基于PSO算法的多电平逆变器谐波抑制的研究（可编辑）

基于PSO算法的多电平逆变器谐波抑制的研究（可编辑） 基于PSO算法的多电平逆变器谐波抑制的研究 国内图书分类号: 密级:公开 国际图书分类号:. 西南交通大学 研究生学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 年 级. 三二级. 姓 名 武送基 申请学位级别 童些亟? 专 业. 电氢王猩 . 指导老师 塑基?塾攫 二零一二年六月 一令一一年弋月 : ..:. .: : : : : .『 /、 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定, 同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被 查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索,可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 .保密口,在 年解密后适用本授权书; .不保密瓯使用本授权书。 请在以上方框内打“? 指导老师签名: 学位论文作者签名刁葡通纽 只期:侧少 同期:伽西南交通大学硕士学位论文主要工作贡献声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下: .对多电平逆变器的调制算法进行了深入研究,以优化算法为基础建 立了三电平逆变器的谐波抑制模型,仿真结果证明其输出总谐波畸变率;并率先 将该谐波抑制方法应用到五电平逆变器上,大大减少了输出波形的谐波含量。 .在大功率逆变领域,本文运用一种新的窄脉冲抑制策略一基于算法的 窄脉冲抑制策略,在/中分别建立三电平和五电平逆变器谐 波抑制模型,并进行了仿真,通过分析结果,在谐波含量不变的情况下,实现了 对窄脉冲的抑制。 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得 的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其它个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中作 了明确 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名确戌蔓 ,、 日期:哆西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 墼至篁垡磐鹭璺璺鼍皇窖碧璺鲁鲁窖鼍曼璺璺蔓曼量舅皇曼皇鼍鼍曼曼皇鼍曼曼曼曼曼皇曼曼舅曼曼曼舅曼曼曼曼曼蔓曼曼笪曼曼舅舅鼍笪 摘 要 多电平逆变器具有输出容量大、输出电压高、电流谐波含量小等优点,得到 了广泛的应用。在开关管承受电压相同的情况下,多电平逆变器可以实现更高电 压的逆变。为了降低开关损耗,提高逆变的效率,大功率电力电子开关器件的开 关频率一般限制在左右。近年来出现了多种谐波方法,虽然可以消除一定 次数的谐波,但是会引起其它次数谐波含量的增加或其它一些问题。为了解决大 功率多电平逆变器输出谐波含量高的问题,本文采用了基于算法的 谐波抑制方法,通过仿真证明了该算法的有效性。 首先,本文分析了多电平逆变器的拓扑结构及其工作原理,然后对典型的拓 扑结构的输出电压波形进行了谐波分析,为后文的仿真分析提供了理论基础。其 次,本文建立了以输出电压和电流总谐波畸变率为目标的评价函数,并在 /中搭建了基于算法的三电平和五电平逆变器谐波抑制模型。 通过与载波调制下输出电压或电流的总谐波畸变率相比较,说明了基于算 法的谐波抑制方法能大大减小多电平逆变器输出电压或电流的谐波含量。 针对大功率低频多电平逆变系统中存在的窄脉冲问题,为了减少开关器件的 开关损耗和输出谐波含量,本文率先采用一种基于算法的窄脉冲抑制策略, 在不增加总谐波含量的基础上,成功解决了多电平逆变调制中存在的窄脉冲问 题。 关键词: 多电平逆变器算法谐波抑制 窄脉冲抑制西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 , . .,? ., .曲 埘曲 , , .? , ? , , ., , ? / . , . 曲 , , . : ? , , , 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 兰:::::::掣譬鲤驽缝鹭璺皇罾璺皇皇璺鼍曼鼍曼曼曼皇曼曼曼 舅曼皇曼曼曼曼曼皇尝皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇舅曼曼寰曼皂曼曼 曼曼曼曼曼苎曼皇曼曼量曼鼍寰 目 录 第章绪论?.. .课题研究背景和发展现状? .课题研究内容 第章多电平逆变器的拓扑结构及谐波分析??.. .多电平逆变器拓扑结构??. ..二极管钳位型三电平逆变器拓扑结构??.. ..飞跨电容型三电平逆变器拓扑结构 ..二极管钳位型五电平?逆变器拓扑结构..级联型多电平逆变 器拓扑结构.典型多电平逆变器拓扑结构输出电压谐波分析。 ..三电平逆变器输出电压谐波分析? ..五电平逆变器输出电压谐波分析.本章小结第章基于算法的多 电平逆变器谐波抑制研究?.. .谐波抑制策略 ..传统的谐波抑制策略 ..基于算法的谐波抑制策略?.. .基于算法的三电平逆变器谐波抑制. ..仿真模型??. ..评价函数??. ..仿真分析及比较.基于算法的五电平逆变器谐波抑制. ..仿真模型??. ..评价函数..仿真分析及比较??. .本章小结第章多电平逆变器窄脉冲抑制策略研究 .窄脉冲问题的研究现状?..西南交通大学硕士研究生学位论文 第?页 .