一种基于非等距载波的逆变器优化同步SPWM调制方法

本发明属于驱动电机的功率变换器领域。涉及一种逆变器脉宽调制方法。

背景技术：

1、逆变器在工业生产、电动汽车、轨道交通等领域得到了广泛的应用。一些工况下所应用的逆变器的功率比较大，由于散热以及开关损耗的限制，逆变器开关频率通常只有几百赫兹。在整个调速范围内，牵引电机的载波比(开关频率与输出基波频率的比值)变化范围大，载波比较低时(载波比≤15)，波形不对称的影响不能被忽略，采用同步调制。

2、逆变器输出波形谐波含量高、波形质量差，谐波没有被很好地抑制导致传动系统的控制性能变差。因此设计并选择高性能的同步调制策略来更好地抑制谐波对于提高系统性能具有重要意义。目前应用比较广泛的同步调制策略主要有空间矢量调制方法(spacevector modulation，svpwm)、载波调制方法(carrier modulation，spwm)和根据优化目标进行调制方法。其中根据优化目标进行调制的策略有特定谐波消除调制策略、电流谐波最小调制策略等，此类方法根据优化目标求解超越方程来得到开关角，可以对特定目标进行优化，缺点是计算大，实现复杂；svpwm与spwm通常可以相互等效实现，spwm是通过参考波形与载波的比较来获得逆变器中开关器件的控制脉冲，该策略具有更加灵活、易实现的特点，尤其在多电平拓扑结构逆变器中，获得更加广泛的应用。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于非等距载波的逆变器优化同步spwm调制方法。本发明在逆变器输出的基波周期内，输出波形满足三相、半波和四分之一周期对称，改变基波周期内载波宽度，形成非等距载波，提出了优化非等距载波的生成方法，通过参考电压与优化的非等距载波进行比较来得到优化同步spwm调制策略，使逆变器更好地对电压谐波进行抑制，提升逆变器整体性能。技术方案如下：

2、一种基于非等距载波的逆变器优化同步spwm调制方法，用于两电平三相逆变器，其特征在于：

3、(1)通过在基波电压中注入零序电压，提高直流电压利用率，获得优化的参考电压，设逆变器三相基波电压：

4、

5、式中：um为参考电压模值；ω为相电压角频率；三相相电压分别为ua、ub、uc；

6、注入零序电压为：

7、

8、式中：u0为零序电压；umax＝max{ua、ub、uc}；umin＝min{ua、ub、uc}；

9、注入零序电压后三相参考电压转变为：

10、

11、(2)确定设计原则和约束条件：

12、c)将基波周期依据ωt分为六个区域，每个区域为60°；规定区域i所在区间为60°～120°，其他区域依次排列；区域i、iii、v中的载波波形保持一致，区域ii、iv、vi所对应的载波波形也要保持一致；区域i与区域ii载波波形奇对称；区域i载波波形以中心线ωt＝90°偶对称；在区域i内60°～90°进行载波设计，称其为载波设计区，进而获得整个基波周期的载波波形；

13、d)区域i中心线ωt＝90°为载波波形的峰点或谷点；相邻区域分界线与载波波形相交于载波波形的中值点，中值点即载波波形最大值与最小值差值的二分之一；

14、(3)在单个基波周期范围内根据区域分布以及满足波形对称原则的情况下，载波按照一定的宽度比去改变载波宽度形成优化同步spwm调制策略，所述的宽度比是指在一个基波周期中不同载波的半波之间角度的比值。

15、进一步地，所述的优化同步spwm调制策略，包括下列步骤：

16、设定区域i中心线ωt＝90°为载波波形的峰点，寻优过程如下：

17、1)设定参考电压模值um、单个基波周期内载波个数相关参数m，m为大于等于3的奇数、寻优步长λ，设定电压谐波评价指标加权总谐波畸变率初值vwthd0＝100％；单个基波周期内载波个数fc＝3m，则单个基波周期内三角载波半波的个数为6m；i区即60°～120°内三角载波半波的数量为m，载波设计区内三角载波半波的数量m/2；设n＝(m+1)/2，令n＝n1+n2，n1、n1和n2分别代表两种不同宽度载波半波个数，n1的初值为1；n1对应的载波半波所占角度为α，n2对应的载波半波所占角度为β，定义宽度比k为α和β的比值，即两种非等距载波的宽度比；通过确定合适的n1、n2和k值获得优化的载波，对n1、n2和k的寻优过程如下：

