本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种三相四桥臂逆变器随机脉冲位置3d-svpwm控制系统及其方法。
背景技术
随着电力电子技术的快速发展，各种非线性负载的应用越来越普遍，通常要求ups或逆变器具有对不平衡和非线性负载供电的能力，这时传统的三相三桥臂逆变器就显得无能为力。三相四桥臂逆变拓扑是近年来研究比较广泛的一种逆变拓扑结构，它可直接对中性电流进行控制，具有控制灵活、无需大的直流链接电容等优点。
国内外已有不少学者对于三相四桥臂逆变器的调制策略进行研究，三维空间矢量脉宽调制(3d-svpwm)策略由于具有直流母线电压利用率高等优点而被广泛应用。然而采用该控制策略的逆变器通常工作在恒定的开关频率下，使得在开关频率整数倍处出现幅值较大的谐波，对电力系统的危害十分广泛：于系统而言，这些谐波是主要的电磁干扰源，谐波降低了系统的电磁兼容品质，严重时甚至会影响系统中其他器件和设备的正常运行；于负载而言，谐波会引起不期望的损耗，产生开关噪声。减小开关噪声辐射的最佳方式是使逆变器的开关频率达到18khz以上，但这种方式极大地增加了逆变器的开关损耗。
本发明的方案便是针对上述问题对现有三相四桥臂逆变器进行的改进。
技术实现要素：
为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种三相四桥臂逆变器随机脉冲位置3d-svpwm控制系统及其方法，以改善3d-svpwm调制策略造成的谐波问题，将集中在开关频率整数倍处的谐波幅值均匀的分布到整个频域范围内，能够在较低的开关频率下减小谐波引起的噪声等不良效应。
为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：
本发明公开了一种三相四桥臂逆变器随机脉冲位置3d-svpwm控制系统，包括三相四桥臂逆变器、随机数发生器、矢量作用时间模块、开关动作时间模块、三相正弦波发生器和3d-svpwm发生器，其中：
所述三相正弦波发生器与所述3d-svpwm发生器相连接，用于产生三相正弦波并由导线传输给所述3d-svpwm发生器；
所述随机数发生器与所述矢量作用时间模块相连接，用于根据随机数生成算法生成四个随机变量并传输给所述矢量作用时间模块；
所述矢量作用时间模块分别与所述随机数发生器和开关动作时间模块相连接，用于根据接收到的随机变量计算工作电压矢量的作用时间并传输给所述开关动作时间模块；
所述开关动作时间模块分别与所述矢量作用时间模块和3d-svpwm发生器相连接，用于根据接收到的作用时间计算三相四桥臂逆变器上下开关管的动作时间并传输给3d-svpwm发生器；
所述3d-svpwm发生器分别与所述三相正弦波发生器、开关动作时间模块和三相四桥臂逆变器相连接，用于根据接收到的三相正弦波、矢量作用时间及设定的开关周期产生pwm控制信号并通过导线传出给所述三相四桥臂逆变器拓扑结构的igbt开关管。
本发明另外公开了一种三相四桥臂逆变器随机脉冲位置3d-svpwm控制方法，包括以下步骤：
步骤1：构建三相四桥臂逆变器随机脉冲位置3d-svpwm方法控制系统；
步骤2：三相正弦波发生器产生三相正弦波传输给3d-svpwm发生器；
步骤3：随机数发生器根据随机数生成算法生成四个随机变量ξ1、ξ2、ξ3、ξ4，并传输给矢量作用时间模块；
步骤4：矢量作用时间模块根据接收到的随机变量计算工作电压矢量在一个三角载波周期中的作用时间t0，t1，t2，t3，并传输给开关动作时间模块；
步骤5：开关动作时间模块根据接收到的作用时间t0，t1，t2，t3计算逆变器a、b、c、f四个桥臂脉冲位置的随机变化范围trnd1、trnd2、trnd3、trnd4；
步骤6：3d-svpwm波发生器根据接收到的三相正弦波、a、b、c、f四个桥臂脉冲位置的随机变化范围trnd1、trnd2、trnd3、trnd4以及设定的开关周期ts，产生3d-svpwm波，并传输给三相四桥臂逆变器。
进一步的，所述步骤3中，产生随机数的数学算法为线性同余法。
进一步的，所述线性同余法的递推公式是：
nj+1＝(a×nj+b)(同余m)(j＝0，1，2......)
