礦用高壓級聯變頻器的特定諧波消去調制策略研究

高宴興（山西黃土坡鑫運煤業有限公司,山西　長治　046500）

礦用高壓級聯變頻器的特定諧波消去調制策略研究

高宴興
（山西黃土坡鑫運煤業有限公司,山西長治046500）

將粒子群優化技術應用于計算礦用高壓級聯型變頻器的開關角度，能夠在較小的運算量的基礎上保證所獲得的特定諧波消去脈寬調制策略的開關角度全局最優化，實現特定次諧波的消去。以五電平級聯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、輸出功率大等優勢，因此廣泛應用于礦井大功率傳動領域。在眾多多電平變頻器拓撲中，級聯型多電平變頻器具有模塊化的結構、容易實現冗余控制、功率等級擴展容易等諸多優勢，因而具有很好的實用性，因而受到電力傳動領域的關注。

在高壓大功率的場合，往往需要限制開關器件的開關頻率，而此時用傳統的一階慣性環節來描述PWM控制的特性已經不準確，而根據雙重傅里葉分析可知，在開關頻率較低時，這兩種調制策略會引入大量的低頻諧波，從而引起電機轉矩的低頻脈動，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變頻器的特定諧波消去調制策略（SHEPWM），針對SHEPWM開關角計算復雜的問題提出了一種基于粒子群開關角優化計算的方法，此種方法相對于其他方法的最大優點在于容易實現全局最優化，并可通過合理的參數設計減小計算時間。

1　　多電平SHEPWM技術

多電平SHEPWM技術的研究主要集中在開關角的計算方法與對稱性的改進。文獻[1]采用傳統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]將三角函數方程轉換為多項式方程，并利用重復理論求解多項式方程的解，但是隨著電平數與開關角的增加，多項式的最高項次數大大增加，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]使用遺傳優化算法，將開關角的求解問題轉化為一個優化問題，但是遺傳算法所需調節的參數較多。

大部分文獻往往是將SHEPWM作為一種基頻調制策略，即每個電平狀態在一個周期內只出現一次，對于電平數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，但對于電平數較少的場合，比如三電平、五電平等，如果仍保持開關頻率為基頻，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]。假設單個周期內每個電平出現的次數為k，以五電平為例那么四分之一周期內的輸出波形如圖1所示。相系統只需消去非三倍頻奇數次諧波，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　　基于粒子群優化算法的開關角計算

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（或鄰域內）其他粒子的歷史最好點，在此基礎上進行位置（狀態，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H橋變頻器為算例，按照粒子群優化算法計算開關角，圖2（a）給出了粒子群其中一維坐標的運動軌跡，可以看出經過設計的訓練過程能較好的收斂。圖2（b）給出了全局最優粒子的適應度變化軌跡，可以看出適應度隨著迭代次數增加而斷續減小，最終維持在一個接近于0的值。

根據圖1進行傅里葉分析，可得如下方程組：

對于2k個開關角，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角度能夠實現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，驗證了開關角計算的正確性。

4　總結

粒子群優化算法能夠在較小計算量的基礎上獲得特定諧波消去調制策略的開關角度，能夠實現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的開關損耗，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]. 中國電機工程學報,2008,28(06):62-68.

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

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

[4] 夏秋實.基于智能優化算法的三電平逆變器 SHEPWM 調制方法研究[D]. 合肥: 合肥工業大學,2008.

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