用於地鐵輔助逆變器控制的脈衝生成方法
2023-09-19 11:45:40
用於地鐵輔助逆變器控制的脈衝生成方法
【專利摘要】本發明涉及逆變器控制技術，具體為用於地鐵輔助逆變器控制的脈衝生成方法。解決常規的高頻PWM調製不太適用於地鐵輔助電源這種高壓大功率場合的問題。首先獲得調製度M和開關角值的對應查詢表；再得到調製度M的實際輸出值，並根據實際輸出值在對應查詢表中查得一組開關角值；選取5°為一個中斷周期，在查得的一組開關角值中尋找是否有落入當前中斷周期所覆蓋的電角度範圍內的一個或兩個開關角值，如果有一個則在該開關角值處發生脈衝狀態改變；如果有兩個開關角值則分別在兩個開關角值處發生脈衝狀態改變；如果沒有則脈衝狀態不發生改變。本發明可以滿足地鐵輔助逆變器在不同直流輸入電壓下對輸出電壓特性、網壓突變、負載突變的要求。
【專利說明】用於地鐵輔助逆變器控制的脈衝生成方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及逆變器控制技術，具體為用於地鐵輔助逆變器控制的脈衝生成方法。
【背景技術】
[0002] 地鐵輔助電源系統是地鐵車輛上一個必不可少的關鍵電氣部件，負責為車輛空 調、電熱採暖、照明、空氣壓縮機、各系統控制電路及列車監視系統、車載信號和通信設備等 交流負載提供穩定的三相四線制的380V(220V)電源。地鐵輔助電源是由輔助逆變器得到 的。輔助電源系統正常工作與否直接影響到列車的安全穩定運行、乘客乘坐的舒適度。
[0003] 在地鐵中輔助逆變器多採用傳統兩電平逆變器，因其技術成熟，控制簡單，更容易 實現。對於1500VDC供電電網電壓，不僅要考慮到器件耐壓，還要考慮到開關頻率；器件耐 壓越高，為保護器件安全，開關頻率亦不能太高；對於功率單元的損耗和溫升限制，也使得 開關頻率不能太高；這使得常規的高頻PWM調製不太適用於這種高壓大功率場合。
【發明內容】
[0004] 本發明解決常規的高頻PWM調製不太適用於地鐵輔助電源這種高壓大功率場合 的問題，提供一種用於地鐵輔助逆變器控制的脈衝生成方法。該方法針對地鐵輔助逆變器 電壓等級高，功率大，功率模塊散熱靠走行風冷進行的狀況，在保證輸出電壓波形質量的前 提下，以不提高開關頻率，不增加系統損耗的前提下，採用特定消諧的方式進行脈衝的產 生，保證模塊溫升滿足要求，提高系統運行的穩定性、可靠性。
[0005] 本發明是採用如下技術方案實現的：用於地鐵輔助逆變器控制的脈衝生成方法， 是由如下步驟實現的：
[0006] 1)設三相系統任意一相在1/4周期內共有N個狀態變化，N為5、7、9、11、13,根據 電網周期的1/4周期偶對稱，1/2周期奇對稱，三相系統任意一相在半個周期內共有2N+1個 狀態變化（2N個狀態變化，加上180°位置的狀態變化），一個周期有2 (2N+1)個狀態變化；
[0007] 2)針對低電平開始或高電平開始的脈衝狀態，得到以不同精度分布的調製度M和 N個開關角值的對應查詢表，調製度M的範圍為0. 1 - 1. 15 ;進而再通過步驟1)所述的偶 對稱和奇對稱得到以不同精度分布的調製度M和2(2N+1)個開關角值的對應查詢表。調製 度M的分布精度決定逆變器的控制精度，分布精度越高，控制精度越高；對應查詢表與脈衝 狀態有關，即脈衝是低電平開始，得到的是低電平開始的對應查詢表；脈衝是高電平開始， 得到的是高電平開始的對應查詢表。對應查詢表的獲得是本領域技術人員容易實現的：根 據大量有關特定消諧開關角的生成方法文獻資料，針對地鐵輔助逆變器的控制要求選取以 低電平開始或高電平開始的單極性輸出電壓波形為研究對象，利用傅立葉分析法、數值計 算方法和MATLAB軟體，對所建立的N個非線性方程組進行求解，得到不同調製度M下的N 個開關角值；對N個非線性方程聯立進行求解，先選取初始值，再用同倫疊代算法進行固定 步數的疊代，再把同倫疊代算法的結果作為牛頓疊代算法的初值進行疊代計算，得到相應 脈衝狀態的不同調製度M下的各開關角值；
