矿用高压级联变频器的特定谐波消去调制策略研究

高宴兴（山西黄土坡鑫运煤业有限公司,山西　长治　046500）

矿用高压级联变频器的特定谐波消去调制策略研究

高宴兴
（山西黄土坡鑫运煤业有限公司,山西长治046500）

将粒子群优化技术应用于计算矿用高压级联型变频器的开关角度，能够在较小的运算量的基础上保证所获得的特定谐波消去脉宽调制策略的开关角度全局最优化，实现特定次谐波的消去。以五电平级联H桥作为算例，通过仿真验证了粒子群算法的正确性和有效性。

高压变频器；特定谐波消去；调制策略；粒子群

多电平变频器具有输出谐波含量低、电磁干扰小、电压等级高、输出功率大等优势，因此广泛应用于矿井大功率传动领域。在众多多电平变频器拓扑中，级联型多电平变频器具有模块化的结构、容易实现冗余控制、功率等级扩展容易等诸多优势，因而具有很好的实用性，因而受到电力传动领域的关注。

在高压大功率的场合，往往需要限制开关器件的开关频率，而此时用传统的一阶惯性环节来描述PWM控制的特性已经不准确，而根据双重傅里叶分析可知，在开关频率较低时，这两种调制策略会引入大量的低频谐波，从而引起电机转矩的低频脉动，增加噪音，减少电机寿命。针对此问题，本文研究了矿用高压级联变频器的特定谐波消去调制策略（SHEPWM），针对SHEPWM开关角计算复杂的问题提出了一种基于粒子群开关角优化计算的方法，此种方法相对于其他方法的最大优点在于容易实现全局最优化，并可通过合理的参数设计减小计算时间。

1　　多电平SHEPWM技术

多电平SHEPWM技术的研究主要集中在开关角的计算方法与对称性的改进。文献[1]采用传统的牛顿迭代法来求取非线性超越方程的解，但是此种方法的精确度与计算时间受到初始值的影响；文献[2]将三角函数方程转换为多项式方程，并利用重复理论求解多项式方程的解，但是随着电平数与开关角的增加，多项式的最高项次数大大增加，此种方法不再有效；文献[3]使用Wlash变换将非线性超越方程组转换成线性方程，但是此种方法的运算量仍然较大；文献[4]使用遗传优化算法，将开关角的求解问题转化为一个优化问题，但是遗传算法所需调节的参数较多。

大部分文献往往是将SHEPWM作为一种基频调制策略，即每个电平状态在一个周期内只出现一次，对于电平数较多的多电平场合阶梯波输出波形能够满足谐波限制的要求，但对于电平数较少的场合，比如三电平、五电平等，如果仍保持开关频率为基频，往往不能满足谐波限制的要求。为了解决上述问题，本文采用多电平SHEPWM策略的改进算法[5]。假设单个周期内每个电平出现的次数为k，以五电平为例那么四分之一周期内的输出波形如图1所示。相系统只需消去非三倍频奇数次谐波，因此可以消去的最高次谐波为6k-1，如k=3，则上式中的n取5,7,11,13,17，即六个开关角可以消去五个指定的谐波，消除的最高次谐波为17次。对于四分之一周期对称的情况来说，其解要满足（2）式。

2　　基于粒子群优化算法的开关角计算

PSO的基本原理为：一个由m个粒子（Particle）组成的群体（Swarm）在D维搜索空间中以一定的速度飞行，每个粒子在搜索时，考虑到了自己搜索到的历史最好点和群体内（或邻域内）其他粒子的历史最好点，在此基础上进行位置（状态，也就是解）的变化。（3）式与（4）式分别给出了标准粒子群算法中粒子速度和位置的更新公式。

3　　仿真算例

以如五电平级联H桥变频器为算例，按照粒子群优化算法计算开关角，图2（a）给出了粒子群其中一维坐标的运动轨迹，可以看出经过设计的训练过程能较好的收敛。图2（b）给出了全局最优粒子的适应度变化轨迹，可以看出适应度随着迭代次数增加而断续减小，最终维持在一个接近于0的值。

根据图1进行傅里叶分析，可得如下方程组：

对于2k个开关角，需要2k个方程才能求取方程组的解，对于三

为了验证所求出的开关角度能够实现消去指定次谐波的作用，在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型，其中独立直流电源的电压为1000V，输出电压频率为50Hz。图3表明仿真输出波形与理论波形一致，验证了优化脉冲的正确性。SHEPWM可以消去5、7、11、13、17次谐波，验证了开关角计算的正确性。

4　总结

粒子群优化算法能够在较小计算量的基础上获得特定谐波消去调制策略的开关角度，能够实现特定低次谐波的消去，减小电机的低频脉动的同时也降低了系统的开关损耗，提高了电能的利用效率。

[1] 费万民,张艳莉, 阮新波等.三电平逆变器 SHEPWM 非线性方程组的求解[J]. 中国电机工程学报,2008,28(06):62-68.

[2] 蔡鸿, 叶满园,李宋. 基于 DSP 在线实现特定谐波消除技术的2 种方法[J].电力自动化设备, 2015(02):019.

[3] 郑春芳, 张波华. 基于 Walsh 变换的逆变器 SHEPWM 技术[J].电工技术学报,2005,20(05):65-71.

[4] 夏秋实.基于智能优化算法的三电平逆变器 SHEPWM 调制方法研究[D]. 合肥: 合肥工业大学,2008.

[5] 谭新元.牵引逆变器 SHEPWM 控制技术的研究[J]. 中国电机工程学报, 2001,21(09):47-52.