基于展宽或省略开关角对的窄脉冲抑制仿真?.. .三电平逆变器窄脉冲抑制仿真..窄脉冲抑制方法..确定窄脉冲宽度..仿真结果分析及比较 .五电平逆变器窄脉冲抑制仿真..确定窄脉冲的宽度? ..仿真结果分析及比较 .本章小结?。 结 论?. 致射?.. 参考文献 附录附录附录攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果.. 索引??..西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 第章绪论 .课题研究背景和发展现状 电力电子技术是以电力半导体器件为核心的?,是以电力变换技术、电路技 术、计算机技术和现代控制技术为支撑的为方便利用各种能源的技术平台。电力 电力半导体器件以不同开关组合应用于电力电子变换器领域中。电力电子变换器 能把一种形式的电压、电流或频率的电能,转换成另一种形式的电压、电流或频 率,这就是电力电子变换器在电力系统中的重要任务。电力电子技术作为一种新 型的交叉学科,在国内外得到了普遍的重视和广泛的研究。自世纪年代诞 生以来,电力电子技术经过半个世纪的飞速发展,至今己被应用于许多个需要电 能逆变的领域,尤其是在低压小功率的用电领域,电力电子变换技术的应用已渐 趋成熟。但是在大功率应用场合,由于电力电子器件承受的电压有限,传统的两 电平逆变器无法实现高电压输出,而且输出的电压谐波含量很高【。为了实现高 压大功率输出,一般的解决办法是将开关管串联起来以实现高压输出,但是这样 做又会出现由开关管串联引起的静态和动态均压问题。随着科技的发展,一种新 型的逆变器.多电平逆变器. 现了,并以其谚,/小、小、 逆变效率高和输出波形好等优势得到越来越广泛的应用。 年,阿波罗登月的指令舱逆变器就是最早采用了多电平逆变技术。使 人们对于多电平技术的应用有了很好的开端。虽然指令舱逆变器输出电压电平数 大于三,但是从本质上来说,它仍然属于两电平逆变器。因为指令 舱逆变器的输 出电压既不是单向全桥逆变器本身的输出电压,也不是单向全桥逆变器直接串联 迭加的输出电压,而是两电平单相全桥逆变器,通过其输出变压器进行移相多重 叠加得到的输出电压。 年,德国学者提出了一种三电平逆变器拓扑结构【】。同两电平逆 变器结构相比,这种三电平逆变器的每个桥臂增加了一对开关管,以辅助中点钳 位,从而实现了电压的三电平输出。但这种三电平逆变器有一个缺点就是即使增 加开关管数量也只能得到三电平输出,不能得到更多电平的输出,所以它仍然不 是真正意义上的多电平逆变器结构。 十九世纪九十年代初,日本长冈科技大学的. 等人在工业 应用年会上提出了二极管钳位式三电平逆变器的主电路结构【。该电路不仅易于 控制,而且很实用,重要的是开关管关断时仅承受直流母线电压的一半,可以实 现低压到高压的逆变。二极管钳位式三电平逆变器主电路结构的提出,开创了多 电平逆变器研发的新阶段。 年,..等人将三电平电路推广到任意多电平电路中,对中西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 ..乙?:::璺曼葛曼舅曼曼曼詈曼曼曼曼曼量曼皇曼曼曼曼曼舅皇舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼量皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量皇曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼皇 点钳位式电路及其拓扑结构作了深入的研究,为大功率输出高压的变换器的研究 提供了一条崭新的思路。 年,..等人提出了级联式多电平逆变器,级联式逆变器具 有独立的直流电源。具有独立直流电源供电的级联式多电平逆变器是以全桥电路 为基础的,通过将具有移相或不同导通角的多个全桥逆变器的交流侧串联起来, 从而得到合成的多电平输出电压。 年,法国学者..和.首次提出了飞跨电容钳位式多电 平逆变器,为多电平逆变器的拓扑结构研究做出了贡献。 年,在工业应用年会上, .在总结了多种钳位式 多电平逆变器的特点之后,通过深入研究提出了一种通用的多电平逆变器主电路 结构。这种通用式电路结构不需要靠附加电路或器件来抑制直流侧电容的电压不 平衡问题,从理论上实现了一个真正的有实用价值的多电平逆变器的主电路结构 。到此为止,人们已经总结提出的几种钳位式多电平逆变器包括:二极管钳位 式、飞跨电容钳位式以及二极管飞跨电容混合钳位式。多电平逆变器只须用低频 功率开关器件就可以实现低压输入,高压输出和低谐波的大功率变换,不需要像 变压器这种大成本的器件。 虽然多电平逆变器具有上述所说的优点,但是由于电力电子开关器件开通和 关断的非线性,多电平逆变器会在其输出端和负载端产生一定量的谐波。最近几 年来,由于不可再生能源的减少,人们对节约能源、提高能源利用率、改善工业 产品质量、提高产品产量等方面比较关注,而兆瓦级大功率电力电子设备能有效 地解决这些问题,并且已经取得了巨大的经济和社会效益。特别是工业、商业、 民用、航空以及军事应用等对这些大功率电子设备的需求越来越大。通过大功率 逆变器与低功率的相比较可知,其大功率逆变器输出的电压较高 或电流较 大,但是其开关器件的开关损耗变大,且该损耗在整个逆变系统总损耗中古有很 大的比例。较大的开关损耗会造成资源的浪费,在一定程度上增加了系统的运行 成本,同时需要增大系统的外型尺寸和成本来满足开关器件散热要求。在实际中 运用的大功率逆变系统中,为了减少开关损耗,开关管的开关频率通常被限制在 左右,甚至更低。而在低功率逆变系统中的开关频率一般有几万,甚至 几。降低电力电子开关器件的开关频率会造成逆变器的输出电压或电流的 谐波畸变率增加,所以为了提高大功率逆变器的逆变器效率以及减少输出波形的 畸变率,一定要在低开关频率下采取最优化的调制策略。 