一种特定谐波消除脉宽调制变模式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，特别是涉及一种特定谐波消除脉宽调制变模式控制方法及其装置。
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)又称作开关点预置pwm调制，是通过在阶梯波上预置适当位置的“凹槽”来选择性地消除特定次谐波，由于可以完全消除低次谐波，在输出波形质量相同时具有较低开关频率，是解决因器件寿命、开关损耗、散热限制等因素造成的中压大功率变流场合器件开关频率只有几百赫兹进而引发的系列问题的有效方法。由电压波形的对称性可知输出电压本身只含奇数次谐波；同时，对于三相电压对称系统，由于线电压中3次谐波相互抵消，因此传统方法在建立消谐波非线性方程组时均是忽略3的整数倍奇次谐波，只考虑消除3的倍数次以外的奇数次谐波。
但随着用户对变流器系统电网适应性要求的逐步提高，耐受电网电压不平衡度成为考核变流器系统的一项关键性能指标。而npc三电平变流器的shepwm调制过程中，在电网不平衡工况下对于输出电流平衡控制和谐波抑制的控制效果较差，容易出现失控现象。
因此，如何提供一种控制效果好的特定谐波消除脉宽调制变模式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特定谐波消除脉宽调制变模式控制方法及其装置，能够尽可能保证输出电流可控，且尽可能保证减小主要谐波，提高控制效果。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种特定谐波消除脉宽调制变模式控制方法，用于二极管钳位型npc多电平变流器，包括：
在电网网压不平衡工况下，计算当前的电压调制比m和相位角；
将所述电压调制比与预设调制比阈值进行比较，若小于所述预设调制比阈值，则选择第一控制模式，若大于所述预设调制比阈值，则选择第二控制模式；其中，所述第一控制模式用于控制所述npc多电平变流器的输出电流平衡且全部奇数次谐波为0，所述第二控制模式用于控制n次谐波为0，n＝6j±1，j为正整数；
依据选择的控制模式查询对应的预设开关角存储表，得到所述电压调制比对应的开关角度；
依据所述相位角以及得到的所述开关角度生成脉冲信号驱动所述npc多电平变流器。
优选地，所述第二控制模式具体包括第一子模式以及第二子模式，所述第一子模式用于控制所述npc多电平变流器的输出电流平衡且n次谐波为0，所述第二子模式用于控制所述npc多电平变流器的输出电压平衡且n次谐波为0。
优选地，所述将所述电压调制比与预设调制比阈值进行比较，若小于所述预设调制比阈值，则选择第一控制模式，若大于所述预设调制比阈值，则选择第二控制模式的过程具体为：
将所述电压调制比分别与第一预设调制比阈值以及第二预设调制比阈值进行比较；
若小于所述第一预设调制比阈值，则选择第一控制模式；
若大于所述第二预设调制比阈值，则选择第二控制模式。
优选地，所述预设开关角存储表的获得过程为：
通过非线性方程组求解函数fsolve()求解第一非线性方程组，来确定所述第一控制模式的条件下不同电压调制比对应的开关角度向量；所述第一非线性方程组为：
通过所述非线性方程组求解函数fsolve()求解第二非线性方程组，来确定所述第二控制模式的条件下不同电压调制比对应的开关角度向量；所述第二非线性方程组为：
其中，udc为所述npc多电平变流器直流侧电压。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种特定谐波消除脉宽调制变模式控制装置，用于二极管钳位型npc多电平变流器，包括：
调制比确定模块，用于在电网网压不不平衡工况下，计算当前的电压调制比m和相位角；
模式选择模块，用于将所述电压调制比与预设调制比阈值进行比较，若小于所述预设调制比阈值，则选择第一控制模式，若大于所述预设调制比阈值，则选择第二控制模式；其中，所述第一控制模式用于控制所述npc多电平变流器的输出电流平衡且全部奇数次谐波为0，所述第二控制模式用于控制n次谐波为0，n＝6j±1，j为正整数；
开关角查询模块，用于依据选择的控制模式查询对应的预设开关角存储表，得到所述电压调制比对应的开关角度；
