基于免疫算法的三相逆變器無死區(qū)最優(yōu)空間矢量控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種基于免疫算法的三相逆變器無死區(qū)最優(yōu)空間矢量控制方法。本發(fā)明在分析各種減少或消除死區(qū)影響方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)三相全橋逆變器提出一種新的SVPWM死區(qū)消除方法。在不需要精確的電流極性檢測(cè)條件下，通過劃分扇區(qū)確定開關(guān)序列，該發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)在常規(guī)扇區(qū)、過渡扇區(qū)、電流過零點(diǎn)扇區(qū)無縫過渡。并借助于免疫算法對(duì)滿足死區(qū)消除方法的矢量控制序列進(jìn)行優(yōu)化，包括同時(shí)優(yōu)化SVPWM矢量順序和矢量作用時(shí)間，提高三相逆變器輸出波形質(zhì)量。本發(fā)明所產(chǎn)生的無死區(qū)SVPWM控制序列與常規(guī)控制策略相比不僅能有效地消除死區(qū)影響，還能明顯減小三相逆變器輸出波形的加權(quán)總諧波畸變率(WTHD)。
【專利說明】基于免疫算法的三相逆變器無死區(qū)最優(yōu)空間矢量控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及三相逆變器數(shù)字化控制【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及基于免疫算法的三相逆變器無死區(qū)控制優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]三相電壓型逆變器在電力電子中已得到廣泛應(yīng)用，其中開關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間要長(zhǎng)于它的開通時(shí)間，若上橋臂沒有完全關(guān)斷的情況下橋臂已經(jīng)導(dǎo)通，就會(huì)存在直通，產(chǎn)生過電壓，因此，必須引入死區(qū)時(shí)間防止直通，即這段時(shí)間內(nèi)上下橋臂都關(guān)斷。但死區(qū)的存在將使得輸出電壓和電流發(fā)生非線性畸變[1]，且低次諧波增加，電機(jī)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動(dòng)，增加諧波損耗等，尤其是在電壓低，開關(guān)頻率高時(shí)影響更為嚴(yán)重。
[0003]胡慶波和孫向東等對(duì)如何補(bǔ)償逆變器的死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行了研究，然而補(bǔ)償并不能從根本上解決問題。Peng和Yang提出禁止給不必要的開關(guān)門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的一種的死區(qū)時(shí)間最小化的算法。Peng通過附加硬件檢測(cè)電路判斷功率管并聯(lián)二極管是否導(dǎo)通來檢測(cè)電流方向，然而，硬件檢測(cè)電路帶來了不可靠性、復(fù)雜性。更重要的問題是，由于開關(guān)造成的高頻紋波電流成分的存在，使得逆變器輸出電流在過零點(diǎn)附近反復(fù)穿越過零點(diǎn)，檢測(cè)輸出電路將出現(xiàn)高頻振蕩。同時(shí)，由于數(shù)字控制本身存在至少一個(gè)控制周期的延時(shí)，則在過零點(diǎn)附近，當(dāng)控制器輸出功率管導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，負(fù)載電流可能已經(jīng)改變方向，導(dǎo)致檢測(cè)失敗。所以對(duì)三相逆變器采取補(bǔ)償和死區(qū)時(shí)間最小化并不能達(dá)到目的。
[0004]Y.Wang采用混合式PWM調(diào)制方法，提出常規(guī)區(qū)域不設(shè)置死區(qū)的控制策略，其原理對(duì)于常規(guī)區(qū)域:電流在正負(fù)半周內(nèi)，實(shí)際上同一橋臂只有一個(gè)功率器件與并聯(lián)二極管導(dǎo)通電流，所以可以禁止實(shí)際不導(dǎo)通電流的功率器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)，讓其一直處于關(guān)斷狀態(tài)，則上下開關(guān)之間不用再設(shè)置死區(qū)，實(shí)現(xiàn)無死區(qū)控制，但該方法需要準(zhǔn)確獲取每個(gè)開關(guān)的狀態(tài)檢測(cè)情況以及電流極性。且在過零區(qū)域仍然要插入一段死區(qū)時(shí)間，并不能實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程中的無死區(qū)，波形仍然可能產(chǎn)生畸變。Y.Wang和Ramachandran B通過判斷功率管并聯(lián)二極管是否導(dǎo)通來檢測(cè)電流方向而引入了電流檢測(cè)硬件電路,其中Ramachandran B提出了不需要為檢測(cè)電路提供單獨(dú)的獨(dú)立電路電源，但是引入檢測(cè)回路，同時(shí)也將會(huì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)型和可靠性等方面的缺點(diǎn)。