(1.浙江工業(yè)大學(xué) 容大后勤集團,杭州 310014; 2.浙江工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院,杭州 310014;3.浙江工業(yè)大學(xué),杭州 310014)

0 引言

在大功率或者中高壓的環(huán)境下，多電平逆變器與傳統(tǒng)兩電平逆變器相較而言存在一定差異，其憑借其輸出電壓穩(wěn)定、控制方便等特點，成為該領(lǐng)域研究的熱點，并逐漸開始取代兩電平逆變器[1-2]。級聯(lián)多電平逆變器的使用范圍廣泛，并使用于各個行業(yè)，如：電力、石油、化工、采礦、煤炭等。將級聯(lián)多電平逆變器為主電路的控制系統(tǒng)投入和使用到其中，改善了功率因數(shù)，避免了直接起動造成對電機損壞和對電網(wǎng)的沖擊事故，減少了停產(chǎn)維修時問，裝置的智能化優(yōu)化了生產(chǎn)工藝，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，也帶來了十分可觀的直接經(jīng)濟效益，在某些場合大于節(jié)能本身帶來的效益。然而在這種逆變器中母線的電容波動對其運作有著極為重要的作用[3-4]。為了更好地使級聯(lián)多電平逆變器正常運作，需要保證母線的電容波動一直保持在均衡狀態(tài)，故而對此進行研究。王瑞, 趙金提出四開關(guān)逆變器直流母線電容電壓均衡控制研究方法，首先通過電路分析給出電容電壓波動公式，指出從正常運行切換到四開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)瞬間流入電容中點電流的相位對兩電容電壓波動的影響。分析了電容電壓產(chǎn)生漂移的原因并給出通過發(fā)送特定開關(guān)狀態(tài)實現(xiàn)兩電容電壓均衡的控制方法。實驗結(jié)果驗證了分析的正確性和電壓均衡控制方法的有效性[5]。 但其運行過程復(fù)雜，沒有良好的實用性。張兵, 王政, 儲凱,等人提出NPC型三電平逆變器容錯控制模式下的母線電容電壓波動控制分析方法，通過實驗對理論推導(dǎo)的母線電容電壓波動規(guī)律及其在容錯控制模式下母線電容電壓波動抑制策略進行驗證[6]。但這種方法在同等輸出容量條件下功率器件耐壓等級增加、系統(tǒng)運行效率降低并且還對負載星形聯(lián)結(jié)方式產(chǎn)生依賴性。

為解決上述問題，本文提出基于循環(huán)路徑的級聯(lián)多電平逆變器母線電容波動均衡控制系統(tǒng)，通過基本工作原理，根據(jù)工作環(huán)境以及多電平逆變器運作特征來分析其內(nèi)部母線電容電壓波動特性，以保證其波動穩(wěn)定來促進多電平逆變器的運作。

1 硬件設(shè)計

在研究的級聯(lián)多電平逆變器中，以4電平級聯(lián)逆變器作為研究對象，逆變器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 逆變器結(jié)構(gòu)示意圖

級聯(lián)多電平逆變器母線電容波動均衡控制系統(tǒng)的硬件運行環(huán)境主要包含調(diào)頻盲卷積開發(fā)平臺、母線電容大數(shù)據(jù)采集器、均衡控制器三個組成部分，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 調(diào)頻盲卷積開發(fā)平臺結(jié)構(gòu)圖

1.1 調(diào)頻盲卷積開發(fā)平臺

調(diào)頻盲卷積開發(fā)平臺以具有2個鎖相環(huán)的Cyclone EP 1 C6Q24017器件作為核心搭建設(shè)備。且在該設(shè)備周圍分布著Flash存儲器、SDRAM存儲器件、電源擴展插座、母線電容大數(shù)據(jù)采集器等多個組成部分。

其中，F(xiàn)lash存儲器具備16 Mb的基礎(chǔ)存儲空間，可在系統(tǒng)運行過程中，通過調(diào)頻盲卷積理論獲取大量的聚類控制數(shù)據(jù)，在I/O引腳控制開關(guān)處于持續(xù)連接狀態(tài)時，存儲器釋放空間內(nèi)的暫存數(shù)據(jù)，回歸原始連接狀態(tài)[7]。

