多倍频均匀化载波斜率随机分布脉宽调制方法与流程

本发明属于电力电子技术领域，具体地指一种多倍频均匀化载波斜率随机分布脉宽调制方法。

背景技术：

在电力电子技术中，开关频率固定的脉宽调制技术已经被广泛应用，但其输出谐波在开关频率及其倍频附近存在大量峰值，这些谐波是产生噪声和机械振动的主要原因。

研究人员常通过增设滤波器和减振降噪设备达到抑制电磁干扰、减振降噪的目的。这些方法的缺点明显，比如有源滤波器的成本高，谐波检测和补偿复杂；无源滤波器动态响应速度慢，对快速变化过程的滤波效果不佳；附加的滤波减振装置占用大量空间、增加设备的整体重量，对于空间和载重有限的诸多设备而言，这些方法并不是理想的解决之道。

上世纪九十年代，a.m.trzynadlowski通过控制开关器件的通断改变占空比，提出了随机脉宽调制技术。在a.m.trzynadlowski及其所在团队的研究中，认为只要随机载波序列的个数足够多、随机数序列之间的随机程度足够高，突出的谐波谐波峰值就会分散至其他频点，理想情况下谐波谱线可趋近于白噪声。随机脉宽调制技术能够使谐波在更广的频域内均匀分布，是改善输出电压谐波性能的有效手段。

在a.m.trzynadlowski所提出的的模型础上，国内外研究人员通过改变“开关频率表和/或到同位置”，提出了许多随机脉宽调制策略。典型的研究包括海军工程大学吴正国、马丰民、李玉梅等人对随机载波序列所服从的分布规律与输出电压谐波频域分布之间的关系进行了对比分析，得出随机分布类型对谐波频域分布影响不大的结论。同时他们也通过实验对随机载波频率的上下线取值开展了研究，得到了随机载波变化范围在调制波频率的四到五倍之间变化的输出电压谐波频谱变化规律。中国地质大学王庆义在固定开关频率的基础上随机化零矢量作用时间，使得固定开关频率处的谐波峰值趋向均匀化。

总体而言，现有随机脉宽调制技术仍以a.m.trzynadlowski所提出的模型为基础选择不同的“随机函数”以获得频域分布更为均匀的谐波，但无论如何改变随机调制策略，都难以削减一倍载频附近突出的最大单次谐波风致，也无法改变一倍载频附近谐波谱线最为密集、幅值更为突出的现状。

技术实现要素：

本发明的目的是针对随机脉宽调制技术的输出谐波在低倍次载频附近存在突出的最大单次谐波频谱幅值、谐波谱线分布密集的问题，而提出的一种多倍频均匀化载波斜率随机分布脉宽调制方法；这一方法将载波移相脉宽调制中“等效载波倍频”的原理与载波斜率随机分布脉宽调制技术相结合，可在不改变随机载波序列均值和方差的前提下，极大地提高谐波的频域分布带宽，实现载波及其倍频附近的多个谐波峰值在更广的频域内均匀分布。

为实现上述目的，本发明所设计的一种多倍频均匀化载波斜率随机分布脉宽调制方法，其特殊之处在于，用多倍频均匀化载波斜率随机分布脉宽调制方法使以各倍次载频为中心、对称分布谐波的等效带宽增加，实现扩大谐波在频域内均匀分布，具体步骤包括：

(1)选择需要的随机载波序列和调制波，二者进行比较后产生用于脉宽调制的开关器件驱动信号；

(2)确定所述随机载波序列的等效载波频率f的倍数n，选择与之匹配的载波移相脉宽调制的主电路拓扑；

(3)将所述步骤(1)中产生的开关器件驱动信号输入至步骤(2)中的主电路拓扑，进行多倍频均匀化载波斜率随机分布脉宽调制。

优选地，所述随机载波序列的概率统计参数提前设定，随机载波序列的平均载波频率为fav、对应的随机载波周期的方差为to²、随机载波序列的重复时间为t，以此控制输出电压谐波的频域分布。

优选地，所述随机载波频率平均值fav与调制波的频率相等，以保证在相同的时间内开关次数相等，即开关损耗不变。

优选地，所述等效载波频率f的倍数n＝4，所述主电路拓扑采用双h桥级联的逆变模块。所述等效载波频率f的倍数n＝6，所述主电路拓扑采用三h桥级联的逆变模块。

本发明的优点在于：

1)与随机脉宽调制方法相比，多倍频均匀化载波斜率随机分布脉宽调制方法在不改变随机载波序列的均值、方差等概率统计参数的情况下，极大地扩展谐波谱线的分布范围，削减最大单次谐波峰值；

