一种基于shepwm的变流器中点电压平衡控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及多电平变流器的调制方法，尤其涉及一种基于SHEPffM的变流器中点 电压平衡控制方法。 技术背景
[0002] 多电平中点钳位型变流器的特定谐波消除控制方法通过开关时刻的优化选择，恰 当地控制变流器的脉宽调制电压波形，使逆变器输出的电压中不存在某些特定（低次）谐 波，降低了功率器件的开关频率，减少了功率器件的开关损耗。
[0003] 多电平中点钳位型变流器的特定谐波消除控制方法虽然能够有效的消除某些特 定的低次谐波，减少功率器件的开关损耗，但是却不能有效的控制中点电压的平衡。针对多 电平中点钳位型变流器中点电压平衡的问题，有许多控制策略被提出，大体分为二种，即硬 件控制策略与软件控制策略。硬件控制策略一般要额外增加电源或者功率器件及储能器 件，从而导致系统体积的增大，成本提高，以及系统的效率和稳定性降低，因此应用不多；相 比之下，软件控制策略节省系统的体积与成本的同时，具有很高的稳定性，但它增加了软件 算法的复杂性。随着高性能DSP的快速发展，复杂的控制算法变得越来越容易实现，因此， 基于控制算法的中点电压平衡控制方法获得了越来越多的关注。目前，基于控制算法的中 点电压平衡控制方法大多是空间矢量调制策略，但是在控制中点电压平衡的同时不能有效 的消除特定的低次谐波。根据文献检索，目前未见基于SHEPffM的中点电压平衡控制策略， 本发明提出的控制策略在消除特定低次谐波的基础上，能有效的控制多电平中点钳位型变 流器的中点电压平衡。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是在消除特定低次谐波的同时，提供一种能有效地控制多电平中点 钳位型变流器中点电压平衡的方法，具体技术方案如下：
[0005] -种基于SHEPffM的变流器中点电压平衡控制方法，包括以下步骤：
[0006] 步骤Sl :根据控制系统性能要求确定开关角数量和调制度；
[0007] 步骤S2 :建立多电平中点钳位型变流器特定谐波消除控制方法数学模型，根据步 骤Sl得到开关角数量和调制度通过优化算法求得相应调制度时的开关角；
[0008] 步骤S3 :将SHEPffM三相输出视为与SVPffM -致的空间矢量集，对步骤S2中所求 得的开关角度进行矢量化分析；
[0009] 步骤S4 :根据步骤S3的分析结果，将SHEPffM输出波形视为空间矢量，分析不同的 SHEPffM开关角度对多电平中点钳位型变流器中点电压的影响；
[0010] 步骤S5 :定量计算不同的SHEPffM开关角度对应的多电平中点钳位变流器中点电 压偏移量；
[0011] 步骤S6 :根据步骤S5的计算结果，利用对SHEPffM开关角的实时切换实现多电平 中点钳位变流器的中点电压平衡控制。
[0012] 进一步的，所述步骤S6包括以下步骤：
[0013] 步骤S61 :利用电压采集电路实时采集直流侧电容的电压值，将直流侧电容的电 压值减去参考电压值（直流侧电压的一半）得到当前采样时刻中点电压的偏移值，将所述 中点电压的偏移值反馈到DSP芯片中；
[0014] 步骤S62 :在DSP中，利用步骤S61的反馈值计算出当前采样周期内中点电压的总 偏移量；
[0015] 步骤S63 :根据步骤S62得到的当前采样周期内中点电压的总偏移量，选择下一周 期的SHEPffM开关角。
[0016] 进一步优选的，基于SHEPffM的变流器中点电压平衡控制方法，包括以下步骤：
[0017] 步骤Sl :根据控制系统性能要求确定开关角数量为4个和调制度为I. 0 ;
[0018] 步骤S2 :建立多电平中点钳位型变流器特定谐波消除控制方法数学模型，通过遗 传算法求得调制度为1. 0时的开关角；
[0019] 步骤S3 :将SHEPffM三相输出视为与SVPffM -致的空间矢量集，对步骤S2中所求 得的开关角度进行矢量化分析；
[0020] 步骤S4 :根据步骤S3的分析结果，将SHEPffM输出波形视为空间矢量，分析不同的 SHEPffM开关角度对多电平中点钳位型变流器中点电压的影响；
[0021] 步骤S5 :定量计算不同的SHEPffM开关角度对应的多电平中点钳位变流器中点电 压偏移量；用H来表示中点电压所允许偏移的最大上限，△ Uc表示中点电压偏移量，将不同 的开关角根据对中点电压的影响分成四组，第（1)组开关角使A Uc>H，第（2)组开关角使 0〈八此〈!1，第（3)组开关角使-!1〈八1^〈0，第（4)组开关角使八1^〈-!1 ;
[0022] 步骤S6 :包括以下步骤：
[0023] 步骤S61 :利用电压采集电路实时采集直流侧电容的电压值，将直流侧电容的电 压值减去参考电压值（直流侧电压的一半）得到当前采样时刻中点电压的偏移值，将所述 中点电压的偏移值反馈到DSP芯片中；
[0024] 步骤S62 :在DSP中，利用步骤S61的反馈值计算出当前采样周期内中点电压的总 偏移量；