在高压大功率逆变场合,多电平逆变器发挥着重要的作用,调制技术 是多电平逆变器应用在此场合的核心内容之一。多电平逆变器调制的主要 目标有两个:一是对输出电压的进行控制,即使逆变器输出的脉冲矩形波在某种西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 意义上与参考波形是等效的;二是对多电平逆变器本身运行状态进行控制,其中 包括直流侧分压电容上的电压平衡的控制、开关管的开关损耗控制、逆变器输出 电压或电流的谐波控制等。 随着科学技术发展和人们对输出电压、电流的要求越来越高,多电平逆变器 的控制技术在不断的发展、创新、完善。目前在逆变器系统中,最常用的 调制方法主要有正弦波调制方法、电压空间矢量 方法和优化方法包括智能优化方法等。 多电平逆变器调制方法根据不同的控制机理可以分为不同的种类。根 据开关管脉冲信号产生方法不同可以分为以下两大种类【】: 一类是基于通过三角载波与正弦参考波的比较来确定开关时刻,根据载波与 参考波的频率比,可以知道在每一个参考波周期内有几个脉冲产生。这种调制方 法主要包括:自然采样法 ,其调制波一般是 的正弦波,其载波一般是频率比参考波频率高很多的三角波,如图.所示,在 三角载波和正弦调制波的交点处产生开关信号脉冲,控制开关管 的通和断,还有 其它一些基于自然采样法的调制方法,这里就不在介绍;另一个 是规则采样 法 ,在特殊的规则参考波和载波交点处产生开关管的开 关信号脉冲,如图?所示,这种类别的采样法还包括空间矢量调制 。 。 /\ 盆?蚱 代 念? 瞪 旷: % : 一 一 / 配 图?自然采样法产生的控制信号西南交通大学硕士研究生学位论 文 第页 :二二::苎聋璺璺篁皇夸量舅曼曼皇皇曼皇曼鼍曼曼曼曼曼曼曼量鼍曼曼曼孽曼量曼曼曼鼍曼皇量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼鼍皇曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼址 % \/ 曳 黼韧 蚣 一 ’卜憾氯‘、 ~ 绷.’ ~ ? % ? ? .一 ?一一 一 配 图.规则采样法产生的控制信号 另一类是基于最优化目标函数的调制方法,其优化目标一般是为了达到电压 总谐波畸变率最小、电流总谐波畸变率最小等控制目标。通常可行的方法是根据 输出的要求,目的是为了确定各个开关器件的最优开关时刻,首先选择确定好优 化目标函数,然后用数值计算的方法求解一系列的很复杂的非线性超越方程,从 而达到求解目的得出开关时刻序列值。这一类调制方法在多电平逆变器调制中有 很多种类,这些种类之间的不同主要在于选取的优化目标函数不同,以及数值计 算所用的方法不同。从描述中可以看出,相对于载波的方法,这种调制方法产生 的脉冲不再与载波有联系。基于最优化方法来确定开关器件的开通和关断信号的 方法更能有效的减小逆变器的输出谐波含量,更有可能提高其它的一些逆变标 准。根据调制目的的不同,需要建立的优化目标函数有不同的形式,如特定谐波 消去法吲 ,需要建立消去特定谐波的优化目 标函数、最小化电压总谐波畸变率 需要建立输 出电压总谐波畸变率的优化目标函数、同理最小畸变系数法 【】等也需要建立自己的优化目标函数。 牛顿法是在数值计算方面最早使用的一种方法。牛顿迭代法主要是应用在非 线性规划方面,但是由于其算法本身迭代过程繁杂,且对初值的要求很严格,当 初值选择不好的时候,求得的结果很难收敛或者只是在一个小的 局域内部。针对 这个问题有学者提出了基于沃尔什函数的选择性谐波消除技术的最优开关角的 快速求解方法,能够在基波幅值的整个变化范围内求取开关角的全部解,并且易 。为了消除多电平变换器任意次数的谐波,有学 于在线求解,有一定的应用【 者提出一种有源谐波消除法,能够很大程度上削减多电平逆换器输出的电压或电 流谐波含量,不足的是其求解非线性超越方程采用的方法仍是牛顿迭代法,始终西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 无法改变牛顿法在求解非线性超越方程组时的缺点【】。也有研究人员提出基于多 项式理论的最优化调试策略来求解开关序列值,由于这种调制方法在求解过程需 ’ 要建立高阶多项式,在开关时刻值数目增加时候可能导致所求的方程无解或者很 难找到合适的解 ,一直以来只是为了进行一些研究。 随着人工智能优化算法的不断地迅速发展,越来越多的电力电子领域的学者 将其引入到电力电子学最优化调制方法的求解中,如粒子群算 法、克隆选择算法、 遗传算法、蚁群算法等。人工智能的优化算法能够比传统的基于导数的算法更容 易找到更适合开关时刻值,能够很好的消除特定的大功率逆变器输出谐波或最小 化逆变器输出的总谐波畸变率。目前在应用这类调制方法的时候,首先将离线仿 真计算,然后把仿真计算的结果存储起来,最后通过在线查询的方法得到开关时 刻值并产生所需要的脉冲。 最优化调制策略是一种具有非线性目标函数、非线性等式和不等式约束的复 杂非线性优化问题,它含有一系列的非线性超越方程,存在大量的局部极值。采 用牛顿迭代法等数值计算方法求解超越方程十分不易,并且精度不高,既费时又 费力。况且很难精确、稳定地在很短的时间内寻找到开关时刻的最优值,这仍需 要在这一领域的研究者们进行大量的研究。 .课题研究内容 对于多电平逆变器而言,其逆变的效果和标准首先是其输出电压或电流波形 中含有的谐波量。我们总是希望逆变器的输出电压和电流中只含有基波的正弦 波,但是其在实际应用中输出的波形中总含有谐波,这些含有大量谐波的电压和 电流可能造成很多危害,很容易对社会和个人造成巨大的经济损失。因此,多电 平逆变器在调制时,不仅要产生所需的基波,而且应尽可能的减少其它的高次谐 波。