一種應用於三電平高壓變頻器的混合調製方法
2023-05-16 15:43:11
專利名稱：一種應用於三電平高壓變頻器的混合調製方法
技術領域：
本發明屬於電力電子應用技術領域，針對三電平高壓變頻器的PWM脈衝產生，在低頻時採用空間矢量PWM，直流母線電壓利用率高，易於數位化，在高頻時採用特定消諧PWM，消除了低次諧波，提高了波形質量，可以大大減少發熱損耗。採用固定角度切換的方法，保證了兩種PWM間的平滑切換。
背景技術：
二極體中點鉗位(Neutral Point Clamped)三電平逆變器和兩電平相比，可以用低耐壓器件實現高壓大容量，輸出波形更接近正弦，在相同直流母線電壓下降低器件的承壓應力，是高壓變頻器的主要應用方案之一。圖1是三電平二極體中點鉗位型的電路拓撲結構，以A相為例，當上橋臂兩個管子Sa1和Sa2導通時，A相輸出電壓為+Udc/2，當中間兩個管子Sa2和Sa3導通時，A相輸出電壓為0，當下橋臂兩個管子Sa3和Sa4導通時，A相輸出電壓為-Udc/2，總共可以輸出三種電壓狀態，而兩電平只能輸出兩種電壓狀態+Udc/2和-Udc/2，所以三電平輸出波形更接近正弦波，波形質量更高。
PWM控制技術是三電平NPC逆變器實用化的一項關鍵技術，目前應用於三電平的PWM調製方法主要有空間矢量PWM(Space Vector PWM，以下簡記為SVPWM)和特定消諧PWM(Selective Harmonic Eliminated PWM，以下簡記為SHEPWM)。SVPWM將逆變器和電機看成一個整體，具有轉矩脈動小，噪聲低和電壓利用率高等優點，目前被廣泛用於變頻調速中，，但採用異步調製在高頻時由於載波比變小，諧波特性變差。SHEPWM通過優化開關時刻，可以用較少的開關次數消除低次諧波。其主要優點是在同樣的開關次數下，輸出波形質量高，轉矩和電流脈動小；降低了對濾波器的要求，可以減小濾波器體積；在同樣的波形質量下，開關次數低，損耗小，尤其適合對開關頻率有限制的高壓大功率場合；直流母線電壓利用率高。缺點是開關角度固定，需要離線計算，難以在線實現，控制不夠靈活，尤其是低頻時由於開關角度較多，對存儲量要求較高。
目前關於三電平PWM技術的研究多是採用單獨一種PWM方法，如何同時採用兩種PWM方式並保證二者之間的平滑切換尚未見諸公開發表的論文及相關專利。
發明內容
本發明的目的是針對現在變頻器中通常採用的PWM方法進行改進。現在變頻器通常採用固定開關頻率SVPWM，在高頻時由於載波比變小，諧波特性變差。在風機水泵等場合變頻器通常運行在40Hz以上，這時如果仍然採用SVPWM，由於存在一定的低次諧波，系統發熱比較嚴重。而SHEPWM可以有效地消除低次諧波，使諧波主要集中在高頻，由於等效阻抗變大使得電流減小，從而減小系統的發熱損耗。相比同樣開關次數的SVPWM，其波形質量要高很多。
本發明涉及SVPWM和SHEPWM兩種調製方式，需要對兩種PWM都有較深入的了解。三電平SVPWM較之兩電平由於矢量增多，不僅算法本身更加複雜，而且矢量發法也有很多種。本發明採用優化的SVPWM算法，在不採用任何閉環控制的前提下，算法本身具有一定的中點自平衡能力。圖2是三電平SVPWM的空間矢量圖，其中存在一些冗餘矢量，如100和211就是一對互反的小矢量，它們對中點平衡的影響正好相反。整個空間矢量圖分成六個大扇區，每60度為一個大扇區，每個大扇區又分成六個小扇區，圖3是第一個大扇區和它所包含的六個小扇區，其他扇區類似。矢量合成採用7段式輸出，所有輸出矢量的首發矢量採用正小矢量，保證在不同扇區切換時線電壓和相電壓都沒有跳變，而且由於矢量序列中存在互反的冗餘矢量，算法本身具有一定中點平衡能力。
