基于粒子群算法的多电平逆变器谐波控制技术分析_顾天琪.pdf

Applications 创新应用集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 315在其结构中的每个功率单元的电流以及电压都是相互独立的，因而有效地避免电容电压分布不均匀的问题1。级联型多电平逆变器单个H桥单元的拓扑结构如图1所示。由图1可以看出，开关Sa1Sa4的开关状态直接决定了H桥所能够输出电压的大小，因而可以通过控制相应的开关连接或者断开来得到工作所需的输出电压。级联型多电平逆变器的单个H桥输出电压以及对应开关状态定义如表1所示。由于在级联型多电平逆变器结构中，各个H桥单元的拓扑结构是相同的，因而在对其进行设计的过程中，更方便对其进行模块化设计，且由于各个H桥的电流以及电压是相互独立的，因此彼此之间0 引言随着科学技术的不断发展以及对变频设备研究的不断深入，在变频设备应用越来越广泛的同时，其带来的谐波污染也严重影响到了系统的稳定运行，受到了各个行业的共同关注。谐波污染能够降低电能传输的质量和效率，而当其进入至运行的电气设备中后，还可能导致系统断路器出现误动作，影响设备的正常运行。此外，谐波还会使得电气设备在运行过程中出现过热现象，降低设备的使用寿命，并同时对系统中各种信息接收和发送设备的正常工作产生严重的通信干扰。因此，为了确保电力系统的正常、稳定运行，对于谐波的控制和消除已经成为电子领域研究工作的当务之急。1 级联型多电平逆变器拓扑结构自1980年代出现多电平逆变器以来，时至今日多电平逆变器已经发展成为多种拓扑结构，但常用的类型主要有二极管箝位型、级联型以及飞跨电容型三种，本文就以级联型多电平逆变器为例，对其拓扑结构进行了分析。级联型多电平逆变器又被称之为级联型H桥逆变器，其是由基本功率单元进行串联和叠加形成的，作者简介：顾天琪，北京智芯微电子科技有限公司，工程师，硕士；研究方向：电力集成电路应用。收稿日期：2022-12-09；修回日期：2022-12-22。摘要：阐述以级联型多电平逆变器为例，在对粒子群算法引入惯性权重的基础上，对谐波消除策略进行研究。结果表明，采用阶梯波调制（SHEPWM）消谐策略能够有效对逆变器中的奇数谐波进行消除，并同时能够对级联型多电平逆变器的输出功率均衡性，具有很好的调制效果。关键词：粒子群算法，多电平逆变器，谐波控制。中图分类号：TP18，TM424 文章编号：1674-2583(2023)01-0315-03 DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.01.139文献引用格式：顾天琪.基于粒子群算法的多电平逆变器谐波控制技术分析J.集成电路应用,2023,40(01):315-317.基于粒子群算法的多电平逆变器谐波控制技术分析顾天琪（北京智芯微电子科技有限公司，北京 102200）Abstract Taking cascaded multilevel inverter as an example,this paper studies the harmonic elimination strategy based on the inertia weight of particle swarm optimization.The results show that the odd harmonics in the inverter can be effectively eliminated by using the stepped wave modulation(SHEPWM)harmonic elimination strategy,and the output power of the cascaded multilevel inverter can be balanced at the same time,with good modulation effect.Index Terms particle swarm optimization,multilevel inverter,harmonic control.Analysis of Harmonic Control Technology of Multilevel Inverter Based on Particle Swarm OptimizationGU Tianqi(Beijing Smart Chip Microelectronics Technology Co.,Ltd.,Beijing 102200,China.)