一種基于shepwm的變流器中點(diǎn)電壓平衡控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及多電平變流器的調(diào)制方法，尤其涉及一種基于SHEPffM的變流器中點(diǎn) 電壓平衡控制方法。 技術(shù)背景
[0002] 多電平中點(diǎn)鉗位型變流器的特定諧波消除控制方法通過(guò)開(kāi)關(guān)時(shí)刻的優(yōu)化選擇，恰 當(dāng)?shù)乜刂谱兞髌鞯拿}寬調(diào)制電壓波形，使逆變器輸出的電壓中不存在某些特定（低次）諧 波，降低了功率器件的開(kāi)關(guān)頻率，減少了功率器件的開(kāi)關(guān)損耗。
[0003] 多電平中點(diǎn)鉗位型變流器的特定諧波消除控制方法雖然能夠有效的消除某些特 定的低次諧波，減少功率器件的開(kāi)關(guān)損耗，但是卻不能有效的控制中點(diǎn)電壓的平衡。針對(duì)多 電平中點(diǎn)鉗位型變流器中點(diǎn)電壓平衡的問(wèn)題，有許多控制策略被提出，大體分為二種，即硬 件控制策略與軟件控制策略。硬件控制策略一般要額外增加電源或者功率器件及儲(chǔ)能器 件，從而導(dǎo)致系統(tǒng)體積的增大，成本提高，以及系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性降低，因此應(yīng)用不多；相 比之下，軟件控制策略節(jié)省系統(tǒng)的體積與成本的同時(shí)，具有很高的穩(wěn)定性，但它增加了軟件 算法的復(fù)雜性。隨著高性能DSP的快速發(fā)展，復(fù)雜的控制算法變得越來(lái)越容易實(shí)現(xiàn)，因此， 基于控制算法的中點(diǎn)電壓平衡控制方法獲得了越來(lái)越多的關(guān)注。目前，基于控制算法的中 點(diǎn)電壓平衡控制方法大多是空間矢量調(diào)制策略，但是在控制中點(diǎn)電壓平衡的同時(shí)不能有效 的消除特定的低次諧波。根據(jù)文獻(xiàn)檢索，目前未見(jiàn)基于SHEPffM的中點(diǎn)電壓平衡控制策略， 本發(fā)明提出的控制策略在消除特定低次諧波的基礎(chǔ)上，能有效的控制多電平中點(diǎn)鉗位型變 流器的中點(diǎn)電壓平衡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是在消除特定低次諧波的同時(shí)，提供一種能有效地控制多電平中點(diǎn) 鉗位型變流器中點(diǎn)電壓平衡的方法，具體技術(shù)方案如下：
[0005] -種基于SHEPffM的變流器中點(diǎn)電壓平衡控制方法，包括以下步驟：
[0006] 步驟Sl :根據(jù)控制系統(tǒng)性能要求確定開(kāi)關(guān)角數(shù)量和調(diào)制度；
[0007] 步驟S2 :建立多電平中點(diǎn)鉗位型變流器特定諧波消除控制方法數(shù)學(xué)模型，根據(jù)步 驟Sl得到開(kāi)關(guān)角數(shù)量和調(diào)制度通過(guò)優(yōu)化算法求得相應(yīng)調(diào)制度時(shí)的開(kāi)關(guān)角；
[0008] 步驟S3 :將SHEPffM三相輸出視為與SVPffM -致的空間矢量集，對(duì)步驟S2中所求 得的開(kāi)關(guān)角度進(jìn)行矢量化分析；
[0009] 步驟S4 :根據(jù)步驟S3的分析結(jié)果，將SHEPffM輸出波形視為空間矢量，分析不同的 SHEPffM開(kāi)關(guān)角度對(duì)多電平中點(diǎn)鉗位型變流器中點(diǎn)電壓的影響；
[0010] 步驟S5 :定量計(jì)算不同的SHEPffM開(kāi)關(guān)角度對(duì)應(yīng)的多電平中點(diǎn)鉗位變流器中點(diǎn)電 壓偏移量；
[0011] 步驟S6 :根據(jù)步驟S5的計(jì)算結(jié)果，利用對(duì)SHEPffM開(kāi)關(guān)角的實(shí)時(shí)切換實(shí)現(xiàn)多電平 中點(diǎn)鉗位變流器的中點(diǎn)電壓平衡控制。
[0012] 進(jìn)一步的，所述步驟S6包括以下步驟：
[0013] 步驟S61 :利用電壓采集電路實(shí)時(shí)采集直流側(cè)電容的電壓值，將直流側(cè)電容的電 壓值減去參考電壓值（直流側(cè)電壓的一半）得到當(dāng)前采樣時(shí)刻中點(diǎn)電壓的偏移值，將所述 中點(diǎn)電壓的偏移值反饋到DSP芯片中；
[0014] 步驟S62 :在DSP中，利用步驟S61的反饋值計(jì)算出當(dāng)前采樣周期內(nèi)中點(diǎn)電壓的總 偏移量；
[0015] 步驟S63 :根據(jù)步驟S62得到的當(dāng)前采樣周期內(nèi)中點(diǎn)電壓的總偏移量，選擇下一周 期的SHEPffM開(kāi)關(guān)角。