三電平SHEPWM的基本原理是通過N個開關角度的選擇，可以消掉N-1個諧波。由於三次諧波在線電壓中互相抵消，消諧主要是針對相電壓中非3的整數倍的奇次諧波。圖4是N個開關角度時的三電平SHEPWM的相電壓波形，同時具有半波和1/4波對稱性，由函數奇偶性可知其只含有奇數次正弦波。三電平SHEPWM通常具有至少兩組解，需要根據不同的具體應用來選擇合適的解。
本發明在小於45Hz時採用異步SVPWM，開關頻率為600Hz，45Hz以上採用SHEPWM，開關點數取為7，可以消除相電壓頻率為1000Hz以內非三整數倍的低次諧波。理論上，只要SVPWM結束時的參考矢量相位和SHEPWM的相位相同，就可以平滑切換。實驗時發現按照上面理論分析的結果並不能保證SVPWM和SHEPWM之間的平滑切換，而是在相位上有所偏差。分析其原因主要有下面幾點一是死區和最小脈寬的影響使得最後實際發出的矢量和給定參考矢量在幅值和相位上有所偏差，尤其是相位上；二是SVPWM採用異步調製，開關頻率固定，而SHEPWM屬於同步調製，開關頻率一直在變化，二者銜接時就有可能出現相位角度的跳躍；三是前面的理論分析是針對基波來銜接的，實際變頻器輸出波形中還有諧波分量。
為了解決這個問題，採用固定角度切換的方法。即無論從SVPWM至SHEPWM還是從SHEPWM至SVPWM，都在一個固定的角度進行切換。由於切換位置固定，其現象和行為是可重複的，在理論分析的基礎上，有時還需要根據實驗結果進行微調，即可達到滿意的結果。另外，本發明的切換過程中還仔細考慮了SVPMW和SHEPWM之間切換時的開關狀態動作，確保二者之間切換時只有一相管子動作，而且只跳變一個電平，這樣就保證了變頻器的可靠安全工作。
所述方法在DSP中依次含有以下步驟，並據此實現步驟(1)，在DSP中設定目標頻率faim，並按以下步驟得到當前矢量的幅值和位置角步驟(1.1)，把目標頻率按下述斜坡函數算出當前頻率fnowfnow＝f0+(faim-f0)*t/T其中f0是起始頻率，T是由起始頻率f0變到目標頻率faim所需要的時間，t是相對於起動開始時刻的當前時間；步驟(1.2)，根據當前頻率按下式算出當前矢量的位置角θ＝θ0+2πfnow/fs其中θ0是初始角度，fs是採用空間矢量PWM時的開關頻率，為設定值；步驟(1.3)，根據當前頻率fnow由給定的電機的電壓-頻率曲線得到當前調製比m，據此求出當前矢量的幅值；步驟(2)，按照以下步驟由以下步驟(1)得到的當前頻率fnow、當前矢量的位置角θ和調製比m來發出PWM脈衝步驟(2.1)，若fnow＜目標頻率且fnow＜45Hz，跳入SVPWM發脈衝子函數；步驟(2.2)，fnow＜目標頻率且fnow≥45Hz，則按下述步驟從空間矢量PWM切換到特定消諧PWM步驟(2.2.1)，若當前矢量角度在0～3°，則由空間矢量PWM切換到特定消諧PWM，調用特定消諧PWM發脈衝子函數；步驟(2.2.2)，否則，繼續調用空間矢量PWM發脈衝子函數，同時設定當前頻率fnow＝45Hz，直到當前矢量的位置角落入0°～3°區間為止，再進入步驟(2.2.1)；步驟(2.3)，若當前頻率fnow＞目標頻率且fnow＞45Hz，則直接跳入特定消諧PWM發脈衝子函數；步驟(2.4)，若當前頻率fnow＞目標頻率且fnow≤45Hz，則按以下步驟從特定消諧PWM切換到空間矢量PWM；步驟(2.4.1)，若當前矢量的位置角在100°～103°，則由特定消諧PWM切換到空間矢量PWM，再調用空間矢量PWM發脈衝子函數；