SDRAM存儲器件具備一個DB9串行口，可通過并行連接開關(guān)控制該模塊與Cyclone EP 1 C6Q24017器件間的連接狀態(tài)，當系統(tǒng)中的母線電容大數(shù)據(jù)滿足調(diào)頻盲卷積原理的調(diào)用條件時，對系統(tǒng)中的運行數(shù)據(jù)進行長久存儲處理。

電源擴展插座是系統(tǒng)中的核心供電單元，滿足3.3 V的額定輸電要求，可以JTAG方式連接多個運行環(huán)節(jié)，在輸電控制過程中，通過調(diào)頻盲卷積原理實現(xiàn)對Cyclone EP 1 C6Q24017器件的間性供電。

1.2 母線電容大數(shù)據(jù)采集器

母線電容大數(shù)據(jù)采集器作為整體控制系統(tǒng)硬件運行環(huán)境的核心處理模塊，可經(jīng)過SPI聚類分頻器對電容大數(shù)據(jù)進行基礎(chǔ)篩選處理后，與調(diào)頻盲卷積開發(fā)平臺的Cyclone EP 1 C6Q24017器件相連。這種新型的系統(tǒng)搭建方式，在電容大數(shù)據(jù)采集器的基礎(chǔ)上，增設(shè)了兩個輔助移位寄存器設(shè)備。其中，一個設(shè)備可同時接收Cyclone EP 1 C6Q24017器件和SPI聚類分頻器中的電容大數(shù)據(jù)，另一個設(shè)備在原始移位寄存器的基礎(chǔ)上，對母線電容大數(shù)據(jù)進行線性整合，并將這些數(shù)據(jù)按照符合調(diào)頻盲卷積抓取規(guī)則的排列順序，傳輸至母線電容大數(shù)據(jù)采集器中?？刂萍拇嫫髯鳛榇髷?shù)據(jù)采集器的直屬下級結(jié)構(gòu)，能夠以從機選擇的方式判斷上級結(jié)構(gòu)中電容大數(shù)據(jù)的連接屬性是否滿足線性調(diào)頻盲卷積原理，并在電源擴展插座保持額定工作限度的條件下，將這些電力大數(shù)據(jù)以IRO信息流的形式傳輸至Avalon總線接口。該接口是系統(tǒng)大數(shù)據(jù)采集器、均衡控制器間的唯一信息傳輸途徑。圖3反應(yīng)了母線電容大數(shù)據(jù)采集器的詳細結(jié)構(gòu)。

圖3 母線電容大數(shù)據(jù)采集器結(jié)構(gòu)圖

1.3 均衡控制器設(shè)計

均衡控制器作為硬件運行環(huán)境的末尾模塊，可對整個系統(tǒng)中運行的電容大數(shù)據(jù)進行整合處理。SDRAM芯片作為該模塊的核心搭建設(shè)備，可以通過調(diào)節(jié)電力大數(shù)據(jù)存儲空間的方式，來滿足線性調(diào)頻盲卷積原理約束下的系統(tǒng)聚類代碼空間。Avalon總線接口是均衡控制器與外界系統(tǒng)運行環(huán)境進行數(shù)據(jù)通信的唯一交流通道，可以在PC傳輸標準的約束下，直接獲取SDRAM芯片中的電容數(shù)據(jù)，并利用線性調(diào)頻盲卷積原理對系統(tǒng)中的聚類指令進行調(diào)節(jié)分析。SDRAM芯片與Flash存儲器中記憶單元具備相似的物理性質(zhì)，可通過Flash存儲器的I/O引腳與Avalon總線接口相連，并在保持持續(xù)連接的狀態(tài)下，控制數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的傳輸速率。電容數(shù)據(jù)從Avalon總線接口到SDRAM芯片的傳輸過程中，始終遵循線性調(diào)頻盲卷積原理，且在聚類控制指令的促進下，均衡控制器始終能夠保持良好的運行狀態(tài)，圖4反應(yīng)了系統(tǒng)均衡控制器的詳細搭建原理。