图1 级联型逆变器单H桥拓扑结构316 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月Applications创新应用的工作状态互不影响，从而使得级联型多电平逆变器有着较高的运行稳定性。而要想获取输出电压波形，只需对级联型多电平逆变器中的每个H桥单元施加PWM控制，然后将H桥单元输出的电压波形进行叠加即可，由于可以看出，其具有操作简单、易于扩展等优点。2 粒子群算法在智能计算领域，粒子群算法（Particle Swarm Optimization，PSO）是一种被广泛应用的群体优化算法。粒子群算法的发明是人们对于鸟类觅食行为的研究结果，需要首先对搜索区域内的离子位置、离子速度等种群进行初始化，并采用适应度函数来对离子的适应度值进行计算，而适应度值越大则表明越接近最优解。其中个体极值Gbest代表粒子个体在搜索过程中的最佳适应度，而群体极值Pbest则代表粒子群体在搜索过程中的最佳适应度2。在使用粒子群算法进行迭代计算的过程中，对个体极值和群体极值进行寻优计算是其中的关键环境。在此，假设待优化问题的解维数为D，种群之中共计有n个粒子，使用X=(X1,X2,Xn)表示，其中第i个粒子在当前搜索区域的位置使用Xi表示，而第i个粒子在当前搜索区域内的移动速度用Vi 来表示，第i个粒子的个体极值用Pi表示，第i个粒子的群体极值用Pg表示，那么对个体极值进行计算为式（1）。（1）群体粒子极值的计算为式（2）。（2）在采用粒子群进行迭代计算过程中，需要结合个体粒子以及群体粒子极值的变化来调整对于粒子速度以及位置进行更新的频率，计算为式（3）。（3）式中，n和w表示为惯性权重，c1和c2表示为加速度因子，Vid表示为粒子的速度，Xid表示为粒子的位置，r1和r2为随机数。粒子算法的具体运行流程为：（1）对粒子群算法的迭代次数、种群规模等运行参数进行设置，并同时设置粒子个体以及运行速度的范围；对种群进行初始化，采用rands函数来对粒子的位置以及速度进行初始化，并建立起粒子适应度函数，对离子的适应度值进行计算。（2）开始寻找初始极值，主要针对个体粒子位置、适应度值以及群体粒子位置、适应度值进行寻找；利用离子更新速度公式来对粒子进行计算，利用离子更新位置公式来对粒子位置进行计算，待计算得出经过迭代后的粒子群适应度值后，开始对个体粒子以及群体粒子的极值进行更新3。（3）如果计算结果满足要求，则计算过程结束，并得出最终的最优解，如果不满足要求，则继续利用速度和位置更新公式进行计算。3 基于粒子群算法的联级型多电平谐波消除策略由上文对级联型多电平逆变器拓扑结构的介绍我们可以得知，级联型多电平逆变器的谐波消除可以采用阶梯波调制策略。在该策略下，级联型多电平逆变器中的每个H桥单元所输出的都是大小、频率相同的方波，而这些方波在逆变器的输出端进行叠加便合成了阶梯波。而为了能够采用粒子群算法得出级联型多电平逆变器阶梯波调制策略的最优解，在此我们引入了惯性权重的概念，其体现的是离子原有移动速度的继承水平，在此用w表示，而在惯性权重较低时，粒子群算法所具有的局部寻优能力会更好，但相应的粒子群算法的收敛速度就会降低4。而在惯性权重值较大的情况下粒子群算法所表现出来的全局寻优能力则而更强，其收敛速度也越快。而为了验证在粒子群算法中引入惯性权重来优化粒子群算法的函数寻优能力，采用如式（4）对其进行了求解，得出两组开关角结算。