步驟(2.4.2)，否則，繼續調用特定消諧PWM發脈衝子函數，同時設定當前頻率fnow＝45Hz，在當前矢量的位置角落入100°～103°之間時再進入步驟(2.4.1)。本發明提出的混合調製方法將SVPWM和SHEPWM應用於三電平高壓變頻器中，充分發揮了兩種PWM方法的優點，而又避免了SVPWM在高頻時諧波特性變差和SHEPWM存儲量過大的缺點，無須硬體上的改動，相比同類變頻器中採用的PWM算法具有如下優點1、採用優化的SVPWM算法，轉矩脈動小，噪聲低，具有一定中點自平衡能力；2、高頻時採用SHEPWM，消除了低次諧波，改善了波形質量，減小了發熱損耗，提高了系統效率；3、SHEPWM採用較少的開關點數，既保證了波形質量，又不增加系統的存儲量，硬體上無須改動，容易實現；4、採用固定角度切換的方法，使得SHEPWM和SVPWM之間切換平滑，且切換過程中只有一個管子動作，確保系統可靠安全工作。
本發明所提出的三電平SVPWM和SHEPWM混合調製方法已經在實際變頻器中得到應用。圖5是50Hz時SVPWM和SHEPWM的線電壓波形和相應頻譜，最高次諧波均取到2000Hz。可見採用SHEPWM時線電壓的23次以下的低次諧波均被消除，而SVPWM含有一定低次諧波，證明SHEPWM達到了消諧的效果。圖6是實際切換過程中變頻器的輸出電壓和電流波形，圖7是實際切換過程中電機端的輸出電壓和電流波形。由於採用了固定角度切換，電壓和電流過渡平穩，沒有振蕩，可以看出進入SHEPWM後波形質量明顯提高，更接近正弦。
圖1是三電平NPC逆變器的電路拓撲；圖2是三電平SVPWM的空間矢量圖；圖3是三電平在第一個大扇區內的空間矢量合成圖；圖4是三電平SHEPWM的相電壓波形；圖5是50Hz時SVPWM和SHEPWM的線電壓實驗波形和相應頻譜(a)SVPWM線電壓實驗波形，(b)SVPWM線電壓頻譜，(c)SHEPWM線電壓實驗波形，(d)SHEPWM線電壓頻譜；圖6是實際切換過程中變頻器的輸出電壓和電流波形(a)SV切換到SHE的線電壓波形，(b)SHE切換到SV的線電壓波形，(c)SV切換到SHE的線電流波形，(d)SHE切換到SV的線電流波形；圖7是實際切換過程中電機端的輸出電壓和電流波形(a)SV切換到SHE的電機線電壓波形，(b)SHE切換到SV的電機線電壓波形，(c)SV切換到SHE的電機線電流波形，(d)SHE切換到SV的電機線電流波形；圖8是實際中發脈衝的控制系統應用框圖；圖9是DSP發脈衝程序的總體流程框圖；圖10是三電平SVPWM子函數的DSP實現流程框圖；圖11是三電平SHEPWM的兩組解所對應的單相一個管子的觸發脈衝對比(a)第一組解，(b)第二組解；圖12是三電平SHEPWM子函數的DSP實現流程框圖；具體實施方式
本發明應用於三電平高壓變頻器，採用美國TI公司的DSP(數位訊號處理器)來產生PWM脈衝，型號為TMS320LF2407A，實際系統的應用框圖見圖8。DSP中產生六路脈衝，經過CPLD完成死區處理後得到12路開關器件的觸發脈衝。具體算法採用C語言和彙編語言混合編程。本發明包括SVPWM和SHEPWM兩種PWM算法，均在DSP中下溢中斷中實現，具體實現步驟介紹如下1、設定目標頻率faim，然後將目標頻率通過斜坡函數得到當前頻率fnow，斜坡函數用來將給定目標頻率轉化成緩慢變化的當前頻率，其公式為fnow＝f0+(faim-f0)*t/T，其中f0是起始頻率，T是由起始頻率f0變到目標頻率faim所需要的時間，由用戶來設定，t是相對於起動開始時刻的當前時間。由當前頻率fnow可以得到當前矢量的位置角度θ＝θ0+2πfnow/fs，其中θ0是初始角度，fs是採用SVPWM時的開關頻率。最後根據當前頻率fnow由電壓-頻率曲線得到當前調製比m，即當前矢量的幅值。電壓-頻率曲線用來存儲電機磁通恆定時電壓和頻率的關係，與具體的電機型號有關。這部分內容屬於變頻調速的基本知識，一般教科書上均有詳細介紹，因此這裡不再詳述。