圖4 均衡控制器搭建原理詳解圖

通過對各個模塊的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，為其軟件設(shè)計部分打下基礎(chǔ)，能夠清晰的看出每個部件之間相互關(guān)系，有助于更深入的研究級聯(lián)多電平逆變器母線電容波動均衡控制系統(tǒng)基本流程。

2 軟件設(shè)計

在系統(tǒng)硬件運行環(huán)境的基礎(chǔ)上，通過線性聚類控制程序設(shè)計、調(diào)頻盲卷積協(xié)議棧移植、電力電容數(shù)據(jù)循環(huán)路徑規(guī)劃三個基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，完軟件運行環(huán)境搭建，實現(xiàn)系統(tǒng)的順利運行。

2.1 線性聚類控制程序設(shè)計

線性聚類控制程序以SPI映射代碼作為核心編寫原則，且這些代碼程序既能保證電容數(shù)據(jù)的順向傳輸，也能在一定程度上提升線性調(diào)頻盲卷積原理對系統(tǒng)各執(zhí)行模塊的促進作用。當相關(guān)執(zhí)行指令從聚類寄存器傳輸至控制寄存器后，DeleteData指令可對電容數(shù)據(jù)中的穩(wěn)定寄存部分進行目標定義，并在每一個已定義數(shù)據(jù)節(jié)點后增設(shè)一個.*Node后綴[8-9]。這些標記后的電容數(shù)據(jù)在符合線性調(diào)頻盲卷積原理的前提下，可按照InsertData控制原理進行重新排列，并隨著數(shù)據(jù)流的走向趨勢完成對系統(tǒng)相關(guān)執(zhí)行模塊的運行調(diào)節(jié)。這種新型的線性聚類程序搭建方式，既遵循class鏈表語句的調(diào)節(jié)方式，也能在一定程度上體現(xiàn)代碼類程序?qū)﹄娙輸?shù)據(jù)的控制作用。新型系統(tǒng)的線性聚類程序具備多個可連接的插入節(jié)點，可以通過delptr指令對電容數(shù)據(jù)進行重新定義，達到提升程序控制效果的目的。具體線性聚類控制程序的編程代碼如下：

using namespace std；

DeleteData (ptr=List::Head；

GetHeadNode()；

{return List::Head;} .*Node；

InsertDatanewptr->Next=ptr->Next；

void List::DeleteData()；

if (ptr->Data==d && ptr==List::Head)；

else if (ptr->Next->Data==d；

return Antitone Show List()；

List::Unite2List(Node *lit)；

2.2 調(diào)頻盲卷積協(xié)議棧移植

調(diào)頻盲卷積協(xié)議棧移植是系統(tǒng)軟件運行環(huán)境的搭建基礎(chǔ)。ARP協(xié)議棧、ICMP協(xié)議棧、UDP協(xié)議棧、BOOTP協(xié)議棧是幾種常見的調(diào)頻盲卷積協(xié)議棧，與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)不同，新型系統(tǒng)在協(xié)調(diào)上述幾種協(xié)議棧MAC地址的基礎(chǔ)上，利用PIO控制器調(diào)節(jié)相關(guān)協(xié)議棧間電力大數(shù)據(jù)的傳輸方式。當電容數(shù)據(jù)可以在聚類控制系統(tǒng)的輸出通道內(nèi)保持長時間的順位連接狀態(tài)，在以太網(wǎng)接口閉合的情況下，首協(xié)議棧會自發(fā)與尾協(xié)議棧的物理節(jié)點連接，并將處于傳輸過程中的電容數(shù)據(jù)暫時存儲于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，以便協(xié)議棧物理節(jié)點可以在沒有傳輸壓力的情況下，完成關(guān)聯(lián)性拼接，這種自發(fā)的協(xié)議棧連接方式即為調(diào)頻盲卷積協(xié)議棧移植。具體移植原理如圖5所示。

圖5 調(diào)頻盲卷積協(xié)議棧移植原理解析圖

在對調(diào)頻盲卷積協(xié)議棧移植過程中，首先需要計算出首協(xié)議棧與尾協(xié)議棧相連接的物理能量，獲取各個節(jié)點的短時平均過零率，設(shè)定一定數(shù)量的預(yù)加重濾波器，對各協(xié)議相連所得能量進行預(yù)加重濾波，獲取協(xié)議棧移植的靜態(tài)與動態(tài)特性，并進行相比較，提取協(xié)議棧移植的特征向量，以該向量為依據(jù)完成對調(diào)頻盲卷積協(xié)議棧移植準確性對比中的能量過濾。具體的步驟如下詳述：