[0008] 3)根據直流輸入電壓Ud。和所需輸出線電壓有效值Us進行計算，同時考慮輸出 端濾波電抗器的壓降AU:和輸出變壓器的變比T，利用公式Ml = (US*T/1.732+AU)/ (1.414*Ud。）得出第一調製度值Ml ;將給定的輸出線電壓有效值與輸出電壓檢測值相比較 後，經過PI調節，得出第二調製度值M2,將兩者的結果相加作為調製度M的實際輸出值即M =M1+M2 ;在逆變器啟動過程和直流輸入電壓Ud。的變化超過100V時，要求實時更新M值，保 證啟動時間和防止直流突變引起的輸出電壓波動，而當直流輸入電壓U d。的變化小於100V 時，每個電網周期更新一次M值，保證輸出電壓的諧波特性良好；
[0009] 4)根據步驟3)得到的調製度M的實際輸出值經四捨五入，在對應查詢表中查到對 應的一組開關角值（4N+2個）。利用三相對稱性，其它兩相可以通過擴展查詢任意一相的數 據表得到對應的結果；
[0010] 5)選取5°為一個中斷周期，則任意一相電壓的一個電網周期分成72份；針對某 一中斷周期，在步驟4)得到的一組開關角值中尋找是否有落入該中斷周期所覆蓋的電角 度範圍內的一個或兩個開關角值，如果有一個開關角值，則該中斷周期內只用該一個開關 角值，即在該開關角值處發生脈衝狀態改變（從高到低或從低到高）；如果有兩個開關角 值，該中斷周期分別使用該兩個開關角值，即分別在兩個開關角值處發生脈衝狀態改變；如 果沒有則脈衝狀態不發生改變，即維持相鄰的上一個中斷周期最後的脈衝狀態；
[0011] 6)在當前脈衝狀態會發生改變的中斷周期，查表尋找下次脈衝狀態改變的開關角 值，在下次需脈衝狀態改變的前一個中斷周期更新開關角值的變化，在下次需脈衝狀態改 變的中斷周期更新脈衝狀態的變化；
[0012] 7)查詢表對應的是U相的值，故查表時U相是從第1個開關角值開始查表，利用三 相對稱互差120°的特點，對於V相和W相給定的查表初值分別為第N+1個和第N個，避免 出現首脈衝出錯的狀態。
[0013] 本發明為保證輸出電壓品質，選用特定消諧的脈衝生成方式，通過開關時刻的優 化選擇，消除選定的低次諧波，將低次諧波推移為高次諧波，後用濾波器將諧波濾除。本 發明具有以下幾個特點：1)在同樣的波形質量下，利用特定消諧的脈衝得到的開關頻率最 低，從而降低開關損耗，提高轉化效率，這一點對高壓大功率設備具有特別的意義；2)由於 不含低次諧波，使濾波電感和濾波電容的尺寸有所減小，降低設計成本；3)直流側電壓利 用率高，可以達到1. 15倍。本發明可以滿足地鐵輔助逆變器在不同直流輸入電壓下對輸出 電壓特性、網壓突變、負載突變的要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014] 圖1為輔助變流器原理圖。
【具體實施方式】
[0015] 用於地鐵輔助逆變器控制的脈衝生成方法，是由如下步驟實現的：
[0016] 1)設三相系統任意一相在1/4周期內共有N個狀態變化，N為5、7、9、11、13,根據 電網周期的1/4周期偶對稱，1/2周期奇對稱，三相系統任意一相在半個周期內共有2N+1個 狀態變化（2N個狀態變化，加上180°位置的狀態變化），一個周期有2 (2N+1)個狀態變化；
[0017] 2)針對低電平開始或高電平開始的脈衝狀態，得到以不同精度分布的調製度M和 N個開關角值的對應查詢表，調製度M的範圍為0. 1 - 1. 15 ;進而再通過步驟1)所述的偶 對稱和奇對稱得到得到以不同精度分布的調製度M和2(2N+1)個開關角值的對應查詢表。