其中，nj为j时刻值，nj+1为j+1时刻值，a，b，m是设计者自行选择的参数，要求满足下列条件：
条件1：a，b是正整数；
条件2：b，m互质；
条件3：若m是4的倍数，则a-1也是；
条件4：m的所有质因子的积能整除a-1；
条件5：a，b，n0(nj，j＝0)都比m小。
根据以上理论计算出的序列nj就是随机变量ξ1、ξ2、ξ3、ξ4。
进一步的，所述步骤3中，四个随机变量ξ1、ξ2、ξ3、ξ4的生成周期相同，且均为开关周期ts。
进一步的，所述步骤4中，矢量作用时间模块在计算工作电压矢量在一个三角载波周期中的作用时间t0，t1，t2和t3时服从伏秒平衡法则，即当合成参考矢量v*的工作电压矢量为v0，v1，v2和v3时，满足：
进一步的，所述步骤5中，a、b、c、f四个桥臂脉冲位置的随机变化范围trnd1、trnd2、trnd3、trnd4在保证空间矢量调制的开关顺序不变的前提下，可以是对应调制区间任意位置内的任意值。
进一步的，在每个采样周期中，各桥臂pwm的脉冲位置由随机数决定。
进一步的，各桥臂的脉冲位置在一个开关周期中随机变化。
进一步的，开关周期是固定的。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
本发明提出的一种三相四桥臂逆变器随机脉冲位置3d-svpwm控制系统及其方法能够在不增加thd(totalharmonicdistortion，总谐波失真)的情况下，将开关频率处的高次谐波分散到一定范围内，减低了系统的电磁干扰。有效改善了3d-svpwm调制策略造成的谐波问题，将集中在开关频率整数倍处的谐波幅值均匀的分布到整个频域范围内，能够在较低的开关频率下减小谐波引起的噪声等不良效应。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，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。附图中：
图1为三相四桥臂逆变器的拓扑结构示意图；
图2为本发明一种三相四桥臂逆变器随机脉冲位置3d-svpwm控制系统原理图；
图3为本发明实施例调制算法各桥臂脉冲波形示意图；
图4为本发明实时例调制算法在不同开关周期的开关函数示意图。
具体实施方式
以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例一
如图1所示为三相四桥臂逆变器的拓扑结构示意图，该拓扑是在传统的三相三桥臂逆变器中加入第四相桥臂，且该桥臂的中点与输出负载相连接，因此，负载上必会流入中性点电流。该拓扑结构具有较高的冗余度，其输出电压更具独立性，能够完全实现对输出相电压的解耦控制，即使逆变器输出接三相不对称、非线性负载，该拓扑都能得到对称的三相输出。图中，每个桥臂由两个igbt和相应的续流二极管组成，pwm开关信号s1和s2、s3和s4、s5和s6、s7和s8均为互补对称输出，udc为直流母线电压，ln为中线电感。
具体的如图2所示，本发明公开了一种三相四桥臂逆变器随机脉冲位置3d-svpwm控制系统，包括三相四桥臂逆变器、随机数发生器、矢量作用时间模块、开关动作时间模块、三相正弦波发生器和3d-svpwm发生器，其中：
所述三相正弦波发生器与所述3d-svpwm发生器相连接，用于产生三相正弦波并由导线传输给所述3d-svpwm发生器；
所述随机数发生器与所述矢量作用时间模块相连接，用于根据随机数生成算法生成四个随机变量并传输给所述矢量作用时间模块；
所述矢量作用时间模块分别与所述随机数发生器和开关动作时间模块相连接，用于根据接收到的随机变量计算工作电压矢量的作用时间并传输给所述开关动作时间模块；
所述开关动作时间模块分别与所述矢量作用时间模块和3d-svpwm发生器相连接，用于根据接收到的作用时间计算三相四桥臂逆变器上下开关管的动作时间并传输给3d-svpwm发生器；
所述3d-svpwm发生器分别与所述三相正弦波发生器、开关动作时间模块和三相四桥臂逆变器相连接，用于根据接收到的三相正弦波、矢量作用时间及设定的开关周期产生pwm控制信号并通过导线传出给所述三相四桥臂逆变器拓扑结构的igbt开关管。
实施例二
本发明另外公开了一种三相四桥臂逆变器随机脉冲位置3d-svpwm控制方法，包括以下步骤：
步骤1：构建三相四桥臂逆变器随机脉冲位置3d-svpwm方法控制系统；
该控制系统包括三相四桥臂逆变器、随机数发生器、矢量作用时间模块、开关动作时间模块、三相正弦波发生器、3d-svpwm发生器。三相正弦波发生器首先产生三相正弦波由导线传输给所述3d-svpwm发生器，矢量作用时间模块根据随机数发生器产生的随机数计算工作电压矢量的作用时间，开关动作时间模块计算三相四桥臂逆变器上下开关管的动作时间并传输给3d-svpwm发生器，3d-svpwm发生器根据接收到的三相正弦波、矢量作用时间及设定的开关周期产生pwm控制信号并通过导线传出给三相四桥臂逆变器拓扑结构的igbt开关管。
步骤2：三相正弦波发生器产生三相正弦波传输给3d-svpwm发生器；
步骤3：随机数发生器根据随机数生成算法生成四个随机变量ξ1、ξ2、ξ3、ξ4，并传输给矢量作用时间模块；
在步骤3中，产生随机数的数学算法为线性同余法，即，随机数发生器采用线性同余法产生随机数。所述线性同余法的递推公式是：
nj+1＝(a×nj+b)(同余m)(j＝0，1，2......)