假設(shè)，由Yn代表節(jié)點通過零值次數(shù)，A代表每段能量值，則利用式(1)獲取各個短時平均過零率：

(1)

在上式中，z(n)代表高斯信號干擾，ω(m-n)代表高斯變量的峭度，zw代表節(jié)點的短時能量，n-1代表非高斯變量的峭度。

假設(shè)，由L代表對協(xié)議棧進行傅里葉變換得到其功率譜，Pn(m)代表的一定數(shù)量的濾波器在各離散頻率點。

則利用式(2)給出一個預(yù)加重濾波器，對各協(xié)議相連所得能量進行預(yù)加重濾波：

(2)

式中，LM代表自然對數(shù)，H(z)代表傳遞函數(shù)。

依據(jù)以上闡述，利用式(3)獲取協(xié)議棧移植的靜態(tài)與動態(tài)特性，并進行相比較，提取協(xié)議棧移植的特征向量：

(3)

式中，(Φ)代表電容波動的MFCC參數(shù)。

以上方法可以說明，調(diào)頻盲卷積協(xié)議棧移植過程原理，利用該原理完成了對調(diào)頻盲卷積協(xié)議棧準確性移植。

2.3 實現(xiàn)基于循環(huán)路徑規(guī)劃的母線電容波動均衡控制

電容數(shù)據(jù)循環(huán)路徑以盲卷積開發(fā)平臺搭建作為起始環(huán)節(jié)，且在該平臺的支持下，電容數(shù)據(jù)可以在采集器、均衡控制器之間進行線性傳輸[10]。當系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫完成母線電容數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)采集后，Avalon總線接口的數(shù)據(jù)傳輸壓力得到有效緩解，線性聚類控制程序會在判斷調(diào)頻盲卷積協(xié)議棧中數(shù)據(jù)指令周期的同時，構(gòu)建全新的class鏈表，并通過調(diào)節(jié)其中基本傳輸語句的手段，統(tǒng)計電力大數(shù)據(jù)的連接方式。PIO控制器作為調(diào)頻盲卷積協(xié)議棧約束傳輸功能的唯一執(zhí)行者，可在滿足系統(tǒng)運行條件的前提下，暫存所有電容數(shù)據(jù)，并在每一個數(shù)據(jù)運行周期的末尾，將這些數(shù)據(jù)全部傳輸至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫做長期存儲處理。通過這樣的數(shù)據(jù)處理方式，既能保證系統(tǒng)聚類控制指令的有效傳輸，也能使系統(tǒng)中的運行母線電容數(shù)據(jù)始終處于有效補償狀態(tài)。整合上述操作原理，完成循環(huán)路徑的級聯(lián)多電平逆變器母線電容波動均衡控制系統(tǒng)構(gòu)建，具體數(shù)據(jù)循環(huán)路徑如圖6所示。

圖6 母線電容大數(shù)據(jù)循環(huán)路徑圖

明確基本工作流程，可對該系統(tǒng)進行可行性分析，結(jié)合硬件及軟件設(shè)計部分，進行下一步實驗。

3 實驗結(jié)果與分析

為驗證所設(shè)計控制系統(tǒng)的實用性價值，進行實驗測試性能。設(shè)計如下對比實驗。以兩臺配置調(diào)頻盲卷積開發(fā)平臺的計算機作為實驗對象，其中實驗組計算機搭載本文所涉及控制系統(tǒng)，對照組計算機搭載傳統(tǒng)控制系統(tǒng)。在其它影響因素不變的前提下，應(yīng)用控制變量法，分別記錄在相同實驗時間內(nèi)，使用實驗組、對照組聚類控制系統(tǒng)后，相關(guān)實驗數(shù)據(jù)的具體變化趨勢。實驗條件為：電機額定功率2.2 kw，直流母線電壓200 V，額定轉(zhuǎn)速為1 430 r·min-1，額定電壓380 V，額定電流為4.9 A，逆變器開關(guān)頻率10 kHz，C1=C2=1 410 μF。