[0016] 進(jìn)一步優(yōu)選的，基于SHEPffM的變流器中點(diǎn)電壓平衡控制方法，包括以下步驟：
[0017] 步驟Sl :根據(jù)控制系統(tǒng)性能要求確定開(kāi)關(guān)角數(shù)量為4個(gè)和調(diào)制度為I. 0 ;
[0018] 步驟S2 :建立多電平中點(diǎn)鉗位型變流器特定諧波消除控制方法數(shù)學(xué)模型，通過(guò)遺 傳算法求得調(diào)制度為1. 0時(shí)的開(kāi)關(guān)角；
[0019] 步驟S3 :將SHEPffM三相輸出視為與SVPffM -致的空間矢量集，對(duì)步驟S2中所求 得的開(kāi)關(guān)角度進(jìn)行矢量化分析；
[0020] 步驟S4 :根據(jù)步驟S3的分析結(jié)果，將SHEPffM輸出波形視為空間矢量，分析不同的 SHEPffM開(kāi)關(guān)角度對(duì)多電平中點(diǎn)鉗位型變流器中點(diǎn)電壓的影響；
[0021] 步驟S5 :定量計(jì)算不同的SHEPffM開(kāi)關(guān)角度對(duì)應(yīng)的多電平中點(diǎn)鉗位變流器中點(diǎn)電 壓偏移量；用H來(lái)表示中點(diǎn)電壓所允許偏移的最大上限，△ Uc表示中點(diǎn)電壓偏移量，將不同 的開(kāi)關(guān)角根據(jù)對(duì)中點(diǎn)電壓的影響分成四組，第（1)組開(kāi)關(guān)角使A Uc>H，第（2)組開(kāi)關(guān)角使 0〈八此〈!1，第（3)組開(kāi)關(guān)角使-!1〈八1^〈0，第（4)組開(kāi)關(guān)角使八1^〈-!1 ;
[0022] 步驟S6 :包括以下步驟：
[0023] 步驟S61 :利用電壓采集電路實(shí)時(shí)采集直流側(cè)電容的電壓值，將直流側(cè)電容的電 壓值減去參考電壓值（直流側(cè)電壓的一半）得到當(dāng)前采樣時(shí)刻中點(diǎn)電壓的偏移值，將所述 中點(diǎn)電壓的偏移值反饋到DSP芯片中；
[0024] 步驟S62 :在DSP中，利用步驟S61的反饋值計(jì)算出當(dāng)前采樣周期內(nèi)中點(diǎn)電壓的總 偏移量；
[0025] 步驟S63 :根據(jù)步驟S62得到的當(dāng)前采樣周期內(nèi)中點(diǎn)電壓的總偏移量，選擇下一周 期的SHEPffM開(kāi)關(guān)角，若當(dāng)前采樣周期內(nèi)中點(diǎn)電壓的總偏移量大于H時(shí)，則在下一周期內(nèi)選 擇第（4)組SHEPffM開(kāi)關(guān)角；若當(dāng)前采樣周期內(nèi)中點(diǎn)電壓的總偏移量大于零小于H時(shí)，則在 下一作用周期內(nèi)選擇第（3)組SHEPffM開(kāi)關(guān)角；若當(dāng)前采樣周期內(nèi)中點(diǎn)電壓的總偏移量大 于-H小于零時(shí)，則在下一作用周期內(nèi)選擇第（2)組SHEPffM開(kāi)關(guān)角；若當(dāng)前采樣周期內(nèi)中點(diǎn) 電壓的總偏移量小于-H時(shí)，則在下一作用周期內(nèi)選擇第（1)組SHEPffM開(kāi)關(guān)角。
[0026] 進(jìn)一步的，所述多電平中點(diǎn)鉗位型變流器為三電平中點(diǎn)鉗位型變流器，三電平中 點(diǎn)鉗位型變流器應(yīng)用較廣較常見(jiàn)。
[0027] 進(jìn)一步的，根據(jù)多電平變流器控制規(guī)律生成PffM信號(hào)時(shí)，加入死區(qū)時(shí)間?？捎行У?避免延遲效應(yīng)所造成的一個(gè)橋臂未完全關(guān)斷，而另一橋臂又處于導(dǎo)通狀態(tài)，避免直通損毀 模塊。
[0028] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0029] (1)本發(fā)明的控制方法將多電平中點(diǎn)鉗位型變流器的特定諧波消除控制方法與中 點(diǎn)電壓平衡結(jié)合，在消除特定低次諧波同時(shí)，能有效控制中點(diǎn)電壓平衡，極大的改善了輸出 波形，減小總諧波失真。
[0030] (2)本發(fā)明使用的是SHEPffM控制算法，相比較SPffM和SVPffM而言，具有更低的開(kāi) 關(guān)頻率，從而大大的降低了功率器件的開(kāi)關(guān)損耗。
[0031] (3)本發(fā)明使用SHEPffM方法控制多電平變頻器的中點(diǎn)電壓平衡，相比較于用SPffM 和SVPffM控制中點(diǎn)電壓平衡的方法而言，有效的降低了算法的復(fù)雜度。
【附圖說(shuō)明】
[0032] 圖1、本發(fā)明的控制方法流程圖
[0033] 圖2、三電平SVPffM矢量圖