此外,Y.Wang和Ramachandran B所提出的死區(qū)消除方法并不適應(yīng)與有多個(gè)電流過零點(diǎn)的情況。但以上的無死區(qū)方法和補(bǔ)償死區(qū)時(shí)間、死區(qū)時(shí)間最小化大多只考慮了單相的情況，對(duì)于三相逆變器無死區(qū)并沒有深入研究，考慮了 X.Cai三相逆變器的死區(qū)問題，但不能在整個(gè)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)無死區(qū)，所以，以上方法都不能實(shí)現(xiàn)三相逆變器的無死區(qū)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的技術(shù)問題，提供了一種有效的解決了消除逆變器死區(qū)影響的過零點(diǎn)的問題，且不需要非常精確的電流極性檢測(cè)裝置的基于免疫算法的三相逆變器無死區(qū)控制優(yōu)化方法。
[0006]本發(fā)明還有一目的是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的技術(shù)問題；提供了一種能夠使逆變器開關(guān)器件開關(guān)狀態(tài)的過渡更加平滑，實(shí)現(xiàn)了各之間扇區(qū)無縫過渡的無死區(qū)控制的基于免疫算法的三相逆變器無死區(qū)控制優(yōu)化方法。
[0007]本發(fā)明再有一目的是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的技術(shù)問題；提供了一種明顯減少三相逆變器輸出波形總諧波畸變率，提高了輸出波形質(zhì)量的基于免疫算法的三相逆變器無死區(qū)控制優(yōu)化方法。
[0008]本發(fā)明最后有一目的是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的技術(shù)問題；提供了一種能夠最大限度地減少開關(guān)損耗，且由于開關(guān)動(dòng)作次數(shù)平均分配則可以提高器件的利用率和延長(zhǎng)使用周期的基于免疫算法的逆變器無死區(qū)控制優(yōu)化方法。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0010]一種基于免疫算法的三相逆變器無死區(qū)最優(yōu)空間矢量控制方法，基于定義:三相逆變器的上橋臂開關(guān)為Sa、Sb和Sc，相應(yīng)的下橋臂開關(guān)為Sa'、Sb'和Sc'，三相逆變器
中橋臂開關(guān)的單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)Sm按以下公式取值
[0011]
【權(quán)利要求】
1.一種基于免疫算法的三相逆變器無死區(qū)最優(yōu)空間矢量控制方法，基于定義:三相逆變器的上橋臂開關(guān)為Sa、Sb和Sc，相應(yīng)的下橋臂開關(guān)為Sa'、Sb'和Sc'，三相逆變器中橋臂開關(guān)的單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)Sm按以下公式取值
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于免疫算法的三相逆變器無死區(qū)最優(yōu)空間矢量控制方法，其特征在于，所述無死區(qū)的控制是對(duì)脈沖序列的控制，具體操作時(shí):首先根據(jù)三相電流在各個(gè)扇區(qū)的極性得出無死區(qū)控制時(shí)的三相逆變器正常工作時(shí)的各個(gè)扇區(qū)的矢量序列以及對(duì)應(yīng)的開關(guān)及二極管狀態(tài)；然后根據(jù)開關(guān)狀態(tài)和二極管狀態(tài)得出各扇區(qū)序列，包括電流過零扇區(qū)序列、常規(guī)扇區(qū)序列、過渡扇區(qū)序列，通過對(duì)這些序列的控制實(shí)現(xiàn)三相逆變器的無死區(qū)控制；針對(duì)所述三種扇區(qū)序列進(jìn)行下述操作: 操作一:電流過零扇區(qū)序列中，該區(qū)域的某相控制序列恒為O或1，恒為O時(shí)，只給下橋臂的開關(guān)管發(fā)脈沖，沒有發(fā)生直通條件；恒為I時(shí)，只給上橋臂發(fā)脈沖，沒有發(fā)生直通條件； 操作二:常規(guī)扇區(qū)序列中，扇區(qū)電流大于零，上橋臂開關(guān)管導(dǎo)通或者下橋臂二極管導(dǎo)通，整個(gè)過程下橋臂開關(guān)管沒有導(dǎo)通脈沖，從而不能發(fā)生直通；扇區(qū)電流小于零，下橋臂開關(guān)管導(dǎo)通或者上橋臂二極管導(dǎo)通，整個(gè)過程上橋臂開關(guān)管沒有導(dǎo)通脈沖，從而不能發(fā)生直通； 操作三:過渡扇區(qū)序列中，包括兩種情況，一是過渡時(shí)，該相脈沖序列恒為O或1，從而沒有直通條件，無死區(qū)；二是在過渡時(shí)，限制上一個(gè)扇區(qū)的矢量已經(jīng)將進(jìn)入下一扇區(qū)的橋臂提前關(guān)閉了，從而為上一個(gè)扇區(qū)過渡到下一扇區(qū)準(zhǔn)備了時(shí)間； 最后，采用免疫算法求取對(duì)三相逆變器的整個(gè)周期中O~2 π /3部分的開關(guān)狀態(tài)控制序列，然后經(jīng)過對(duì)稱變換得到整個(gè)周期中的開關(guān)狀態(tài)控制序列。