在基礎(chǔ)實驗環(huán)境穩(wěn)定不變的前提下，為保證實驗結(jié)果具有較高真實性，可按照下表對相關(guān)實驗參數(shù)進行詳細規(guī)劃。

表1 實驗參數(shù)設(shè)置表

表1中,EMT參數(shù)代表實驗時間、TDW參數(shù)代表時域調(diào)頻波長、TWP參數(shù)代表時域波形控制參數(shù)、TCL參數(shù)代表時域控制極限、WFD參數(shù)代表頻域調(diào)頻波長、FWP參數(shù)代表頻域波形控制參數(shù)、FDL參數(shù)代表頻域控制極限，為保證實驗結(jié)果的真實性，實驗組、對照組實驗參數(shù)始終保持一致。

3.1 級聯(lián)多電平逆變器母線電容波動控制有效性對比

在以上實驗參數(shù)設(shè)置的條件下，對級聯(lián)多電平逆變器母線電容波動情況進行控制，不同方法的具體實驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 電容波形測試結(jié)果對比

由圖7可知，未使用任何均衡控制方法的電容波形波動幅度較大，利用傳統(tǒng)方法進行均衡控制后，其波形波動相對較小，但整體幅度未變。而使用本文所提的均衡控制方法，其波動均衡度較高，且母線電容幅度范圍可控制在1 600～1 700 μF內(nèi)，證明所提方法的有效性較高。

為避免突發(fā)性事件對實驗結(jié)果真實性的影響，在時域調(diào)頻波長為6.78×10-9μm、時域波形控制參數(shù)為0.74、仿真波處于橫向延展的條件下，以75 min作為實驗時間，分別記錄應(yīng)用實驗組、對照組聚類控制系統(tǒng)后，時域調(diào)頻波仿真波形控制有效性的變化趨勢；在時域調(diào)頻波長為6.78×10-9μm、時域波形控制參數(shù)為0.68、仿真波處于縱向延展的條件下，以75 min作為實驗時間，分別記錄應(yīng)用實驗組、對照組聚類控制系統(tǒng)后，時域調(diào)頻波仿真波形控制有效性的變化趨勢。具體實驗對比情況如圖8、圖9所示。

圖8 時域調(diào)頻波仿真波形控制有效性對比表(橫向)

對比表1、圖8可知，在時域調(diào)頻波長為6.78×10-9μm、時域波形控制參數(shù)為0.74、仿真波處于橫向延展的條件下，隨時實驗時間的增加，應(yīng)用實驗組聚類控制系統(tǒng)后，時域調(diào)頻波仿真波形控制有效性呈現(xiàn)上升、穩(wěn)定、上升、穩(wěn)定、下降的變化趨勢，實驗時間處于65～70 min之間時，時域調(diào)頻波仿真波形控制有效性達到最大值68.4%，與最小值間的差值為8.1%，與目標極限值相比上升了0.5%；應(yīng)用對照組聚類控制方法后，時域調(diào)頻波仿真波形控制有效性呈現(xiàn)先階梯狀上升、再下降的變化趨勢，實驗時間處于25～45 min之間時，時域調(diào)頻波仿真波形控制有效性達到最大值40.7%，與最小值間的差值為13.5%，與目標極限值相比下降了27.2%，遠低于實驗組。綜上可知，在仿真波處于橫向延展的條件下，應(yīng)用基于線性調(diào)頻盲卷積電力大數(shù)據(jù)聚類控制系統(tǒng)可將時域調(diào)頻波仿真波形控制有效性提升27.7%。

圖9 時域調(diào)頻波仿真波形控制有效性對比(縱向)