2、由第一步得到的當前頻率fnow、當前矢量的角度θ和幅值m來發出PWM脈衝。具體又分以下幾步a)如果fnow＜目標頻率且fnow＜45Hz，跳入SVPWM發脈衝子函數；b)如果fnow＜目標頻率且fnow≥45Hz，表明需要從SVPWM切換到SHEPWM，它包括兩步I)如果當前矢量角度在0°～3°，則由SVPWM切換到SHEPWM，調用SHEPWM發脈衝子函數；II)否則，繼續調用SVPWM發脈衝子函數，同時設定當前頻率fnow＝45Hz，直到當前矢量落入0°～3°為止，然後轉上一步；
c)如果fnow＞目標頻率且fnow＞45Hz，跳入SHEPWM發脈衝子函數；d)如果fnow＞目標頻率且fnow≤45Hz，表明需要從SHEPWM切換到SVPWM，它包括兩步I)如果當前矢量角度在100°～103°，則由SHEPWM切換到SVPWM，調用SVPWM發脈衝子函數；II)否則，繼續調用SHEPWM發脈衝子函數，同時設定當前頻率fnow＝45Hz，直到當前矢量落入100°～103°為止，然後轉上一步；需要指出的是在SVPWM和SHEPWM切換時，採用的是固定角度切換的方法。即無論是從SVPWM切換到SHEPWM，還是從SHEPWM切換到SVPWM，只有在當前矢量的角度落入某一固定角度範圍時才開始切換。從而保證了二者之間切換的可重複性，同時也提高了切換的可靠性和穩定性。DSP程序的具體實現流程圖見圖9。
3、三電平SVPWM子函數及其實現。這一部分包括如下步驟a)由當前矢量的幅值m和角度θ計算出矢量所在小三角形的最近三矢量的作用時間。以圖3為例，參考矢量U*落入編號為2的小扇區中，該區域三個頂點矢量分別為U1、U2、和U3，其各自的作用時間分別為ta、tb和tc。在一個開關周期T內，參考矢量U*的積分應該和它所在小扇區中三個頂點對應矢量的積分效果相等，即U1ta+U2tb+U3tc＝U*Ts(1)ta+tb+tc＝Ts(2)其中U1=12,]]>U2=32ej6,]]>U3=12ej3,]]>U*＝mejθ求得ta＝(1-2msinθ)·Tstb=[2msin(+3)-1]Ts---(3)]]>tc=[2msin(-3)+1]Ts]]>參考矢量在區域2和3中的矢量作用時間表達式為式(3)，落入其他區域時的計算式略有差異，給出如下，在區域0和1中為ta=2msin(3-)Ts]]>tb=[1-2msin(+3)]Ts---(4)]]>tc＝2msinθ·Ts
在區域4中為ta=[2-2msin(+3)]Ts---(5)]]>tb＝2msinθ·Tstc=[2msin(3-)-1]Ts]]>在區域5中為ta＝(2msinθ-1)·Tstb=2msin(3-)Ts---(6)]]>tc=[2-2msin(+3)]Ts]]>式(3)～(6)給出了參考矢量落入第一個大扇區內不同區域時各個小三角形頂點矢量的作用時間，然後再按照表1給出的不同小扇區內的輸出次序將矢量依次輸出。如區域2中的矢量輸出次序為211-210-110-100-110-210-211，其所持續的時間分別為ta/4，tb/2，tc/2，ta/2，tc/2，tb/2和ta/4。表1給出了第一個大扇區內六個小扇區的矢量發法表1第一個大扇區內六個小扇區的矢量發法
