比的shepwm切换时存在的窄脉冲问题，既可以满足最小脉宽要求，又保证了切换前后都能够彻底消除指定次数谐波。
[0042]
实施例1
[0043]
如图3所示，本实施例提供的分段同步shepwm切换控制方法包括如下步骤：
[0044]
步骤1，确定最小脉宽与pwm周期时间的比例关系。
[0045]
最小脉宽t
min
根据大功率开关器件的最小开通、关断时间及死区时间确定。大功率开关器件最小开通、关短时间及对应的死区时间随不同厂家、不同型号的大功率开关器件及实际工作开关频率等因素不同而不同，最小脉宽应根据大功率开关器件实际工况进行确定。大功率开关器件如igct的导通过程和关断过程所需时间均较长，例如考虑到死区时间后4500v/4000a的igct最小脉宽的要求可达到150微秒。
[0046]
npc变流器的pwm周期时间为t
s
，则最小脉宽与pwm周期时间的比例关系为：
[0047][0048]
其中ceil为向上取整函数，它返回的是大于或等于函数参数,并且与之最接近的整数。最小脉宽必须大于pwm周期时间，因此n的最小取值为2。为此选用ts为75微秒，则n＝2。此时最小脉宽时间正好为两个pwm周期。
[0049]
步骤2，判断是否满足切换原则，并根据切换原则进行不同载波比的shepwm切换判定。
[0050]
为了增大输出频率的范围，shepwm采用分段调制的方法，根据输出频率的范围采用不同的载波比。选取同步pwm阶段载波比依次为11、9、7、5、3、1，以开关频率不大于400hz为例，各次载波比对应的频率段如表1所示。
[0051]
表1
[0052]
名称载波比输出频率(hz)she111130～34she9934～44she7744～57she5557～80she3380～130she11130～300
[0053]
依照切换前后电压连续的原则可以在任意角度进行不同载波比的shepwm模式切换，切换灵活，切换处理简单可靠，且能够保证切换电流冲击较小。因此根据变流器的电压频率就可以选取合适的载波比及其对应的shepwm。当不同载波比的shepwm在任意角度切换时，如果切换前后大功率开关器件的开关状态不一致且电压角度与shepwm的开关角度非常接近，就会出现窄脉冲。
[0054]
步骤3，进行切换前的最小脉宽判定。
[0055]
例如当电压频率一旦超过34hz时，根据分段调制的要求，调制策略需要从she11切换到she9。为了避免窄脉冲的出现，首先判定切换前2个周期，she11输出的12路pwm信号是否发生变化，即12个开关器件是否发生了状态变化，例如从开通状态变为关断状态或者从关断状态变为开通状态。当切换前2个周期的12路pwm信号都保持不变，即12个开关器件都没有发生了状态变化，则进行步骤4。否则，说明当前she11的输出不满足最小脉宽条件，则继续采用she11，不进行切换，等待下一个周期再重复步骤3。
[0056]
步骤4，进行切换后的最小脉宽判定。
[0057]
当she11满足最小脉宽要求时，还需要进行she9的最小脉宽判定。首先比较切换前后she11的12路pwm信号和she9的12路pwm信号是否相同，如果相同，则进行步骤5；如果不同，判定切换后2个周期，she9输出的12路pwm信号是否发生变化，即12个开关器件是否发生了状态变化，当切换后2个周期的12路pwm信号都保持不变，即12个开关器件都没有发生状态变化，则进行步骤5；否则，说明当前she9的输出不满足最小脉宽条件，则继续采用she11，不进行切换，等待下一个周期再重复步骤3和步骤4。
[0058]
步骤5，完成不同载波比的shepwm切换。
[0059]
当电压频率达到切换条件时，每个pwm周期都要进行步骤3和步骤4的判定，直到步骤3和步骤4的条件全部满足后才能完成不同载波比的shepwm切换。以she11向she9切换为例，当电压频率达到34hz，而且she11满足切换前的最小脉宽同时she9满足切换后的最小脉宽时，she11才能切换为she9。
[0060]
上述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0061]
实施例2
[0062]
本实施例提供一种变流器调制方法，该方法中采用如实施例1所述的分段同步shepwm切换控制方法进行不同载波比的shepwm模式的切换。
[0063]
实施例3
[0064]
本实施例提供一种二极管钳位型三电平变流器，该变流器基于如实施例所述的分段同步shepwm切换控制方法实现不同载波比的shepwm模式的切换。
[0065]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。