脉冲控制模块，用于依据所述相位角以及得到的所述开关角度生成脉冲信号驱动所述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。
优选地，所述模式选择模块具体包括：
第一选择单元，用于将所述电压调制比与第一预设调制比阈值进行比较，得到第一比较结果；
第二选择单元，用于将将所述电压调制比与第二预设调制比阈值进行比较，得到第二比较结果；
模式选择单元，用于依据所述第一比较结果与所述第二比较结果进行分析，若所述电压调制比小于所述第一预设调制比阈值，则选择第一控制模式，若所述电压调制比大于所述第二预设调制比阈值，则选择第二控制模式。
优选地，所述开关角存储表生成模块具体包括：
第一模式确定单元，用于通过非线性方程组求解函数fsolve()求解第一非线性方程组，来确定所述第一控制模式的条件下不同电压调制比对应的开关角度向量；所述第一非线性方程组为：
第二模式确定单元，用于通过所述非线性方程组求解函数fsolve()求解第二非线性方程组，来确定所述第二控制模式的条件下不同电压调制比对应的开关角度向量；所述第二非线性方程组为：
本发明提供了一种特定谐波消除脉宽调制变模式控制方法及其装置，用于二极管钳位型npc多电平变流器，在电网电压不平衡工况下，根据当前计算得到电压调制比选择相应的控制模式，在电压调制比较低的情况下，选择控制输出电流平衡此时变流器处于完全可控状态，因此可以使全部奇数次谐波为0；电压调制比较高的情况下，表明变流器已经出现过压的情况，此时若想要保证变流器可控，则仅控制n次谐波为0，n＝6j±1，j为正整数；之后依据控制模式选择相应的开关角进而输出脉冲信号驱动npc多电平变流器。可见，本发明在电网电压不平衡的情况下，能够保证变流器始终可控，且输出电流尽可能平衡，即使输出电流不平衡也能够保证主要次谐波为0，控制效果好。
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为本发明提供的一种特定谐波消除脉宽调制变模式控制方法的过程的流程图；
图3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4为本发明提供的一种特定谐波消除脉宽调制变模式控制方法中的正负序电流控制过程的示意图；
图5为本发明提供的一种特定谐波消除脉宽调制变模式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特定谐波消除脉宽调制变模式控制方法及其装置，能够尽可能保证输出电流可控，且尽可能保证减小主要谐波，提高控制效果。
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。
本发明提供了一种特定谐波消除脉宽调制变模式控制方法，用于npc(neutralpointclamped，二极管钳位型)多电平变流器，参见图2所示，图2为本发明提供的一种特定谐波消除脉宽调制变模式控制方法的过程的流程图；该方法包括：
步骤s1：在电网网压不平衡工况下，计算当前的电压调制比m和相位角；
步骤s2：将电压调制比与预设调制比阈值进行比较，若小于预设调制比阈值，则选择第一控制模式，若大于预设调制比阈值，则选择第二控制模式；其中，第一控制模式用于控制npc多电平变流器的输出电流平衡且全部奇数次谐波为0，第二控制模式用于控制n次谐波为0，n＝6j±1，j为正整数；
其中，这里的预设调制比阈值优选不小于第一控制模式下电压调制比的最大可控值，因为在第一控制模式下，谐波抑制效果较好且能够控制输出电流平衡，一般只有在电压调制比过高，第一控制模式不可控的情况下，才会转为第二控制模式进行控制。
步骤s3：依据选择的控制模式查询对应的预设开关角存储表，得到电压调制比对应的开关角度；
步骤s4：依据相位角以及得到的开关角度生成脉冲信号驱动npc多电平变流器。
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。
可以理解的是，不同的控制模式所对应的相位角范围以及电压调制比范围是预先通过实验确定的。预设开关角存储表是预先在不同控制模式下确定开关角度与电压调制比的对应关系并进行存储后得到的。