[0025] 步骤S63 :根据步骤S62得到的当前采样周期内中点电压的总偏移量，选择下一周 期的SHEPffM开关角，若当前采样周期内中点电压的总偏移量大于H时，则在下一周期内选 择第（4)组SHEPffM开关角；若当前采样周期内中点电压的总偏移量大于零小于H时，则在 下一作用周期内选择第（3)组SHEPffM开关角；若当前采样周期内中点电压的总偏移量大 于-H小于零时，则在下一作用周期内选择第（2)组SHEPffM开关角；若当前采样周期内中点 电压的总偏移量小于-H时，则在下一作用周期内选择第（1)组SHEPffM开关角。
[0026] 进一步的，所述多电平中点钳位型变流器为三电平中点钳位型变流器，三电平中 点钳位型变流器应用较广较常见。
[0027] 进一步的，根据多电平变流器控制规律生成PffM信号时，加入死区时间。可有效地 避免延迟效应所造成的一个桥臂未完全关断，而另一桥臂又处于导通状态，避免直通损毁 模块。
[0028] 本发明的有益效果在于：
[0029] (1)本发明的控制方法将多电平中点钳位型变流器的特定谐波消除控制方法与中 点电压平衡结合，在消除特定低次谐波同时，能有效控制中点电压平衡，极大的改善了输出 波形，减小总谐波失真。
[0030] (2)本发明使用的是SHEPffM控制算法，相比较SPffM和SVPffM而言，具有更低的开 关频率，从而大大的降低了功率器件的开关损耗。
[0031] (3)本发明使用SHEPffM方法控制多电平变频器的中点电压平衡，相比较于用SPffM 和SVPffM控制中点电压平衡的方法而言，有效的降低了算法的复杂度。
【附图说明】
[0032] 图1、本发明的控制方法流程图
[0033] 图2、三电平SVPffM矢量图
[0034] 图3、本发明的实施例的三相电压输出波形
[0035] 图中：p表示π
【具体实施方式】
[0036] 以三电平中点钳位型变流器为例，对本发明的SHEPffM中点电压平衡控制方法做 进一步的说明。
[0037] 基于SHEPffM的变流器中点电压平衡控制方法，包括以下步骤：
[0038] 步骤Sl :根据控制系统性能要求确定开关角数量和调制度；本实施例中选取开关 角为4个，调制度为1。
[0039] 步骤S2 :建立多电平中点钳位型变流器特定谐波消除控制方法数学模型，
[0040]
[0041] 式中Ud为直流侧电源电压，基波调制虔
' N为1/4周期内所取开关转换 角个数，开关角应满足条件
[0042] 本发明取N = 4,调制度m= 1.0为例，通过遗传算法求得四组SHEPffM开关角；
[0043] 求出四组SHEPffM开关角度如表1所示。
[0044] 表1 m = I. 0时开关角度
[0045]
[0046] 步骤S3 :将SHEPffM三相输出视为与SVPffM-致的空间矢量集，对步骤S2中所求得 的开关角度进行矢量化分析；研究SHEPffM与空间矢量脉宽调制（SVPffM)之间的本质联系， 将SHEPffM三相输出视为与SVPffM -致的空间矢量集，对所求解的三相SHEPffM开关角度进 行矢量化。本发明&α1 = 14°、α2 = 63°、α3 = 67°、α4 = 83° (注：为论述简单， 小数点后面的数据舍去）为例进行说明，该解集下三相电压输出波形如图3所示，根据输出 相电压的不同，将三电平变流器的输出分为3种状态P (正输出），0 (零输出），N (负输出）。 在SHEPffM控制下，每一时刻都有其对应的输出状态。令a相相位为Θ时的三相输出分别 为&(0)，13(0)，(：（0)。^^?￥1的(3相开关状态可由 &相输出延迟12〇°得到，如式（2)。
[0047] c( Θ ) = a( Θ+120。） （2)
[0048] 由于SHEPffM波形关于180°奇对称，关于90°偶对称，即：
[0049] a(180。- Θ ) = a( Θ ) (3)
[0050] a(360。- θ ) =-a( θ ) (4)
[0051 ]根据式（2)、（3)、（4)，计算 c ( θ +60 ° )得：
[0052] c( θ +60。）= a( θ +180。）
[0053] =-a(360。-θ-180。） （5)
[0054] = -a (180。-Θ) =-a(9)
[0055] 由式⑷可以看出若已知a相某一角度的输出状态，则可根据该等式得到该角度 延迟60°之后在c相的输出状态。
[0056] 同理，由b、c相上电压输出波形的奇偶对称关系可得式（6)、（7):
[0057] a( Θ +60。）= -b( Θ ) (6)
[0058] b( θ +60。）= -c( θ ) (7)
[0059] 结合式（5)、（6)、（7)，若已知SHEPffM中某一时刻的三相输出状态，则可根据公式 得到延迟60°后的三相输出状态。
[0060] 三电平SVPffM矢量图如图2所示，由图可知某矢量与其逆时针旋转60°得到的新 矢量也满足式（5)、（6)、（7)，因此SHEPffM与SVPffM有着本质的联系，SVPffM的A大区对应 SHEPffM输出波形的90°到150°区域，其它区域以此类推。所以只需取一个60°来研究 SHEPffM开关角度矢量化的结果。0° -60°的SHEPffM波形可以被看成不同的空间矢量