另外,随着电力电子设备的发展,新的谐波标准不断制定出来,谐波防治问 题越来越重要,如国际电气与电子 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师协会已制定出一些新的标准【】, 鼓励人们在这一方面进行研究。 在多电平逆变器中,半导体开关器件不是理想的是非线性的开关器件,在导 通时有导通电阻,关断时候也有电阻,所以在工作的时候它们都具有导通和关断 损耗。在大功率多电平逆变的场合中,其功率开关器件的开关频率一般不超过 ,一旦开关频率过高,其开关损耗会就会增加,不仅浪费了能量还降低 系统的效率。传统的基于三角载波比较的调制方法,即自然采样 法或者规则采样 法,由于这种调制策略本身固有的产生脉冲的方法,系统工作时候会产生大量的 谐波。即使是运用特定谐波消去法,也只能消除低次的谐波,而且会产生不少的 高次谐波,逆变器输出的总谐波畸变率仍会很高。在大功率多电平逆变器领域采 用最优化谐波调制方法,具有很多优点:第一,在相同的开关频率下,比传统的西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 调制方法明显的减少了输出波形的谐波含量,在最大程度上消除了特定的谐波或 者最小化了电压或电流的总谐波畸变率,从而使由谐波造成的电力电子设备的功 率损耗降到最低,提高了电源的利用率。第二,在逆变器输出电压或电流谐波含 量相同的情况下,比传统调制方法显著的降低了开关频率,减少了开关损耗,提 高了多电平逆变系统的效率。第三,减少了电磁干扰对现场设备和敏感器件的影 响。因为谐波是电磁干扰源,为了减少电磁干扰,需要采取很多保护措施,增加 系统成本。并且电磁干扰会影响电力电子开关的信号的产生与发 送,极有可能导 致逆变失败等危害。第四,比传统的调制方法,多电平逆变系统输出的谐波能更 容易的滤除,而且能使系统的滤波器容量减小,降低了设备的成本。第五,因为 多电平逆变系统中谐波量大会降低系统的功率因子,而减小输出电压或电流的谐 波畸变率能够使系统的功率因子在一定程度上得到提高【】。 近年来,随着人工智能优化算法的发展,如遗传算法【】 , 、克隆选择算法【】 ,、蚁群算法【 ,、粒子群算法】 , 等方法。这些智能算法被电力电子研究人员提出用来减少谐波等目标,如消除大 功率逆变器输出的特定谐波或最小化逆变器输出的总谐波含量。基于人工智能的 多电平逆变器谐波优化算法能够更快的找到更适合的解,能够使逆变器输出更好 的电能,能够提高逆变器的工作效率。本文就是将粒子群智能优化算法应用到多 电平逆变器中达到消除谐波的目标。 本文就对多电平逆变器进行了以下几个方面的相关研究: 介绍了多电平逆变器的主要拓扑结构及多电平逆变器的基本工作原理,主 要是三电平逆变器和五电平逆变器的工作原理。研究了二极管钳位式、飞跨电容 钳位式、混合钳位式和级联式多电平逆变器的拓扑结构及工作原理,分析与对比 了钳位式和级联式多电平逆变器主电路的结构形式及其工作原理。 研究了多电平逆变器的各种载波调制方法,并对三电平和五电平逆变器的 载波方法进行了详细介绍,并在/中搭建相关模型进行仿真。 对典型的多电平逆变器输出波形进行了谐波分析,为后文的谐波抑制分析 提供理论基础。 针对大功率电动机负载的逆变器,建立了三电平逆变器和五电平逆变器的 谐波优化模型,详细研究了如何使用粒子群优化算法来解决谐波优化的问题。在 /中进行了仿真,并与载波调制方法进行输出谐波进行比较。 由于大功率逆变器的开关频率较低,在调制中存在窄脉冲的问题,而且由 于优化算法本身也有可能产生窄脉冲。本文提出了基于算法的窄脉冲的抑 制策略,通过观察分析仿真结果,基本上解决了窄脉冲的问题。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 第章多电平逆变器的拓扑结构及谐波分析 从二十世纪八十年代发展至今,已经发展出了各种各样的多电平逆变器的拓 扑结构,如前文提到的拓扑结构包括:二极管钳位型多电平逆变器 ? 、飞跨电容型多电平逆变器?和级联型多电平逆变器 。在这些 拓扑结构中,二极管钳位型和飞跨电容型多电平逆变器比较适用于高输入电压大 功率逆变场合,而级联型多电平逆变器适用于低输入高输出的电压大功率逆变场 合,但是都适用于大功率逆变场合。 本章主要介绍常见的三电平逆变器和五电平逆变器的拓扑结构,分析其工作 原理,并对其中典型的拓扑结构进行输出电压谐波分析。 .多电平逆变器拓扑结构 ..二极管钳位型三电平逆变器拓扑结构 二极管钳位型三电平逆变器,也称为中点钳位型..。 三电平逆变器,是多电平逆变电路拓扑中最常见的一种结构。这种拓扑结构的主 电路是通过多个开关管串联,并按一定的开关组合产生所需要不同的电平数,能 在多电平逆变器的输出端合成相应的正弦波。 如图.所示为二极管钳位型三电平逆变器的主电路结构图。三电平 逆变器的直流侧由两个容量相同的串联电容组成,每相桥臂都由四个功率 开关管、四个续流二极管和两个中点钳位二极管组成。桥臂上的每个开关管在工 作过程中可能承受的最高电压只有两电平逆变器的一半,因此三电平逆变器可以 大大降低开关器件的电压应力,满足高压逆变场合的要求。电路中钳位二极管的 作用是把桥臂上与其相连的点上的电位钳到直流电压的中点电位【】。 二极管钳位型三电平逆变器每相桥臂的四个开关管一共可以组成种开关 状态,但是其中有效的开关状态只有三种,如图.所示,其各个状态的工作原 理在图中有详细的说明。以相为例,分析二极管钳位型三电平逆 变器的主电 路工作情况,用表示相的开关组合输出的状态。