b)當參考矢量落入其他大扇區時，首先把參考矢量轉到第一大扇區內，此時矢量的等效角度為=-int(/3)*3,]]>然後就可按照扇區一的計算公式來得到矢量的作用時間，需要注意的是在矢量輸出時要換成實際位置對應的矢量，而不是大扇區1中的矢量。
c)將矢量作用時間轉化為DSP中的比較寄存器CMPR1，CMPR2和CMPR3的值，通過DSP輸出脈衝。其轉化公式如下CMPR1＝0.25*ta*T1PRCMPR2＝(0.25*ta+0.5*tb)*T1PR(7)CMPR3＝(0.25*ta+0.5*tb+0.5*tc)*T1PR其中T1PR為開關周期寄存器，當開關頻率為600Hz，DSP時鐘為40M時，T1PR＝40M/2/600＝0x8235。
三電平SVPWM子函數對應的具體流程圖見圖10。
4、三電平SHEPWM子函數及其實現SHEPWM算法需要提前的計算工作，主要是方程組的求解和解的優化選擇。具體實現包括如下步驟。
a)SHE方程組的求解。式(8)是三電平SHE所對應的超越方程組，其中0＜a1＜a2＜...＜aN＜π/2，N為開關角度的個數，a1為相電壓基波峰值對半邊直流母線電壓的標麼值。
k=1N(-1)k+1cosk=4a1k=1N(-1)k+1cosnk=0,(n=5,7,11...)---(8)]]>利用下面兩個解經驗公式可以得到三電平SHEPWM方程組在a1＝0時的兩組解。利用這兩組解作為初值通過迭代可以得到a1變大時的解。需要指出的是，這兩組解初值經驗公式主要針對N為奇數的情況。
k＝1，2，...，(N-1)/2
k＝2，3，...，(N-1)/2表2給出了N＝7，a1＝1.04時的兩組解表2N＝7，a1＝1.04時的兩組解
b)解的優化選擇。利用式(9)和式(10)兩組經驗公式可以得到兩組解，實際中需要對這兩組解進行選擇。高壓變頻器通常採用電流型器件，對管子的開通和關斷時間有限制，一般來講對IGCT等電流控制型器件，最小脈寬通常不小於100us。通過比較兩組解所對應的脈衝寬度，就可以決定選哪組解。圖11是表2給出的兩組解所對應的單管脈衝，由於第二組解的脈寬分布更均勻，實際中選擇的是第二組解。
c)根據選擇的解用DSP來產生實際的脈衝。在得到SHE方程組的解的基礎上，通過比較一個線電壓周期內的各相管子的觸發脈衝，可以得到兩類數組，第一類數組存放一個線電壓周期內的周期寄存器即T1PR的數值，第二類數組存放一個線電壓周期內的動作控制寄存器即ACTRA的數值。通過設定T1PR和ACTRA，DSP就可以產生實際需要的脈衝。這兩類數組與a1的數值一一對應，實際中需要多少個a1的值，就有多少個相應的數組來存儲T1PR和ACTRA。在SHEPWM實現時只要根據相應的a1的值去查相應的表格即可。具體包括以下步驟I)由數組索引index根據a1對應的數組得到ACTRA和T1PR的值，令index加1；II)如果index已到數組末尾，令index＝0，返回。
三電平SHEPWM子函數對應的具體流程圖見圖12。
權利要求
1.一種應用於三電平高壓變頻器的混合調製方法，其特徵在於，所述方法在DSP中依次含有以下步驟，並據此實現步驟(1)，在DSP中設定目標頻率faim，並按以下步驟得到當前矢量的幅值和位置角步驟(1.1)，把目標頻率按下述斜坡函數算出當前頻率fnowfnow＝f0+(faim-f0)*t/T其中f0是起始頻率，T是由起始頻率f0變到目標頻率faim所需要的時間，t是相對於起動開始時刻的當前時間；步驟(1.2)，根據當前頻率按下式算出當前矢量的位置角θ＝θ0+2πfnow/fs其中θ0是初始角度，fs是採用