[0034] 圖3、本發(fā)明的實(shí)施例的三相電壓輸出波形
[0035] 圖中：p表示π
【具體實(shí)施方式】
[0036] 以三電平中點(diǎn)鉗位型變流器為例，對(duì)本發(fā)明的SHEPffM中點(diǎn)電壓平衡控制方法做 進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0037] 基于SHEPffM的變流器中點(diǎn)電壓平衡控制方法，包括以下步驟：
[0038] 步驟Sl :根據(jù)控制系統(tǒng)性能要求確定開(kāi)關(guān)角數(shù)量和調(diào)制度；本實(shí)施例中選取開(kāi)關(guān) 角為4個(gè)，調(diào)制度為1。
[0039] 步驟S2 :建立多電平中點(diǎn)鉗位型變流器特定諧波消除控制方法數(shù)學(xué)模型，
[0040]
[0041] 式中Ud為直流側(cè)電源電壓，基波調(diào)制虔
' N為1/4周期內(nèi)所取開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換 角個(gè)數(shù)，開(kāi)關(guān)角應(yīng)滿(mǎn)足條件
[0042] 本發(fā)明取N = 4,調(diào)制度m= 1.0為例，通過(guò)遺傳算法求得四組SHEPffM開(kāi)關(guān)角；
[0043] 求出四組SHEPffM開(kāi)關(guān)角度如表1所示。
[0044] 表1 m = I. 0時(shí)開(kāi)關(guān)角度
[0045]

[0046] 步驟S3 :將SHEPffM三相輸出視為與SVPffM-致的空間矢量集，對(duì)步驟S2中所求得 的開(kāi)關(guān)角度進(jìn)行矢量化分析；研究SHEPffM與空間矢量脈寬調(diào)制（SVPffM)之間的本質(zhì)聯(lián)系， 將SHEPffM三相輸出視為與SVPffM -致的空間矢量集，對(duì)所求解的三相SHEPffM開(kāi)關(guān)角度進(jìn) 行矢量化。本發(fā)明&α1 = 14°、α2 = 63°、α3 = 67°、α4 = 83° (注：為論述簡(jiǎn)單， 小數(shù)點(diǎn)后面的數(shù)據(jù)舍去）為例進(jìn)行說(shuō)明，該解集下三相電壓輸出波形如圖3所示，根據(jù)輸出 相電壓的不同，將三電平變流器的輸出分為3種狀態(tài)P (正輸出），0 (零輸出），N (負(fù)輸出）。 在SHEPffM控制下，每一時(shí)刻都有其對(duì)應(yīng)的輸出狀態(tài)。令a相相位為Θ時(shí)的三相輸出分別 為&(0)，13(0)，(：（0)。^^?￥1的(3相開(kāi)關(guān)狀態(tài)可由 &相輸出延遲12〇°得到，如式（2)。
[0047] c( Θ ) = a( Θ+120。） （2)
[0048] 由于SHEPffM波形關(guān)于180°奇對(duì)稱(chēng)，關(guān)于90°偶對(duì)稱(chēng)，即：
[0049] a(180。- Θ ) = a( Θ ) (3)
[0050] a(360。- θ ) =-a( θ ) (4)
[0051 ]根據(jù)式（2)、（3)、（4)，計(jì)算 c ( θ +60 ° )得：
[0052] c( θ +60。）= a( θ +180。）
[0053] =-a(360。-θ-180。） （5)
[0054] = -a (180。-Θ) =-a(9)
[0055] 由式⑷可以看出若已知a相某一角度的輸出狀態(tài)，則可根據(jù)該等式得到該角度 延遲60°之后在c相的輸出狀態(tài)。
[0056] 同理，由b、c相上電壓輸出波形的奇偶對(duì)稱(chēng)關(guān)系可得式（6)、（7):
[0057] a( Θ +60。）= -b( Θ ) (6)
[0058] b( θ +60。）= -c( θ ) (7)
[0059] 結(jié)合式（5)、（6)、（7)，若已知SHEPffM中某一時(shí)刻的三相輸出狀態(tài)，則可根據(jù)公式 得到延遲60°后的三相輸出狀態(tài)。
[0060] 三電平SVPffM矢量圖如圖2所示，由圖可知某矢量與其逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°得到的新 矢量也滿(mǎn)足式（5)、（6)、（7)，因此SHEPffM與SVPffM有著本質(zhì)的聯(lián)系，SVPffM的A大區(qū)對(duì)應(yīng) SHEPffM輸出波形的90°到150°區(qū)域，其它區(qū)域以此類(lèi)推。所以只需取一個(gè)60°來(lái)研究 SHEPffM開(kāi)關(guān)角度矢量化的結(jié)果。0° -60°的SHEPffM波形可以被看成不同的空間矢量