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 图二极管钳位型三电平逆变器的拓扑结构相输出为状态 相输出为状态西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 皇曼曼曼曼蔓皇皇曼曼曼舅皇曼曼曼曼曼皇曼兰曼曼蔓曼蔓旱曼曼曼舅曼曼曼曼皇曼舅曼曼曼曼曼寰曼皇曼皇曼皇皇量曼曼蔓曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼鼍皇曼曼皇 相输出为一状态 图. 二极管钳位型三电平逆变器相桥臂的三种开关状态 如图.所示,相的桥臂共有三个工作状态,分别输出三种电平: 当开关管。、导通,小关断时,忽略开关管上的导通压降,则 输出电压端直接与直流电压的正极相连,其等效电路图如图所示。若电 流方向为正,即电流从电源正极流出,则电流从点流经开关管。和到达 端,忽略开关器件的正向导通压降后, 点的电位与点电位相同。若电流方 向为负,即电流从电源的负极流出,则电流从点经过续流二极管 和。, 流进点。同理,若忽略续流二极管的导通压降,此时输出端点的电位仍等 同于点电位。这种状态定义为“”态,即,此时,。 当开关管小导通,。、关断时,若忽略开关管的导通压降,输 出端的电位与分压电容的中性点的电位相同,其等效电路图如图所 示。若电流方向为正,即电流从电源正极流出,则电流从中性点点经钳位二 极管和开关管到达点,输出端点的电位与于点的电位相同,即零 电位。若电流方向为负,即电流从电源的负极流出,则输出电流从点经过 和流进点,此时输出端点的电位与点电位一样。这种状态定义为“” 态,即,此时,。 当开关管小导通,。、关断时,忽略开关管的导通压降,其输 出电压与直流电压的负极相连,其等效电路图如图所示。若电流方 向为正,即电流从电源的正极流出,则电流从点经续流二极管和到达 点,输出端点的电位等同于点电位。若电流方向为负,即电流从电源的 负极流出,则电流从点经过和流进点,忽略开关管的导通压降,此西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 时输出端点的电位与点电位相同。这种状态定义为“.”态,即.,此 时,一/。 通过上面的详细分析,可以知道每相桥臂能够输出三个电平。两个钳位二极 管在负载输出电流反向时能够起到钳位和续流的作用。表.列出了二极管钳位 型三电平逆变器负载端输出电压与开关状态组合之间的关系。开关管。与 的开关状态互补,与的开关状态互补,。与不能同时导通。每个开关 管承受的正向电压为电源电压的一半。 表.二极管钳位型三电平逆变器输出电压与开关状态之间的关系 注:“”表示开关器件关断状态,“”表示开关器件导通状态。 ..飞跨电容型三电平逆变器拓扑结构 飞跨电容钳位型三电平逆变器又称作悬浮电容 三电平逆变 器。年的会议上法国学者..和.在首先提出该三 电平逆变器拓扑结构。与二极管钳位型三电平逆变器相比,飞跨电容钳位型三电 平逆变器的钳位器件是飞跨电容。钳位器件的改变对整个逆变电 路的工作状况带 来了很大的变化。飞跨电容取代二极管钳位后,可以解决由钳位二极管产生的很 多问题,如直流侧电容电压不均衡以及钳位二极管反向电压难以快速恢复等问 题。但是也带了一些新的问题,如飞跨电容相对于二极管体积较大、成本较高, 从而增加了整个逆变系统的成本。比如要想得到相同质量的输出波形,飞跨电容 钳位式将工作在更高的开关频率,这将使开关损耗增多。由于飞跨电容钳位式三 电平逆变器的这些缺点,使得这种逆变拓扑在实际中还没得到应用,只是作为研 究的一个方向。 如图.所示为飞跨电容钳位型三电平逆变器的主电路拓扑结构。图中 矗.、.吣为三个桥臂的开关管,。、、。为钳位电容,、 为直流侧分压电容。从图中可以看出,用跨接在串联开关器件之间的串联电容进 行钳位代替二极管进行钳位是飞跨电容钳位型三电平逆变器与二极管钳位型三 电平逆变器的不同之处。由于二极管具有单向导电的特性,可以 用来实现单向的 电压钳位;而电容是存储电能元器件,可以充放电,因此它能参与输出电压合成 的过程,并且能承担主开关管关断时的电压,通过充放电或者钳位保持直流侧电西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 容电压的平衡。二极管钳位型三电平逆变器中开关管的阻断电压不均衡和钳位二 极管反向电压难以快速恢复等问题在飞跨电容钳位型三电平逆变器中不存在,采 用飞跨电容钳位可以轻松解决这些问题。 图飞跨电容型三电平逆变器的主电路拓扑结构 与二极管钳位型三电平逆变器差不多,飞跨电容型逆变器的每个桥臂的工作 状态组合共有十六种,但其最主要的工作状态分为三种,只是是在“”状态上 有一点区别,可以分为“”和“.”两种,它们的输出电压是相同的,区别在 于钳位电容是处在充电状态还是放电状态。以相桥臂为例,用表示开关组 合输出的状态,下面分别介绍这几种工作状态: 当开关管。、导通,、关断时,若忽略开关管的导通压降,输 出电压电位与直流电压的正极端电位相同,其等效电路图如图所 示。 若电流方向为正,即电流从电源正极流出,则电流从点流经。,和到达 点,忽略开关器件的正向导通压降后,输出端点的电位与点电位相同。若 电流方向为负,则电流从点经过续流二极管和。,流进点,若忽略二 极管的导通压降,此时输出端点的电位与点电位相同。这种状态定义为“” 态,即,此时,。 当开关管。和导通,和关断时,直流电压源对飞跨电容。 进行充电,电容上的电压升高为/,如图所示,此时电路负载端输出电 压为零,这种状态用“来表示,即。 当开关管和导通,。和关断时,飞跨电容。通过负载放电, 如图所示,此时电路负载端输出电压仍为零,用“.”来表示,即。 当开关管小科导通,。、关断时,忽略开关管的导通压降,输出西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 』一卫』璺皇皇皇皇曼曼曼蔓曼曼曼暑曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼皇曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼舅曼皇曼曼曼曼曼量量量曼曼曼曼曼量曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼 电压与直流电压的负极电位相同,其等效电路图如图所示。