（4）结果的对应调制比范围，其第一组的调制比范围为0.50,1.05，第二组开关的调制比范围为0.62,0.80，为了进一步分析两组开关解集的不同，通过对此的运算获得了两组开关角度解集，具体如表2所示。由表2中数据可以看出，随着调制比的不断增大，相电压的THD数值变得越来越小，这就足以说明相电压波形越来越靠近正弦波5。通过对引入惯表1 级联型多电平逆变器单个H桥输出电压与开关状态表2 两组开关角度计算结果Applications 创新应用集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 317性权重后的例子算法群计算两组开关在得出角度数据进行Matlab仿真后可以看出，相电压和线电压的奇数次波形已经基本被消除，这就表明引入惯性权重来对粒子群算法进行优化，从而将其应用至对级联型多电平比逆变器阶梯波的调制策略中是切实可行的，并且在确保对谐波进行消除的基础之上，求解得出两组开关控制角度的数据解集，依据逆变器所输出的谐波畸变概率的不同，可以灵活的依据使用需求来选择合适的算法，从而大大提升了粒子群算法的实用性。4 阶梯波调制（SHEPWM）功率均衡控制策略级联型多电平逆变器有着操作简便、易于模块化以及电压均衡等诸多优点，但同时也存在着功率不均衡的问题，因此在大功率电机调速系统、电力系统中应用级联型多电平逆变器时，功率均衡是一个首先要解决的问题。而造成级联型多电平逆变器功率不均衡的主要原因是由于逆变器的中的H桥单元相互之间是独立的，这就造成了在其直流侧会存在多个独立的电源，如果这些电源的输出功率不同，将会导致其结构内部各个H桥单元的充放电平均衡，从而对于到逆变器的使用寿命和系统工作的稳定性产生影响。在此我们以三单元级联型多电平逆变器为例，对其在阶梯波调制策略下的功率均衡控制问题进行了分析。采用引入惯性权重的粒子群算法来对阶梯波调制功率均衡控制策略下的三单元级联型多电平逆变器非线性方程组进行求解得出阶梯波调制特定谐波消除策略下的开关控制角度运行轨迹6。其中，第一组谐波消除解的调制比范围为0.55,0.90，第二组谐波消除解的调制比范围为0.71，0.92，求解得出的阶梯波调制SHEPWM消谐策略第一组、第二则开关角的解集如表3所示，阶梯波调制SHEPWM功率均衡策略下开关角的解集如表4所示。采用上述表格中的解集，采用Matlab仿真来对结果进行仿真分析，可以得出在阶梯波调制SHEPWM谐波消除均衡策略下，三单元级联型多电平逆变器结构中的各个H桥单元输出电压幅值大小基本相同，由此可以看出，采用该策略确保了级联型三电平逆变器中各个H单元输出功率的均衡。5 结语相较于低电平逆变器，多电平逆变器是一种具有输出波形质量高、容量大、输出电流中谐波含量较低等诸多优点的元器件，因此被广泛应用在了电力系统之中。本文以级联型多电平逆变器为例，在对粒子群算法引入惯性权重的基础之上对其谐波消除策略进行了研究，研究结果表明，采用阶梯波调制（SHEPWM）消谐策略能够有效对逆变器中的奇数谐波进行消除，并同时能够对级联型多电平逆变器的输出功率均衡性具有很好的调制效果。参考文献1 张枫鑫.基于改进型粒子群算法的开关电容级联多电平逆变器D.广东：广东工业大学,2022.2 张乐天,王英.基于模拟退火优化粒子群算法的七电平逆变器特定消谐技术研究J.电气自动化,2022,44(02):78-80.3 朱琴跃,戴维,谭喜堂,李朝阳,解大波.基于粒子群算法的牵引逆变器多目标优化控制策略J.同济大学学报(自然科学版),2020,48(02):287-295.4 吴铁洲,何东晨,曾艺师,吴笑民.基于改进粒子群算法的逆变器谐波抑制研究J.太阳能学报,2016,37(03):765-771.5 吴铁洲,熊金龙,薜竹山.改进粒子群算法的SHEPWM开关角计算方法研究J.湖北工业大学学报,2016,31(01):46-50.6 郑宏,黄健,孙玉坤,史玉立.混合多电平逆变器拓扑及调制方法J.农业工程学报,2012,28(03):198-202.表3 阶梯波调制