礦用高壓級聯(lián)變頻器的特定諧波消去調(diào)制策略研究

高宴興（山西黃土坡鑫運煤業(yè)有限公司,山西　長治　046500）

礦用高壓級聯(lián)變頻器的特定諧波消去調(diào)制策略研究

高宴興
（山西黃土坡鑫運煤業(yè)有限公司,山西長治046500）

將粒子群優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于計算礦用高壓級聯(lián)型變頻器的開關(guān)角度，能夠在較小的運算量的基礎(chǔ)上保證所獲得的特定諧波消去脈寬調(diào)制策略的開關(guān)角度全局最優(yōu)化，實現(xiàn)特定次諧波的消去。以五電平級聯(lián)H橋作為算例，通過仿真驗證了粒子群算法的正確性和有效性。

高壓變頻器；特定諧波消去；調(diào)制策略；粒子群

多電平變頻器具有輸出諧波含量低、電磁干擾小、電壓等級高、輸出功率大等優(yōu)勢，因此廣泛應(yīng)用于礦井大功率傳動領(lǐng)域。在眾多多電平變頻器拓撲中，級聯(lián)型多電平變頻器具有模塊化的結(jié)構(gòu)、容易實現(xiàn)冗余控制、功率等級擴展容易等諸多優(yōu)勢，因而具有很好的實用性，因而受到電力傳動領(lǐng)域的關(guān)注。

在高壓大功率的場合，往往需要限制開關(guān)器件的開關(guān)頻率，而此時用傳統(tǒng)的一階慣性環(huán)節(jié)來描述PWM控制的特性已經(jīng)不準確，而根據(jù)雙重傅里葉分析可知，在開關(guān)頻率較低時，這兩種調(diào)制策略會引入大量的低頻諧波，從而引起電機轉(zhuǎn)矩的低頻脈動，增加噪音，減少電機壽命。針對此問題，本文研究了礦用高壓級聯(lián)變頻器的特定諧波消去調(diào)制策略（SHEPWM），針對SHEPWM開關(guān)角計算復(fù)雜的問題提出了一種基于粒子群開關(guān)角優(yōu)化計算的方法，此種方法相對于其他方法的最大優(yōu)點在于容易實現(xiàn)全局最優(yōu)化，并可通過合理的參數(shù)設(shè)計減小計算時間。

1　　多電平SHEPWM技術(shù)

多電平SHEPWM技術(shù)的研究主要集中在開關(guān)角的計算方法與對稱性的改進。文獻[1]采用傳統(tǒng)的牛頓迭代法來求取非線性超越方程的解，但是此種方法的精確度與計算時間受到初始值的影響；文獻[2]將三角函數(shù)方程轉(zhuǎn)換為多項式方程，并利用重復(fù)理論求解多項式方程的解，但是隨著電平數(shù)與開關(guān)角的增加，多項式的最高項次數(shù)大大增加，此種方法不再有效；文獻[3]使用Wlash變換將非線性超越方程組轉(zhuǎn)換成線性方程，但是此種方法的運算量仍然較大；文獻[4]使用遺傳優(yōu)化算法，將開關(guān)角的求解問題轉(zhuǎn)化為一個優(yōu)化問題，但是遺傳算法所需調(diào)節(jié)的參數(shù)較多。

大部分文獻往往是將SHEPWM作為一種基頻調(diào)制策略，即每個電平狀態(tài)在一個周期內(nèi)只出現(xiàn)一次，對于電平數(shù)較多的多電平場合階梯波輸出波形能夠滿足諧波限制的要求，但對于電平數(shù)較少的場合，比如三電平、五電平等，如果仍保持開關(guān)頻率為基頻，往往不能滿足諧波限制的要求。為了解決上述問題，本文采用多電平SHEPWM策略的改進算法[5]。假設(shè)單個周期內(nèi)每個電平出現(xiàn)的次數(shù)為k，以五電平為例那么四分之一周期內(nèi)的輸出波形如圖1所示。相系統(tǒng)只需消去非三倍頻奇數(shù)次諧波，因此可以消去的最高次諧波為6k-1，如k=3，則上式中的n取5,7,11,13,17，即六個開關(guān)角可以消去五個指定的諧波，消除的最高次諧波為17次。對于四分之一周期對稱的情況來說，其解要滿足（2）式。

2　　基于粒子群優(yōu)化算法的開關(guān)角計算

PSO的基本原理為：一個由m個粒子（Particle）組成的群體（Swarm）在D維搜索空間中以一定的速度飛行，每個粒子在搜索時，考慮到了自己搜索到的歷史最好點和群體內(nèi)（或鄰域內(nèi)）其他粒子的歷史最好點，在此基礎(chǔ)上進行位置（狀態(tài)，也就是解）的變化。（3）式與（4）式分別給出了標準粒子群算法中粒子速度和位置的更新公式。

3　　仿真算例

以如五電平級聯(lián)H橋變頻器為算例，按照粒子群優(yōu)化算法計算開關(guān)角，圖2（a）給出了粒子群其中一維坐標的運動軌跡，可以看出經(jīng)過設(shè)計的訓(xùn)練過程能較好的收斂。圖2（b）給出了全局最優(yōu)粒子的適應(yīng)度變化軌跡，可以看出適應(yīng)度隨著迭代次數(shù)增加而斷續(xù)減小，最終維持在一個接近于0的值。

根據(jù)圖1進行傅里葉分析，可得如下方程組：

對于2k個開關(guān)角，需要2k個方程才能求取方程組的解，對于三

為了驗證所求出的開關(guān)角度能夠?qū)崿F(xiàn)消去指定次諧波的作用，在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型，其中獨立直流電源的電壓為1000V，輸出電壓頻率為50Hz。圖3表明仿真輸出波形與理論波形一致，驗證了優(yōu)化脈沖的正確性。SHEPWM可以消去5、7、11、13、17次諧波，驗證了開關(guān)角計算的正確性。

4　總結(jié)

粒子群優(yōu)化算法能夠在較小計算量的基礎(chǔ)上獲得特定諧波消去調(diào)制策略的開關(guān)角度，能夠?qū)崿F(xiàn)特定低次諧波的消去，減小電機的低頻脈動的同時也降低了系統(tǒng)的開關(guān)損耗，提高了電能的利用效率。

[1] 費萬民,張艷莉, 阮新波等.三電平逆變器 SHEPWM 非線性方程組的求解[J]. 中國電機工程學(xué)報,2008,28(06):62-68.

[2] 蔡鴻, 葉滿園,李宋. 基于 DSP 在線實現(xiàn)特定諧波消除技術(shù)的2 種方法[J].電力自動化設(shè)備, 2015(02):019.

[3] 鄭春芳, 張波華. 基于 Walsh 變換的逆變器 SHEPWM 技術(shù)[J].電工技術(shù)學(xué)報,2005,20(05):65-71.

[4] 夏秋實.基于智能優(yōu)化算法的三電平逆變器 SHEPWM 調(diào)制方法研究[D]. 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué),2008.

[5] 譚新元.牽引逆變器 SHEPWM 控制技術(shù)的研究[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2001,21(09):47-52.