若电 流 方向为正,则电流从点经续流二极管和到达点,同理若忽略二极管 的导通压降,输出端点的电位与点电位相同。若电流方向为负,则电流从 点经过和流进点,同理若忽略开关管的导通压降,此时输出端点 的电位与点电位一样。这种状态定义为“.”态,即.,此时,./。 相输出为状态 相输出为状态 相输出为一状态 相输出为状态 图飞跨电容钳位型三电平逆变器相桥臂的三种工作状态 表.表示出了飞跨电容型三电平逆变器输出电压与开关状态组合之 间的关系,开关管。和的工作状态始终是的,和的工作状态也西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 是互补的。为了保证逆变器的正常工作,钳位电容。上的电压要始终在/, 这就需要钳位电容的充放电时间必须相等。 表飞跨电容型三电平逆变器输出电压与开关状态之间的关系 注:“”表示开关器件导通状开关器件关断状态,“”表示开关器件关断状态。 ..二极管钳位型五电平逆变器拓扑结构 如图.所示为二极管钳位型五电平逆变器的主电路结构。五电平 逆变器的直流侧由四个相同电容串联组成,这就使得每个电容承受的电压为电压 源的四分之一。它的每相桥臂都由八个功率开关管、八个续流二极管和三对中点 钳位二极管组成,每个开关管在工作过程中承受的最高电压只有两电平的四分之 一,因此二极管钳位型五电平逆变器比三电平逆变器更能降低开关器件的电压应 力,满足高压逆变场合的要求。 二极管钳位型五电平逆变器每相桥臂的八个开关管一共可以组成种开关 状态组合,但是有效开关状态组合只有五种。本文以相桥臂为例,分析二极 管钳位型五电平逆变器的主电路工作情况,用表示相的开关组合输出的状 态。 当开关管。、小小导通,、、、、、、、关断时,若忽略 开关管的导通压降,输出电压与电压的正极端电位相同,其等效电路图如 图所示。若电流方向为正,即电流从电源正极流出,则电流从点流经。、 小和“到达点,忽略开关器件的正向导通压降后,输出端点的电位 与点电位相同。若电流方向为负,即电流从电压源的负极流出,则电流从 点经过续流二极管。、小和,流进点,同理若忽略二极管的导通 压降,此时输出端点的电位与点电位相同。这种状态定义为“”态,即, 此时,/。 当开关管小小、导通,、、、、、、关断时候,相 的输出电压为直流侧电源的/,这种状态定义为“态,即,此时, 《冬西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 二::::。::鲁墨型翌璺兰曼量量曼曼蔓鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇皇曼曼曼量曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼蔓 当开关管小小’、、导通,、小、、、关断时候,相 的输出电压为零。定义这种状态为“”态,即,此时,。 当开关管、、、、、、导通,、、小“关断时候,相 的输出电压为直流侧电压的./,这种状态定义为“.”,即.,此时, /。 当开关管、、、、、、、导通,。、小小甜关断时候,想 的输出电压为直流侧电压源的一半,这种状态定义为“.”,即.,此时, /。 最【奉岛。 疋一【丰。 一一 【丰乓 尊 一 一 最一车 对 口 一 一 一 洲 一跗去 鼍 时占 :岛 ?辛% 下% 、千如 岛丰% 丰 岛卒皿? 岛丰% .:丰% 岛丰% 图.二极管钳位型五电平逆变器的拓扑结构 表.表示出了二极管钳位型五电平逆变器输出电压与开关状态组 合 之间的关系,开关管和、、和’、和’、和斛、的工作状态 始终是互补的。只有在工作时候所有钳位电容上的电压要始终维 持在/,这才 能保证逆变器的正常工作,这就要求钳位电容的充放电时间必须 相等。西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 表.二极管钳位型五电平逆变器输出电压与开关状态之间的关系 注:“”表示开关器件导通状态,“”表示开关器件关断状态。 ..级联型多电平逆变器拓扑结构 为了实现利用低耐压开关器件得到多电平高压逆变输出,二极管钳位型和飞 跨电容钳位型多电平逆变器采取的措施是,将电力电子开关器件串联成半桥式结 构,用一个直流电源供电,并采用多个直流电容分压,用钳位二极管或钳位电容, 将主开关管上的电压钳位在一个直流电容上。但是这种措施的副作用是带来了直 流电容电压不均的问题。这给钳位式多电平逆变器的应用带来了很大的麻烦,在 二极管钳位和飞跨电容钳位两种多电平逆变器机及其拓展的逆变器中,只能用控 制算法来解决这个问题。级联型多电平逆变器不具有上述的缺点,这种拓扑结构 是采用具有独立直流电压源的桥作为基本单元,并通过多个基本单元级联而 成的一种结构形式,它不存在直流电容分压不平衡的问题。基本单元供电的独立 电源电压决定着级联型多电平逆变器的主开关器件的耐压大小。多个独立直流电 源供电的基本单元输出的交流通过串联叠加,就可以得到多电平输出的高电压。 相对于钳位式多电平逆变器,在控制上简单了许多,但是当出现故障的时候不容 易判断故障的基本单元【。 如图所示为星形联结的级联型五电平逆变器的拓扑结构。这种逆变器每 相由两个单相全桥的逆变器构成,一共由六个单相全桥电路级联而成,每相需要 两个独立的直流电源。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页图级联型五电平逆变器的拓扑结构 如图.