空間矢量PWM時的開關頻率，為設定值；步驟(1.3)，根據當前頻率fnow由給定的電機的電壓-頻率曲線得到當前調製比m，據此求出當前矢量的幅值；步驟(2)，按照以下步驟由以下步驟(1)得到的當前頻率fnow、當前矢量的位置角θ和調製比m來發出PWM脈衝步驟(2.1)，若fnow＜目標頻率且fnow＜45Hz，跳入SVPWM發脈衝子函數；步驟(2.2)，fnow＜目標頻率且fnow≥45Hz，則按下述步驟從空間矢量PWM切換到特定消諧PWM步驟(2.2.1)，若當前矢量角度在0～3°，則由空間矢量PWM切換到特定消諧PWM，調用特定消諧PWM發脈衝子函數；步驟(2.2.2)，否則，繼續調用空間矢量PWM發脈衝子函數，同時設定當前頻率fnow＝45Hz，直到當前矢量的位置角落入0°～3°區間為止，再進入步驟(2.2.1)；步驟(2.3)，若當前頻率fnow＞目標頻率且fnow＞45Hz，則直接跳入特定消諧PWM發脈衝子函數；步驟(2.4)，若當前頻率fnow＞目標頻率且fnow≤45Hz，則按以下步驟從特定消諧PWM切換到空間矢量PWM；步驟(2.4.1)，若當前矢量的位置角在100°～103°，則由特定消諧PWM切換到空間矢量PWM，再調用空間矢量PWM發脈衝子函數；步驟(2.4.2)，否則，繼續調用特定消諧PWM發脈衝子函數，同時設定當前頻率fnow＝45Hz，在當前矢量的位置角落入100°～103°之間時再進入步驟(2.4.1)。
2.根據權利要求1所述的一種應用於三電平高壓變頻器的混合調製方法，其特徵在於，所述的空間矢量PWM發脈衝子函數依次按以下步驟執行步驟(a1)，由當前矢量的幅值m和角度θ計算出該矢量所在小三角形的最近三矢量的作用時間；步驟(a2)，以當前矢量作為參考矢量，當該矢量落入其他大扇區時，首先把該矢量轉到第一大扇區內，其等效角度為=-int(/3)*3,]]>int表示取整，再按照第一大扇區的計算公式來得到矢量的作用時間，在矢量輸出時要把相應矢量換成在矢量圖上與實際位置對應的矢量；步驟(a3)，把矢量作用時間轉化為DSP中比較寄存器的值，通過DSP輸出脈衝。
3.根據權利要求1所述的一種應用於三電平高壓變頻器的混合調製方法，其特徵在於所述的特定消諧PWM發脈衝子函數依次按以下步驟執行步驟(b1)，解特定消諧PWM超越方程組在相電壓基波峰值相對半邊直流母線電壓的標麼值a1＝0時的兩組解；步驟(b2)，以步驟(b1)得到的開關角度個數為奇數的解作為初值，通過迭代得到a1變大時的兩組解；步驟(b3)，根據電流控制型器件的最小脈寬通常至少為100us的限制條件，從步驟(b2)所得到的兩組解中優選出一組；步驟(b4)，根據步驟(b3)得到的解用DSP來發出實際的脈衝。
全文摘要
本發明屬於三電平高壓變頻器調製技術，其特徵在於針對三電平NPC變頻器，在頻率小於45Hz時採用異步SVPWM，開關頻率為600Hz，在45Hz以上採用特定消諧PWM，開關點數為7。從而避免了空間矢量PWM高頻時諧波特性變差和特定消諧PWM在低頻時存儲量大的缺點，使變頻器在整個工作範圍內都可以有效的抑制低次諧波，同時在高頻時改善了波形質量，減少了發熱損耗，降低了對濾波器的要求，提高了系統效率。相應地，由於採用固定角度切換的方法，保證了兩者之間的平滑切換，保證了系統的安全與可靠。
文檔編號H02M7/5387GK101018020SQ20071006324
公開日2007年8月15日 申請日期2007年1月5日 優先權日2007年1月5日
發明者張永昌, 趙爭鳴, 楊志, 白華 申請人:清華大學, 國電南京自動化股份有限公司