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于免疫算法的三相逆變器無死區(qū)最優(yōu)空間矢量控制方法，其特征在于，所述求取O~2 π /3部分的開關(guān)狀態(tài)控制序列包括以下步驟: 步驟I，編碼操作，包括設(shè)置每一條抗體含有兩條子抗體X和y，一條子抗體X包括O~`2 π /3部分的開關(guān)狀態(tài)控制序列的所有合成矢量，每個(gè)合成矢量包括3個(gè)不同矢量Vm，子抗體X的每個(gè)基因位用矢量Vm的相應(yīng)數(shù)值表示，矢量Vm的相應(yīng)數(shù)值為m，m的取值范圍為O、`1、2、3、4、5、6、7 ;另一條子抗體y的基因位是與子抗體x各基因位的矢量Vm分別對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間Tm; 步驟2，注射疫苗，包括將作為治療性疫苗的抗體加入初始抗體種群，并隨機(jī)生成其他抗體，得到初始的抗體種群；設(shè)當(dāng)前的迭代次數(shù)k=l，將初始的抗體種群作為當(dāng)前的抗體種群; 步驟3,計(jì)算親和度,包括對(duì)當(dāng)前的抗體種群中每一條抗體計(jì)算親和度；步驟4,計(jì)算染色體濃度,包括對(duì)當(dāng)前的抗體種群中每一條抗體按以下方式計(jì)算濃度， 步驟5，免疫選擇，包括根據(jù)步驟3所得親和度和步驟4所得濃度對(duì)當(dāng)前的抗體種群中每一條抗體計(jì)算免疫選擇函數(shù)值，將免疫選擇函數(shù)值低的抗體隨機(jī)從當(dāng)前的抗體種群中去除； 步驟6，基于當(dāng)前的抗體種群分別進(jìn)行交叉操作、變異操作以及倒位操作； 步驟7，判斷當(dāng)前迭代次數(shù)k是否達(dá)到設(shè)定的最大迭代次數(shù)，是則進(jìn)入步驟8，否則設(shè)當(dāng)前迭代次數(shù)k=k+l，返回到步驟3進(jìn)行下一次迭代； 步驟8，對(duì)當(dāng)前的抗體種群中每一條抗體計(jì)算親和度，判斷當(dāng)前所得結(jié)果是否收斂，是則進(jìn)入步驟9，否則以當(dāng)前的抗體種群作為治療性疫苗的抗體，返回到步驟2重新生成初始抗體種群進(jìn)行迭代； 步驟9，對(duì)當(dāng)前的抗體種群中每一條抗體計(jì)算免疫選擇函數(shù)值，根據(jù)免疫選擇函數(shù)值最大的抗體得到三相逆變器的整個(gè)周期中O~2 π /3部分的開關(guān)狀態(tài)控制序列。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于免疫算法的三相逆變器無死區(qū)最優(yōu)空間矢量方法，其特征在于，步驟I中，初始種群是在滿足編碼操作及無死區(qū)時(shí)間的約束條件情況下隨機(jī)產(chǎn)生的，約束條件為，每一扇區(qū)只選擇一個(gè)零矢量Ttl或T7。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于免疫算法的三相逆變器無死區(qū)最優(yōu)空間矢量方法，其特征在于，所述步驟3中，親和度的獲取是基于總的諧波畸變率與開關(guān)損耗的約束，親和度的獲取基于公式:
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于免疫算法的三相逆變器無死區(qū)最優(yōu)空間矢量方法，其特征在于，所述步驟4中，染色體的濃度的獲取方法是:定義第i條抗體Xi和第j條抗體Xj為在空間X中的兩個(gè)矢量，它們通過函數(shù)f映射到空間Y中稱為矢量f (Xi)、f(xj)，因此矢量f (Xi)^f(Xj)在Y空間中的距離為:

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于免疫算法的三相逆變器無死區(qū)最優(yōu)空間矢量方法，其特征在于，步驟5中免疫選擇函數(shù):
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于免疫算法的三相逆變器無死區(qū)最優(yōu)空間矢量方法，其特征在于，所述步驟6中， 所述交叉操作的具體操作是:若判定兩條染色體任意一個(gè)基因位基因位隨機(jī)產(chǎn)生的概率大于交叉率，則從該基因位開始； 所述變異操作的具體操作是:若判定染色體中任意一個(gè)基因位隨機(jī)產(chǎn)生的概率大于變異率，染色體零矢量的作用時(shí)間Ttl發(fā)生突變，記為Tc/滿足Tc/ <TS,然后T4突變?yōu)門4'，滿足 Tc/ +T4' <TS，最后 T6 突變?yōu)?T6'，滿足 Tc/ +T4' +T6' =Ts; 所述倒位操作的具體操作為:若判定染色體中任意一個(gè)基因位隨機(jī)產(chǎn)生的概率大于倒位率，則將這一周期與下一周期的基因全部互換或者將這一周期的中任意一個(gè)基因與下一周期的任意一個(gè)基因互換。
【文檔編號(hào)】G06N3/00GK103546054SQ201310522320
【公開日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2013年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月29日
【發(fā)明者】袁佳歆, 趙震, 費(fèi)雯麗, 陳柏超, 田翠華 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)