2)与随机脉宽调制方法相比，多倍频均匀化载波斜率随机分布脉宽调制方法可以使谐波频谱在更广的频域内分布，是谐波谱线趋近于白噪声；

3)多倍频均匀化载波斜率随机分布脉宽调制技术能够在不改变脉宽调制主电路拓扑的情况下，从源头上降低电力系统内部电磁干扰、减小机械振动和噪声，为有效解决电力系统内部的电磁干扰问题和系统外部的振动噪声问题提供了新的途径；减振降噪不依赖于附加设备，缩减了滤波和减振成本，节约了系统资源。

附图说明

图1为双h桥级联主电路拓扑图；

图2为五电平载波移相脉宽调制示意图；

图3为谐波频移基本原理图；

图4为载波斜率随机分布脉宽调制技术谐波功率谱示意图；

图5为两种脉宽调制输出电压的fft分析示意图。

图6为载波移相脉宽调制示意图；

图7为载波移相脉宽调制输出电压谐波频域分布图；

图8为多倍频均匀化载波移相脉宽调制谐波功率谱图；

图9为固定载波移相脉宽调制相/线电压及fft分析图；

图10为多倍频均匀化载波斜率随机分布脉宽调制相/线电压及fft分析图；

图11为实验时固定载波移相脉宽调制和多倍频均匀化载波斜率随机分布脉宽调制输出线电压及fft分析图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明一种多倍频均匀化载波斜率随机分布脉宽调制方法，通过载波移相脉宽调制等效的提高载波频率，同时结合载波斜率随机分布脉宽调制技术分散载波及其倍频附近的谐波峰值，也即：用多倍频均匀化载波斜率随机分布脉宽调制方法使以各倍次载频为中心、对称分布谐波的等效带宽增加，达到扩大谐波在频域内均匀分布的目的。

采用所述的多倍频均匀化载波斜率随机分布脉宽调制方法时，具体包括如下步骤：

(1)选择合适的随机载波序列和调制波，二者进行比较后产生用于脉宽调制的开关器件驱动信号。

随机载波序列的概率统计参数提前设定：随机载波序列的平均载波频率为fav、对应的随机载波周期的方差为to²、随机载波序列的重复时间为t，以此控制输出电压谐波的频域分布。随机载波频率平均值fav与需要调制的固定载波频率的频率相等，以保证在相同的时间内开关次数相等，即开关损耗不变。

(2)确定等效载波频率f的倍数n，选择与之匹配的载波移相脉宽调制的主电路拓扑。

(3)将步骤(1)中产生的开关器件驱动信号用于步骤(2)中的主电路拓扑，进行多倍频均匀化载波斜率随机分布脉宽调制。

比如，选择服从均匀分布的随机载波序列s，随机载波序列的平均载波频率为fav，调制波频率为fo，等效载波频率的倍数n＝4，如图1所示。选择双h桥级联的逆变模块，s1～s8为开关器件，ui、c1分别为直流侧电压和支撑电容，b1、b2、b3和b4分别为上下h桥的左右桥臂。ub1和ub2分别为上h桥桥臂b1和b2的中点电压，ub3和ub4分别为下h桥桥臂b3和b4的中点电压，h桥型逆变器之间采用交错控制技术，即载波移相控制，从而达到4倍频工作的效果，将四组随机载波序列错开一定的相位，对应的将四个不同相位的随机载波序列分别与调制波进行比较，生成相对独立的四组脉宽调制信号ub1～ub4，驱动功率单元，各功率单元的输出叠加即得到五电平输出相电压uo，此时等效的平均载波频率为4fav。

图2所示为五电平载波移相pwm调制方法原理图，图2中uc1、uc2、uc3和uc4分别为b1、b2、b3和b4桥臂的载波，us为调制波，对于一个五电平变换器，4个互相错开90°的三角载波分别与调制波进行比较，生成相对独立的4组两两互反的pwm调制信号，去驱动8个功率单元，每一个h桥单元退化为两电平的pwm控制，上下h桥的输出相加生成一个等效五电平脉宽调制波形。

设置等效载波频率f的倍数n＝6，则主电路拓扑采用三h桥级联的逆变模块，其原理与n＝4时相同，在此不再赘述。

本发明的研究过程如下：

载波斜率随机分布脉宽调制技术

在固定载波脉宽调制基础上引入随机载波，那么载波斜率随机分布脉宽调制技术输出电压谐波可用下式进行表示：

可以看到，载波斜率随机分布脉宽调制输出电压谐波部分包含多个随机载波，故谐波展开的规律也就不再是单一的载波频率。随机载波部分进行傅里叶变换后，可用式(2.2)进行表示：