對比表1、圖9可知，在時域調(diào)頻波長為6.78×10-9μm、時域波形控制參數(shù)為0.68、仿真波處于縱向延展的條件下，隨時實驗時間的增加，應(yīng)用實驗組聚類控制系統(tǒng)后，時域調(diào)頻波仿真波形控制有效性呈現(xiàn)先下降、再上升的變化趨勢，實驗時間為75 min時，時域調(diào)頻波仿真波形控制有效性達到最大值71.9%，與最小值間的差值為9.5%，與目標極限值相比上升了0.6%；應(yīng)用對照組聚類控制方法后，時域調(diào)頻波仿真波形控制有效性呈現(xiàn)上升、穩(wěn)定、下降的變化趨勢，實驗時間處于35～50 min之間時，時域調(diào)頻波仿真波形控制有效性達到最大值42.5%，與最小值間的差值為2.0%，與目標極限值相比下降了28.8%，遠低于實驗組。綜上可知，在仿真波處于縱向延展的條件下，應(yīng)用基于線性調(diào)頻盲卷積電力大數(shù)據(jù)聚類控制系統(tǒng)可將時域調(diào)頻波仿真波形控制有效性提升29.4%。

3.3 頻域調(diào)頻波仿真波形控制有效性對比

為避免突發(fā)性事件對實驗結(jié)果真實性的影響，本次實驗分為兩部分進行。在頻域調(diào)頻波長為7.32×10-9μm、頻域波形控制參數(shù)為0.96、仿真波處于橫向延展的條件下，以75 min作為實驗時間，分別記錄應(yīng)用實驗組、對照組聚類控制系統(tǒng)后，頻域調(diào)頻波仿真波形控制有效性的變化趨勢；在頻域調(diào)頻波長為7.32×10-9μm、頻域波形控制參數(shù)為0.81、仿真波處于縱向延展的條件下，以75 min作為實驗時間，分別記錄應(yīng)用實驗組、對照組聚類控制系統(tǒng)后，頻域調(diào)頻波仿真波形控制有效性的變化趨勢。具體實驗對比情況如圖10所示。

圖10 頻域調(diào)頻波仿真波形控制有效性對比圖

分析圖10可知，在頻域調(diào)頻波長為7.32×10-9μm、頻域波形控制參數(shù)為0.96、仿真波處于橫向延展的條件下，隨時實驗時間的增加，應(yīng)用實驗組聚類控制系統(tǒng)后，頻域調(diào)頻波仿真波形控制有效性在實驗時間處于60～75 min之間時，達到最大值73.5%，與上限數(shù)值相比上升了3.1%；應(yīng)用對照組聚類控制系統(tǒng)后，頻域調(diào)頻波仿真波形控制有效性在實驗時間在30～45 min之間時，達到最大值31.6%，與上限數(shù)值相比下降了38.8%，遠低于實驗組。在頻域調(diào)頻波長為7.32×10-9μm、頻域波形控制參數(shù)為0.81、仿真波處于縱向延展的條件下，隨時實驗時間的增加，應(yīng)用實驗組聚類控制系統(tǒng)后，頻域調(diào)頻波仿真波形控制有效性在實驗時間為45 min時，達到最大值75.8%，與上限數(shù)值相比上升了3.1%，應(yīng)用對照組聚類控制系統(tǒng)后，頻域調(diào)頻波仿真波形控制有效性也在實驗時間為45 min時，達到最大值40.7%，與上限數(shù)值相比下降了32.0%，遠低于實驗組。綜上可知，在仿真波處于橫向延展的條件下，應(yīng)用基于線性調(diào)頻盲卷積電力大數(shù)據(jù)聚類控制系統(tǒng)可將頻域調(diào)頻波仿真波形控制有效性提升41.9%；在仿真波處于縱向延展的條件下，應(yīng)用基于線性調(diào)頻盲卷積電力大數(shù)據(jù)聚類控制系統(tǒng)可將頻域調(diào)頻波仿真波形控制有效性提升35.1%。

4 結(jié)束語

基于循環(huán)路徑的級聯(lián)多電平逆變器母線電容波動均衡控制系統(tǒng)以采集器、控制器直接相連的方式，完成硬件運行環(huán)境搭建，并通過協(xié)議棧移植、代碼編程相融合的手段，為母線電容數(shù)據(jù)提供基礎(chǔ)的循環(huán)路徑。與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，大幅度降低了由數(shù)據(jù)計算而產(chǎn)生的控制偏差，從實用性方面使系統(tǒng)的應(yīng)用可信程度得到大幅提升，具備較強的實際應(yīng)用價值。