所示给出了级联型五电平逆变器的单臂电路结构,以相桥臂为例, 每相由两个两电平的桥单元级联而成。通过级联的方法级联,原来每个单元 的两种电平就可以形成多种组合,每个单元的八个开关管的开关状态组合和对应 的输出电压关系见表。 图.级联型五电平逆变器基本单元拓扑结构西南交通大学硕士研究生学位论文 页 第 表级联型五电平逆变器开关状态组合与输出电压关系 注:“”表示开关器件导通状态,“”表示开关器件关断状态。 .典型多电平逆变器拓扑结构输出电压谐波分析 ..三电平逆变器输出电压谐波分析 极管钳位型三电平逆变器的工作原理可知,其输出的相电压波形 如图 .所示。在实际应用中开全器件的类型可以是,也可以是,也可以 是。从表中我们可以知道,。和.互补、和互补。 四唧 一 岛岛岛%蛳口写 万 万 .. .. 图三电平逆变器相电压波形 由上图可知相电压波形是/周期对称,/周期反对称。图中口,,, 是在/周期内开关时刻值,为了得到相电压的傅里叶表达式,可以 把输出电压看成口,的函数即:西南交通大学硕士研究生学位论 文 第页 孚,%口吃,%口吼,%口瓯.,.??..%%.? 以 一半,口:?卅口吃?,口%?彬,..??.%吼? , 其它 由图和公式可知,该函数可以表示成以口。,:,口,..?.口?为变 量的函 数,其它所有的开关时刻均可以用这个变量依次表示出来。假如/ 周期内只 有个开关时刻,那么其它的时刻可以表示为如下: ? 口万一口,刀一口,由此可见只要确定了/周期内的开关时刻值, 相的整个电压输出波形就 可以确定,而且是唯一的。、两相的相电压依次滞后们。通过组合 整个逆 变器的电压输出波形就可以确定了。 对于理想的周期函数如,其傅里叶级数是: :要宝【%。玎国巩刀甜】 其中, %去。玎玎。,,...,?,吒妻 玎锄旧耐玎,,...? 由公式?可得: 七口 %瓦; 七口口面 争;七口口争七口口”? 争;七口口 争七口? 去 即争咖七口 争七口口 争七口 州酬 急缸 ? 求得相电压一的傅里叶级数为: ? %?面。 。,...西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 其中%。急喜一 /,是相电压,第七次谐波分量的有效值, 是二分之一周期内的脉冲数。 在三相逆变系统中,输出的线电压中没有三次及其倍数次的谐波, 所以逆变 器输出线电压“彻。的基波和谐波有效值为: ‰等悖 ?卜,,,?. ..五电平逆变器输出电压谐波分析 根据第二章节的二极管钳位型五申.平逆变器的拓扑结构及其工 作原理,通过 分析可以知道其输出的相电压波形,如图所示。 呷帅 。 %??加鼍刈“叫撕 图五电平逆变器输出的相电压 由图可知,该相电压波形/周期对称,/周期反对称,同理,通过分 析 可知,五电平逆变器相电压。的傅里叶级数表达式为: ,为偶数时,色,为基数时, , 以丝/?/口倥 刀刀 波形。可以用下面的傅里叶级数表示: 叱:艺压%七口 ..... 其中‰弓舞善一. 。尼%一,是相电压%第七次谐波分量的有效值, 是二分之一周期内的脉冲数。 在三相逆变系统中,输出线电压中没有三次及其倍数次谐波,所以逆变器输西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 出线电压“枷的基波和谐波有效值为: .、医 , \ %矿等【善 囊,,,,..? .本章小结 本章主要是介绍了多电平逆变器的主要拓扑结构及其基本工作原理。在二极 管钳位式多电平逆变器类别中分别介绍了三电平和五电平逆变器的拓扑结构,为 后文的仿真分析打下基础。从多电平逆变器的拓扑结构来看,各种形式的结构都 有其优缺点,具体分析如下: 二极管钳位型三电平逆变电路对器件的耐压要求不高,能实现低 压到高压 的逆变场合,输出电压的,/大大减小,对外围电路的干扰小,对电机等负载 的冲击小。但是由于同一个桥臂上的开关器件的开关频率不同,容易造成开关管 的寿命不同和利用率不同,并且由于直流侧电容在一个周期内电流的流入和流出 不同造成流侧电容电压不平衡的问题。直流侧电容电压不均衡,最终会导致输出 电平不对称。整个逆变系统的性能会受到中点电位偏移的影响,中点电位偏移会 使逆变器的输出电压的不对称,使其输出的波形谐波含量增大。为了使实际输出 的波形与理论上的输出波形一致,需要采用有效的控制策略来平衡中点电位的电 压。 飞跨电容型三电平逆变器除了在工作时候开关管承受电压和二极管钳位 型三电平逆变器基本一样,更为重要的是它的开关状态组合的灵活性比二极管钳 位型逆变器大。因为飞跨电容型多电平逆变器在输出相同电平的时候可以有很多 种开关组合,可以使直流侧的电容电压平衡。但是飞跨电容型多电平逆变器需要 大量的钳位电容,不仅加大了逆变系统的成本而且加大了体积;另一方面是飞跨 电容型多电平逆变器的控制算法比较复杂。 二极管钳位型五电平逆变器除了具有二极管钳位型三电平逆变器的优点 外,它的开关管承受的电压为三电平逆变系统的一半,更容易实现低耐压器件的 高压逆变,重要的是其输出的电压的波形阶梯更多,更接近于正弦波。在逆变系 统开关频率相同的情况下,输出波形的谐波含量有所减小。但是在三电平逆变电 路表现出来的缺点在五电平逆变器上都有所放大,尤其是分压电容电压平衡问 题,需要考虑更复杂的控制策略和硬件更新 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 级联型多电平逆变器由于输出电平较多,其波形更接近正弦波,所以谐波 越小。并且级联型的基本单元所需元器件很少,易于封装,便于模块化 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、生 产。级联型多电平逆变器是不存在直流侧电容电压不平衡问题的,重要的是控制 方法简单,每个基本单元可以进行独立的控制,比较适合七电平甚至更多电平的西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 多电平逆变器场合。