[0018] 《測控技術》雜誌2003年22卷第8期，丁小松等發表的文章"SHEPWM技術應用研 究";利用特定消諧技術進行PWM逆變器的設計，《電工技術》2007. 06,孫柯等；SPWM逆變 器混合調製方法的研究，中國農業大學，2005學位論文，劉磊。上述各文獻公開了對應查詢 表的獲得方法，充分顯示了對應查詢表獲得方法屬於現有成熟技術。
[0019] 調製度M的分布精度可選用0.01，即0. 1 - 1. 15的調製度M範圍劃分成115個 值，各值間相差0.01。調製度M的分布精度也可選用0.03,或0.05等。表1給出了分布精 度為0. 03, N等於7的一種低電平開始的對應查詢表；表2給出了分布精度為0. 03, N等於 11的一種低電平開始的對應查詢表。在表1、表2的基礎上根據步驟1)，每一個調製度M值 可對應一組分別有30個和46個數據的開關角值組。
[0020] 表 1
[0021]
[0022]
【權利要求】
1. 一種用於地鐵輔助逆變器控制的脈衝生成方法，其特徵在於是由如下步驟實現的： 1) 設三相系統任意一相在1/4周期內共有N個狀態變化，N為5、7、9、11、13，根據電網 周期的1/4周期偶對稱，1/2周期奇對稱，三相系統任意一相在半個周期內共有2N+ 1個狀 態變化，一個周期有2 (2N+1)個狀態變化； 2) 針對低電平開始或高電平開始的脈衝狀態，得到以不同精度分布的調製度M和N個 開關角值的對應查詢表，調製度M的範圍為0. 1 - 1. 15 ;進而再通過步驟1)所述的偶對稱 和奇對稱得到以不同精度分布的調製度M和2 (2N+1)開關角值的對應查詢表； 3) 根據直流輸入電壓Ud。和所需輸出線電壓有效值Us進行計算，同時考慮輸出端濾波 電抗器的壓降A隊和輸出變壓器的變比T，利用公式Ml=Ji(US*T/1. 732+A隊)/( 1. 414*Udc) 得出第一調製度值Ml;將給定的輸出線電壓有效值與輸出電壓檢測值相比較後，經過PI調 節，得出第二調製度值M2，將兩者的結果相加作為調製度M的實際輸出值即M=M1+M2 ;在逆 變器啟動過程和直流輸入電壓Ud。的變化超過100V時，要求實時更新M值，而當直流輸入電 壓Ud。的變化小於100V時，每個電網周期更新一次M值； 4) 根據步驟3)得到的調製度M的實際輸出值經四捨五入，在對應查詢表中查到對應的 一組開關角值； 5) 選取5°為一個中斷周期，則任意一相電壓的一個電網周期分成72份；針對某一中 斷周期，在步驟4)得到的一組開關角值中尋找是否有落入該中斷周期所覆蓋的電角度範圍 內的一個或兩個開關角值，如果有一個開關角值，則該中斷周期內只用該一個開關角值，即 在該開關角值處發生脈衝狀態改變；如果有兩個開關角值，該中斷周期分別使用該兩個開 關角值，即分別在兩個開關角值處發生脈衝狀態改變；如果沒有則脈衝狀態不發生改變， 即維持相鄰的上一個中斷周期最後的脈衝狀態； 6) 在當前脈衝狀態會發生改變的中斷周期，查表尋找下次脈衝狀態改變的開關角值， 在下次需脈衝狀態改變的前一個中斷周期更新開關角值的變化，在下次需脈衝狀態改變的 中斷周期更新脈衝狀態的變化； 7) 查詢表對應的是U相的值，故查表時U相是從第1個開關角值開始查表，利用三相對 稱互差120°的特點，對於V相和W相給定的查表初值分別為第N+1個和第N個，避免出現 首脈衝出錯的狀態。
【文檔編號】H02M7/537GK104377980SQ201410712107
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年12月1日 優先權日:2014年12月1日
【發明者】李學亮, 司軍民, 吳曉威, 李康樂, 張雅錕, 廉澤波 申請人:永濟新時速電機電器有限責任公司