这一过程如图3所示。

由图3和式(2)可知，谐波频域内的搬移的频点由多个随机载波决定。如若在同一时间内保持随机脉宽调制脉冲个数与固定载波频率脉宽调制的脉冲个数相等，并随机地改变载波，那么便可保证在开关损耗不变的同时改变谐波在频域内的分布规律。也即所有可按傅里叶级数展开的信号谐波将以不同的载波频率为规律，在频域内分散，谐波在频域内的谱线不再仅仅于某一固定的载波频率及其倍频附近集中，继而达到拓宽谐波频谱分布、分散谐波能量的目的。

在前期研究中(一种低电磁干扰载波斜率随机分布脉宽调制技术.中国电机工程学报.2017，37(14)：4175-4183)，输出电压谐波分布范围与随机载波序列的方差、平均载波频率的三次方成正比：

其中，b为谐波的3db带宽，fav为随机载波序列频率的均值，to²为随机载波序列周期的方差。

在随机脉宽调制技术的工程应用中，随机载波序列的平均载波频率一般保持与固定载波脉宽调制时的载波频率相同，以保证相同的重复调制时间t内开关损耗相同。联立式(3)和式(4)，如果要扩大各倍次载频对应的带宽、增加谐波在频域内的分散程度，一般通过改变随机载波序列的周期的方差，但改变随机载波序列的周期的方差需涉及随机载波序列的诸多概率统计参数的变化，需要考虑的变量较多。

根据前述研究以及式(3)和式(4)，可得载波斜率随机分布脉宽调制技术输出电压的功率谱示意图如图4所示。

在图4所示的载波斜率随机分布脉宽调制技术中，各倍次谐波谱线的分布范围以载频及其倍频为中心对称分散，各倍次载波对应式(1)的谐波扩散范围为2fi，但高倍次载频对应的3db带宽比低倍次载波对应的要大，也就是说高频段谐波将向低频段扩散，导致低频段谱线混叠、幅值抬升；又因为一倍载频对应的3db带宽相对小、一倍载频附近的谐波幅值最高，在采用载波斜率随机分布脉宽调制后，一倍载频附近依旧存在一个明显的谐波集中段^[3]。

谐波的频域分布与功率谱类似，但谱线分布信息更为详细。在前期的研究中，将仿真时逆变器直流输入电压设定为100v，接阻值为10ω的负载，调制信号是频率fo设为217hz的正弦波，进行固定载波脉宽调制时，载波频率为2.5khz；进行载波斜率随机分布脉宽调制时，在一个重复的时间0.02秒内加入包含200个随机载波、均值为2.5khz、方差为1.81×10^-8的随机载波序列，得到输出电压谐波的时频域分布如图5所示。

载波移相脉宽调制技术

如图6所示，载波移相脉宽调制技术通过多个三角载波移相与调制波进行比较，产生需要的开关器件驱动信号。

对于n个级联的二电平h桥，三角载波的相位角依次错开π/n，第一个载波的初始相位为θc，第k个h桥的输出电压可用式(5)进行表示：

其中k＝1,2，…，n，u为h桥直流输入电压，m为幅值调制比，ωs为调制波的角频率，ωc为三角载波的角频率，j(x)为贝塞尔函数。

式(5)中第二项可根据三角函数的基本性质得到如下关系：

其中，k＝1,2,…，∞。根据式(6)，可将输出电压表达式写为：

根据式(7)可知，在载波移相脉宽调制中，当载波数目不是n的整数倍时，输出电压在该频点及其边频带便不存在谐波谱线；而载波数目是n的整数倍时，则等同于原二电平载频提高了n倍，此时，输出电压谐波将以等效载频及其倍频为中心进行对称分布，出现多个载波移相后的谐波谱线中心点。对于载波频率为fo的n个二电平h桥级联的载波移相脉宽调制，电压谐波频域分布示意图如图7所示。

载波移相脉宽调制技术能够将载波频率等效地提高，等同于将谐波谱线平移到更高的频段，与普通的固定载波脉宽调制谐波频域分布类似，依旧存在明显的谐波峰值。

多倍频均匀化载波斜率随机分布脉宽调制技术

在载波斜率随机分布脉宽调制技术基础上，如果将随机载波序列进行移相处理，则可由式(7)得到多倍频均匀化载波斜率随机分布脉宽调制输出电压：

式(8)中第二项为谐波部分，与式(7)的分析相同，进行载波移相后，等同于将每一个随机载波频率提高n倍，也就是说等效角频率为nωi、等效平均角频率为nfav；利用式(4)可知，各倍次平均载波对应的带宽也将增加n³倍。