18、2)计算n2；

19、3)设定宽度比k＝k1＝λ；

20、4)基于所确定的设计原则和约束条件，根据n1、n2和k的值设计载波波形；

21、5)根据参考电压与载波计算生成pwm波，计算线电压；

22、6)对线电压傅里叶分析，获得线电压各次谐波电压有效值，获得计算谐波评价指标的公式，即加权总谐波畸变率vwthd：

23、

24、式中，v1和vn分别是线电压波形基波和n次谐波电压的有效值；

25、7)获得k1对应电压谐波评价指标加权总谐波畸变率的值vwthd1；

26、8)再取k＝k2＝1/k1，根据n1、n2和k的值设计载波波形，重复4)～6)过程；计算出k2对应电压谐波评价指标加权总谐波畸变率的值vwthd2，比较vwthd1和vwthd2的值，记录较小对应的k值，vwthd＝min(vwthd1，vwthd2)；

27、9)将第8)步计算出的vwthd与外部存储区内的vwthd0相比较，如果vwthd＜vwthd0，更新外部存储区内的值vwthd0＝vwthd，同时用vwthd对应的n1、n2和k值更新存储区，否则维持存储区内的数值不变；

28、10)给定k1＝k1+λ，此时出现两种情况：

29、·若k1≤1，则重复4)～9)过程，确定最小值vwthd对应的k、n1、n2值；

30、·若k1＞1，则n1＝n1+1，若n＞n1，则返回步骤2)，若n≤n1，则寻优过程结束；

31、设定区域i中心线ωt＝90°为载波波形的谷点，重复上述的1)～10)过程；

32、取峰点和谷点两次计算得到的最小vwthd对应的n1、n2和k值，获取n1、n2和k最佳匹配值，得到最优的pwm调制策略；

33、与现有技术相比，本发明带来的有益效果是：

34、1.提出了30°的载波波形设计原则，简化设计流程。

35、2.改变了以往在整个基波周期中固定载波宽度进行调制的方式，采用非等距三角波，提出了非等距三角波的寻优方法。

36、3.在满足对称同步原则的前提下，载波比不变时(即基波周期固定时功率器件开关频率固定)，通过有规律的改变载波宽度，有效抑制了逆变器输出谐波，改善了逆变器输出波形质量,逆变器输出电压谐波含量低、波形质量好，降低转矩波动，提升逆变器整体性能。

37、4.可以有效减少负载电机的附加损耗，防止电机过热，从而提高电机系统的性能、效率和使用寿命。

技术特征：

1.一种基于非等距载波的逆变器优化同步spwm调制方法，用于两电平三相逆变器，其特征在于，包括下列步骤：

2.根据权利要求1所述的基于非等距载波的逆变器优化同步spwm调制方法，其特征在于：所述的优化同步spwm调制策略，包括下列步骤：

技术总结
本发明涉及一种基于非等距载波的逆变器优化同步SPWM调制方法，用于两电平三相逆变器，包括下列步骤：(1)通过在基波电压中注入零序电压，提高直流电压利用率，获得优化的参考电压；(2)确定设计原则和约束条件：将基波周期依据ωt分为六个区域，每个区域为60°；区域I、III、V中的载波波形保持一致，区域II、IV、VI所对应的载波波形也要保持一致；区域I与区域II载波波形奇对称；区域I载波波形以中心线偶对称；在区域I内60°～90°进行载波设计；(3)在单个基波周期范围内根据区域分布以及满足波形对称原则的情况下，载波按照一定的宽度比去改变载波宽度形成优化同步SPWM调制策略，所述的宽度比是指在一个基波周期中不同载波的半波之间角度的比值。

技术研发人员：金雪峰,李示威,陈炜,谷鑫,王慧敏,周湛清
受保护的技术使用者：天津工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13