具体的，这里的预设开关角存储表的获得过程为：
通过非线性方程组求解函数fsolve()求解第一非线性方程组，来确定第一控制模式的条件下不同电压调制比对应的开关角度向量；第一非线性方程组为：
通过非线性方程组求解函数fsolve()求解第二非线性方程组，来确定第二控制模式的条件下不同电压调制比对应的开关角度向量；第二非线性方程组为：
本发明中的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。
参见图3所示，图3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：
进一步可知，在对于三相三线制系统，不考虑电压谐波时，电网相电压uga,b,c可表示如下：
其中，v+、v-分别为电压正序、负序分量的幅值，
由于变流器通过调节自身输出电压uca,b,c实时改变加在滤波器(主要是滤波电感，假设三相滤波器参数一致)两端的电压ula,b,c以控制输出电流的变化，因此(以输出基波电流的并网变流器为例)，若要保证输出电流平衡，需要加在三相电感上的电压平衡，即vl-为0，ula,b,c可表示为如下关系式：
其中，vl、
进一步，根据基尔霍夫电压定律(kvl)，有uca,b,c＝uga,b,c+ula,b,c，即变流器输出电压uca,b,c为：
其中，vc+、vc-分别为输出电压正序、负序分量的幅值，
根据以上关系式可知，在电网电压不平衡工况下，要保证输出电流平衡，变流器输出电压必然不平衡，此时三相电压中3的奇数倍数次谐波不能相互抵消。因此若要保证变流器输出电流不含3的奇数倍数次谐波，非线性方程组可细化为第一非线性方程组：
另外，在电网电压不平衡工况下，如果保持变流器输出电压平衡(输出电流不平衡)，则三相电压中3的奇数倍数次谐波相互抵消，此时非线性方程组中不需要额外限制3的奇数倍数次谐波为0，只需限制n＝6j±1(j为正整数)次谐波为0，在这种限制条件下，即使调制比超出第一控制模式的控制范围，也可由第二控制模式进行控制，因此第二控制模式对应的非线性方程组可细化为第二非线性方程组：
其中，udc为所述npc多电平变流器直流侧电压。
通过实验可得，在采用函数fsolve()求解第一非线性方程组后，可得到电压调制比的可控范围区间近似为m∈[0,1)，采用函数fsolve()求解第二非线性方程组后，可得到电压调制比的可控范围区间近似为m∈[0,1.6)，因此，可以在m∈[0,1)区间内采用第一控制模式进行控制，在超出m∈[0,1)区间后采用第二控制模式进行控制，当然，本发明不限定预设调制比阈值的具体数值。
作为优选地，第二控制模式具体包括第一子模式以及第二子模式，第一子模式用于控制npc多电平变流器的输出电流平衡且n次谐波为0，第二子模式用于控制npc多电平变流器的输出电压平衡且n次谐波为0。
其中，具体选择第一子模式还是第二子模式可由用户依据需要而定，本发明不限定两个模式之间的选择条件。
另外，步骤s2的过程具体为：
将电压调制比分别与第一预设调制比阈值以及第二预设调制比阈值进行比较，若小于第一预设调制比阈值，则选择第一控制模式，若大于第二预设调制比阈值，则选择第二控制模式。
可以理解的是，第一预设调制比阈值小于第二调制比阈值，两者之间为模式切换过渡区。在模式切换过渡区内，其控制模式仍处于切换过渡前的控制模式，模式切换过渡区起到延迟变化的作用，例如，从电压调制比之前小于第一预设调制比阈值，此时为第一控制模式，之后电压调制比进入模式切换过渡区，此时仍保持第一控制模式。
作为优选地，参见图4所示，图4为本发明提供的一种特定谐波消除脉宽调制变模式控制方法中的正负序电流控制过程的示意图；其中，sw为变模式选择开关，采用正、负序dq同步坐标系下的电流分离控制(下标+、-分别表示正、负序同步坐标系，下标d、q分别表示同步坐标系下d轴、q轴分量)；
依据预设正负序电压幅值相位关系式确定各种控制模式下npc多电平变流器的正负序参考电压；
预设正序电压幅值相位关系式为：
预设负序电压幅值相位关系式为：
依据正负序参考电压以及三相电压幅值相位关系式确定各种控制模式下npc多电平变流器的三相参考电压；
