[發明專利]兩電平逆變器開關頻率最小化諧波抑制脈寬調制方法

有效

• 申請號: 201810869152.3
• 申請日: 2018-08-02
• 公開（公告）號: CN108988673B
• 公開（公告）日: 2020-07-28
• 發明（設計）人: 楊克虎;李華偉;何飛;王晨旭
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學（北京）
• 主分類號: H02M7/483
• 分類號: H02M7/483;H02M1/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開一種適用于兩電平逆變器的開關頻率最小化諧波抑制脈寬調制方法，其主要技術特點包括：對一個基波周期內的兩電平PWM波形進行等間距采樣并將其表示為二值變量序列，利用一階差分矩陣將開關頻率表示為關于此二值變量序列的二次函數；對PWM波形進行傅里葉級數展開，并根據數值積分公式建立基波和諧波關于二值變量序列的線性約束條件；以開關頻率為優化目標函數構造二值二次規劃模型或0?1二次規劃模型，最后求解此模型得到離散化的兩電平PWM波形。與目前常用的特定諧波消除方法相比，本發明公開的方法在消除相同數量諧波時，所需的開關角度個數明顯降低，可以有效降低逆變器的開關損耗、提高能量轉換效率。

技術領域

本發明涉及電力電子系統及其控制方法領域，是一種關于兩電平逆變器的開關頻率和諧波同時優化的脈寬調制方法，特別適合于大功率逆變或整流等應用領域。

背景技術

對于PWM逆變器而言，電能質量和轉換效率在一定程度上是一對矛盾體。隨著開關頻率的增加，諧波會移向高頻，從而更容易濾除，因此，逆變器的輸出電能質量得到改善，但是開關損耗會隨著開關頻率的增加而增加，會降低轉換效率并增加散熱壓力。如何在保證電網電能質量標準的前提下，盡可能地降低開關頻率對于逆變器的優化設計具有重要意義，也一直是本領域的研究熱點與難點。

目前常用的調制方法有載波SPWM(Sinusoidal PWM)方法、空間矢量SVPWM(SpaceVectorPWM)方法、特定諧波消除SHEPWM(Selective Harmonic Elimination PWM)方法、階梯波調制方法等。作為一種優化調制技術，SHEPWM在低開關頻率下相對于SPWM和 SVPWM方法具有更好的諧波性能，在大功率應用場合得到了廣泛的關注和應用。SHE的數學模型是一組關于開關角度的非線性方程組，通常方程的數量等于開關角的數量，即如果開關角數量為N，那么可以消去的諧波數量為N-1。而很少有人去考慮這樣一個問題，即消去給定數量的諧波，最少需要多少個開關角？最近有不少研究者發現在某些調制比下，同樣數量的開關角可以消除比傳統SHE技術更多的諧波，說明消除給定數量的諧波的開關角度個數可以比SHE所需的開關角個數更少。然而，這些發現都只是在研究SHE解的特性時的偶然發現，并非主動去探尋消除一定數量諧波最少需要多少個開關角這樣一個問題。

發明內容：

本發明的目的在于提供一種關于兩電平逆變器的調制方法，能夠在滿足一定的諧波要求的前提下，盡可能地降低開關頻率，進而降低開關損耗即散熱壓力，提高逆變器的效率。

為達成所述目的，本發明的兩電平逆變器開關頻率最小化諧波抑制脈寬調制方法采用了如下的技術手段：

1.傳統SHE模型以開關角度表示PWM波形，一旦開關角度數量給定，開關頻率也就固定了，不存在進一步優化的可能；本發明將PWM波形表示為一組二值變量序列，每個變量表示對應采樣點上PWM波形可能的取值，這種表示方法將整個PWM波形作為求解對象，對PWM波形的跳變次數(對應于開關頻率)沒有任何限定，克服了以開關角度表示PWM 波形時開關頻率固定的缺陷，為開關頻率的進一步優化提供了可能；

2.開關頻率與PWM波形的跳變次數直接相關，而在PWM波形的非跳變時刻，一階差分的結果均為0，只有在跳變的時候，一階差分的結果才非零，有1和-1兩種可能。因此本發明通過對表示PWM波形的二值變量序列做一階差分運算，并計算出結果中的非零項個數，將其表示為開關頻率，作為優化的目標函數。

基于以上技術手段，本發明的兩電平逆變器開關頻率最小化諧波抑制脈寬調制方法包括以下步驟：

步驟1、對兩電平PWM波形進行等間距采樣，假定采樣點數量為n，每個采樣點上的取值記為一個二值變量，將PWM波形表示為如下的二值變量序列

x＝[x₁，x₂，...，x_n]^T