缺点是由于每个单元都需要独立的电源供电,电平数越多需 要的电流就越多,并且适用范围窄,仅适合直流电源数多并且低压输入的逆变场 合。当级联的单元数较多时,故障监督、诊断较为麻烦,不容易及时发现故障的 地点。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 第章基于算法的多电平逆变器谐波抑制研究 在实际的逆变场合中,很多负载对逆变器的输出电压、电流功率及频率有一 定的要求,有时候这种要求标准会很苛刻,甚至能够灵活控制这些标准来满足这 些场合的要求。本章结合大功率电机负载所需要的电压、频率等要求,对逆变器 的输出进行谐波优化,在满足负载对电源的基本要求的基础上,尽量减小输出电 压、电流谐波含量。一般情况下以消除的输出谐波为目标的控制方式有两种:一 种是特定消除谐波方法,可以消除多电平逆变器输出的电压或电流的特定谐波, 一般是消除低次谐波;另一种是通过计算负载端输出电压或电流的谐波量,以直 接最小化负载端电压或电流的总谐波畸变率为目标。这两种消除谐波方式的目的 都是为了消除谐波含量,使输出波形的谐波含量达到负载对逆变器输出电压或电 流谐波含量的要求。 .谐波抑制策略 ..传统的谐波抑制策略 传统的谐波抑制方法主要包括特定谐波消除法、注入特定谐波消除法等。其 中特定消谐脉宽调是一种以消除特定低次谐波为目标的优化 调制方法,这种方法能消除一定次数的谐波。它的工作原理是通过提前在仿真软 件中确定的开关管的开通和关断时刻来实现特定的开关组合的切换,从而产生预 期的控制波形,这种消除谐波的方法能够完全消除指定消除次数的谐波。 周期函数傅立叶级数展开和常用于求解非线性方程组的牛顿迭代法等其他改进 的算法是方法的理论基础。 方法的优点总结如下:可以用于消除低次谐波的逆变系统中,可 以有效地降低开关损耗,节约能源,有利于提高系统的效率;在一般的逆变场合 可以得到输出基波电压值较高的电压,可以提高直流侧的电压利用率;能够节约 滤波器的成本,进而减少系统成本。但其主要缺陷在于:方法中一般 采用牛顿迭代法或其改进算法来求解非线性方程组,而牛顿迭代法对初值的依赖 性很大,初值选取的不合适,很容易使算法出现不收敛、计算速度慢,甚至只能 得到局部值等问题,尤其是当非线性方程的未知数增加时甚至找不到合适的解。 这些都是采用该方法时候应该注意的。 ..基于算法的谐波带策略 粒子群优化算法口, 是一种随机优化技术,是 由美国社会心理学家 在 年共 和电气工程师 同提出的。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 算法很容易理解,代码实现方便,不像遗传算法等其它群体智能算法那 样复杂,考虑的情况比较多。基于算法需要找到合适的目标函数, 即适应值 函数,尤其对于最小优化问题来说,目标函数值越小,能找到的适应值就会越好。 设删为适应值函数,则粒子在时刻的最好位置由下式确定: 盼端,:竺:篡羰茹象; 九、 群中的每个粒子都会根据当前的飞行速度%、每个个体最优位置只,似。, 和整个粒子群的最优位置,‰,决定下一时刻的飞行速度?‖‖。当前粒子的 飞行速度圪何能够使粒子搜索到更有的位置,因此在决定下一时刻的飞行速度 ‖时,能够保存当前的飞行速度,‖。,,‰,作为整个粒子群的最优位置, 也是每一个粒子的目的地。从以上这些信息可以推出粒子群算法的速度和位置的 进化方程: ? 《/《嘲口嘣?《 书 《七/ 其中,,?.,为粒子的个数,,?,表示粒子的维数,表示粒子进 化的代数。%‖为粒子在第,次迭代中莉维的飞行速度,,,俐为粒子在第次 迭代中第.,维的当前位置。只似。,为粒子在第次迭代前第/维的个体最优值, 。‰,为粒子在第次迭代前第/维的全局最优值。小匕为间两个相互 独立的均匀分布的随机函数。、为加速度权重,通常在,玟,为学 习因子。 自从算法问世以来,经过多年的发展已经演变出了许多新型的算法,考 虑的优化因素越来越多,其优化的结果越来越好,满足了人们对不同问题的不同 需求。 惯性权重法 惯性权重法 等提出的带有惯性权重的改进 是 算澍。惯性权重是比例因子,它与粒子的上一个速度关系,惯性权重算法 中其进化方程可以演变成为: ? 《?口‰《。一 《 《口《%嘣《 一? 《《 其中?..为线性递减的函数。 用惯性权重控制前面的速度对当前速度的影响,较大的可以加强粒子群 优化算法的全局搜索能力,而较小的可以加强局部搜索能力阱】。。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 收缩因子法 收缩因子法 是提出的选择愀、值的方法,可 以确保搜索过程的收敛】。引用这种方法时的粒子速度进化方程可以表示为如 下式子: 《口。《口《‰;。 呈 : . 石 .一万.万’ 【巳 其中为收缩因子,且艿。收缩因子能够使解决问题的过程得到收敛, 能够得到高质量大范围的解,是很有效的控制方法。 控制参数决定着粒子群算法的有效性,例如粒子数、最大速度、学习因子、 惯性权重等,各个参数的选择原则如下【】: 粒子数:种群粒子数的多少可以根据将要解决的问题的复杂程度决定, 可以取多也可以取少。唯一的差别是少的时候对于复杂的问题解决不了,多了的 时候对于简单的问题过于浪费时间。对于一般简单的优化问题取粒子左右就可 以得到很好的结果;对于非常简单的问题取个粒子数就能够得到好的结果。 粒子的维数:维数是由要解决的问题未知数决定,有多少未知数就有几 个维度。 粒子的范围:范围也是由解决的问题的未知数的范围决定,而且可以设 定不同的范围。 最大速度‰:这个参数明确规定了粒子在搜索过程中的最大速度。 学习因子:学习因子就是指让粒子具有向其它粒子学习的能力,学习因 子的取值一般规则是,等于,,