如图8所示，相较于载波移相脉宽调制技术，多倍频均匀化载波斜率随机分布脉宽调制技术在nfav处的谐波谱线将随机均匀分布；相较于载波斜率随机分布脉宽调制技术而言，多倍频均匀化载波斜率随机分布脉宽调制输出电压谐波的功率谱3db带宽将是普通载波斜率随机分布脉宽调制的n³倍，并且由于谐波峰值最高的频点等效平移至nfav处，谐波将有更宽的范围用于扩展，随机载波序列的概率统计参数将有更宽的选取范围，也就可以使输出电压谐波在更广的频域内分布，尽可能的削减一倍载频附近的突出峰值，使谐波在整个频域内接近白噪声。

为说明多倍频均匀化载波斜率随机分布脉宽调制方法分散谐波的有效性，按照上述方法进行多倍频均匀化载波斜率随机分布脉宽调制仿真，同时进行固定载波频率的载波移相脉宽调制。

将仿真条件设定如下：逆变模块直流电压源设定为450v，调制波的频率设定为217hz，固定载波移相脉宽调制时载波频率设定为2.5khz，进行多倍频均匀化载波斜率随机分布脉宽调制时选择服从均匀分布的随机载波序列，将随机载波序列的平均频率为2.5khz，每一相逆变拓扑选择双h桥级联，也即使用四个不同相位的固定三角载波分别与调制波进行比较，生成相对独立的四组脉宽调制信号驱动二组功率单元，每个功率单元均为h桥逆变电路、依次串联，各功率单元的输出叠加即得到五电平输出相电压。在进行固定载波移相脉宽调制仿真时，得到单相输出相电压、线电压及其fft分析分别如图9(a)、(b)所示。

同等条件下，得到多倍频均匀化载波斜率随机分布脉宽调制的输出相电压、线电压及其fft分析分别如图10(a)、(b)所示。

由图9与图10可知，两种调制方法在217hz处的基频幅值接近780v，与理论值相符。固定载波移相脉宽调制输出相电压和线电压谐波在载波的四倍频10khz附近存在突出的峰值，其中最大值为基波幅值的13.60％，同时在20khz及其他倍频附近也存在较为明显的谐波峰值；而多倍频均匀化载波斜率随机分布脉宽调制输出相电压和线电压谐波在观察频域内不存在明显的谐波峰值，谐波谱线在较广的频域内均匀分布。

将实验条件与仿真相同，得到固定/随机载波移相脉宽调制线电压波形及其fft分析如图11(a)、(b)所示。

图11(a)、(b)和所示的实验波形与仿真波形类似。可以明显的观察到图11(a)所示的线电压频谱图在10khz附近存在多个较为明显的谐波峰值，而在20khz及其他倍频附近也存在明显的谐波谱线，其中最大单次谐波峰值达到了基波幅值的13.06％；图11(b)所示的线电压频谱在观察频域内均匀分布、不存在明显的谐波峰值，仅在10khz附近的谐波谱线较为密集、最大谐波峰值已经下降至基频幅值的5％左右。

多倍频均匀化载波斜率随机分布脉宽调制技术不仅兼具载波移相与随机脉宽调制的优点，在进行应用时，还有以下优势：

1)在随机载波序列方差和平均载波频率相同的情况下，多倍频均匀化载波斜率随机分布脉宽调制输出电压功率谱的等效带宽是普通载波斜率随机分布脉宽调制的n³倍；

2)可以通过改变平均载波频率获得较大的功率谱带宽。随机载波序列的方差与随机载波的变化范围密切相关，实际工程中开关器件的频率范围通常有限，限制了随机载波序列的方差取值，此时便可通过提高等效平均载波频率获得较大的谐波功率谱带宽；

3)提高随机载波序列的方差和/或随机载波序列的平均载波频率均可增加输出电压谐波的3db功率谱带宽，但提高随机载波序列的平均载波频率可以将最大单次谐波峰值平移至更高的频点。因此，在多倍频均匀化载波斜率随机分布脉宽调制中，改变随机载波序列的平均载波频率比改变随机载波序列的方差具有更多益处。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

最后需要说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本专利技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本专利进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本专利的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本专利的权利要求范围当中。