其中，nj为j时刻值，nj+1为j+1时刻值，a，b，m是设计者自行选择的参数，要求满足下列条件：
条件1：a，b是正整数；
条件2：b，m互质；
条件3：若m是4的倍数，则a-1也是；
条件4：m的所有质因子的积能整除a-1；
条件5：a，b，n0(nj，j＝0)都比m小。
根据以上理论计算出的序列nj就是随机变量ξ1、ξ2、ξ3、ξ4。
进一步的，所述步骤3中，四个随机变量ξ1、ξ2、ξ3、ξ4的生成周期相同，且均为开关周期ts。
步骤4：矢量作用时间模块根据接收到的随机变量计算工作电压矢量在一个三角载波周期中的作用时间t0，t1，t2，t3，并传输给开关动作时间模块；
在步骤4中，矢量作用时间模块在计算工作电压矢量在一个三角载波周期中的作用时间t0，t1，t2和t3时服从伏秒平衡法则，即当合成参考矢量v*的工作电压矢量为v0，v1，v2和v3时，满足：
步骤5：开关动作时间模块根据接收到的作用时间t0，t1，t2，t3计算逆变器a、b、c、f四个桥臂脉冲位置的随机变化范围trnd1、trnd2、trnd3、trnd4；
在步骤5中，a、b、c、f四个桥臂脉冲位置的随机变化范围trnd1、trnd2、trnd3、trnd4在保证空间矢量调制的开关顺序不变的前提下，可以是对应调制区间任意位置内的任意值。且在每个采样周期中，各桥臂pwm的脉冲位置由随机数决定。各桥臂的脉冲位置在一个开关周期中随机变化。此外，开关周期是固定的。
图3为本发明实施例调制算法各桥臂脉冲波形示意图，此时参考矢量位于i号三棱柱的第三个四面体。trnd1、trnd2、trnd3、trnd4分别表示a、b、c、f四个桥臂脉冲位置的随机变化范围。a桥臂的脉冲可以在调制区间的任意位置随机变化，为了保证空间矢量调制的开关顺序不变，另外三个桥臂的脉冲位置必须在上一桥臂的脉冲范围内随机变化。在随机化的过程中，仅仅改变了基本矢量v5，v7，v8和v0的作用时刻，而基本矢量的作用时间保持不变，根据伏秒平衡原理，合成的参考矢量v*不变，有
v*ts＝t5v5+t7v7+t8v8+t0v0(1)
式中，ts＝t5+t7+t8+t0，t0为零矢量的作用时间，t5、t7、t8为有效矢量v5，v7，v8的作用时间。
图4为本发明实施例调制算法在不同开关周期的开关函数示意图。由图4可知，本实施例调制算法各桥臂pwm脉冲可以在开关周期的任意位置随机分配，随机化程度高，具有较好的随机效果。
步骤6：3d-svpwm波发生器根据接收到的三相正弦波、a、b、c、f四个桥臂脉冲位置的随机变化范围trnd1、trnd2、trnd3、trnd4以及设定的开关周期ts，产生3d-svpwm波，并传输给三相四桥臂逆变器。
本发明提出的一种三相四桥臂逆变器随机脉冲位置3d-svpwm控制系统及其方法能够在不增加thd(totalharmonicdistortion，总谐波失真)的情况下，将开关频率处的高次谐波分散到一定范围内，减低了系统的电磁干扰。有效改善了3d-svpwm调制策略造成的谐波问题，将集中在开关频率整数倍处的谐波幅值均匀的分布到整个频域范围内，能够在较低的开关频率下减小谐波引起的噪声等不良效应。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。