需要注意的是，上述操作为在正式调制控制之前，预先人为控制变模式选择开关的导通模式，并计算该模式下的调制比范围和相位角范围，上述三相参考电压为调制比范围和相位角范围计算过程中的中间参量。
可以理解的是，通过采用正负序电流分离控制策略，能够保证在在一定调制比范围内电网电压不平衡工况下的变流器输出电流平衡且thd(totalharmonicdistortion，总的谐波畸变率)最小。
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。
本发明提供了一种特定谐波消除脉宽调制变模式控制方法，用于二极管钳位型npc多电平变流器，在电网电压不平衡工况下，根据当前计算得到的电压调制比选择相应的控制模式，在电压调制比较低的情况下，选择控制输出电流平衡此时变流器处于完全可控状态，因此可以使全部奇数次谐波为0；电压调制比较高的情况下，表明变流器已经出现过压的情况，此时若想要保证变流器可控，则仅控制n次谐波为0，n＝6j±1，j为正整数；之后依据控制模式选择相应的开关角进而输出脉冲信号驱动npc多电平变流器。可见，本发明在电网电压不平衡的情况下，能够保证变流器始终可控，且输出电流尽可能平衡，即使输出电流不平衡也能够保证主要次谐波为0，控制效果好。
本发明还提供了一种特定谐波消除脉宽调制变模式控制装置，用于二极管钳位型npc多电平变流器，参见图5所示，图5为本发明提供的一种特定谐波消除脉宽调制变模式控制装置的结构示意图。该装置包括：
调制比确定模块1，用于在电网网压不不平衡工况下，计算当前的电压调制比m和相位角；
模式选择模块2，用于将电压调制比与预设调制比阈值进行比较，若小于预设调制比阈值，则选择第一控制模式，若大于预设调制比阈值，则选择第二控制模式；其中，第一控制模式用于控制npc多电平变流器的输出电流平衡且全部奇数次谐波为0，第二控制模式用于控制n次谐波为0，n＝6j±1，j为正整数；
开关角查询模块3，用于依据选择的控制模式查询对应的预设开关角存储表，得到电压调制比对应的开关角度；
脉冲控制模块4，用于依据计算得到的相位角以及得到的开关角度生成脉冲信号驱动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。
其中，模式选择模块2具体包括：
第一选择单元，用于将电压调制比与第一预设调制比阈值进行比较，得到第一比较结果；
第二选择单元，用于将将电压调制比与第二预设调制比阈值进行比较，得到第二比较结果；
模式选择单元，用于依据第一比较结果与第二比较结果进行分析，若电压调制比小于第一预设调制比阈值，则选择第一控制模式，若电压调制比大于第二预设调制比阈值，则选择第二控制模式。
其中，开关角存储表生成模块5具体包括：
第一模式确定单元，用于通过非线性方程组求解函数fsolve()求解第一非线性方程组，来确定第一控制模式的条件下不同电压调制比对应的开关角度向量；第一非线性方程组为：
第二模式确定单元，用于通过非线性方程组求解函数fsolve()求解第二非线性方程组，来确定第二控制模式的条件下不同电压调制比对应的开关角度向量；第二非线性方程组为：
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。
本发明提供了一种特定谐波消除脉宽调制变模式控制装置，用于二极管钳位型npc多电平变流器，在电网电压不平衡工况下，根据当前计算得到的电压调制比选择相应的控制模式，在电压调制比较低的情况下，选择控制输出电流平衡此时变流器处于完全可控状态，因此可以使全部奇数次谐波为0；电压调制比较高的情况下，表明变流器已经出现过压的情况，此时若想要保证变流器可控，则仅控制n次谐波为0，n＝6j±1，j为正整数；之后依据控制模式选择相应的开关角进而输出脉冲信号驱动npc多电平变流器。可见，本发明在电网电压不平衡的情况下，能够保证变流器始终可控，且输出电流尽可能平衡，即使输出电流不平衡也能够保证主要次谐波为0，控制效果好。
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。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！