基于mamalab的三電平變換器消諧波和相線電壓諧波諧波補(bǔ)償

基于mamalab的三電平變換器消諧波和相線電壓諧波諧波補(bǔ)償

1點(diǎn)組成結(jié)構(gòu)變換器svpwm在20世紀(jì)80年代的中點(diǎn)處，三坪平面強(qiáng)迫反演器（如圖1所示）之后，nabael在國(guó)際社會(huì)年會(huì)上引入后，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)受到了廣泛關(guān)注。這種變換器由于二極管的箝位,每個(gè)功率開關(guān)管承受的最大電壓為直流測(cè)電壓的1/2,從而實(shí)現(xiàn)了用中低壓器件實(shí)現(xiàn)中高容量的變換。另外由于相電壓有三種電平狀態(tài),其諧波水平明顯低于二電平變換器。并且由于采用了不對(duì)稱的雙向開關(guān),能量可以雙向流動(dòng),能很好地控制功率因素和實(shí)現(xiàn)電機(jī)四象限運(yùn)行。因此這種結(jié)構(gòu)的變換器在高性能中高電壓的變頻調(diào)速系統(tǒng)、有源電力濾波裝置、HVDC輸電系統(tǒng)和電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)扔兄鴱V泛的應(yīng)用前景。目前中點(diǎn)箝位型三電平變換器主要有三種控制方法:載波PWM,空間矢量PWM(SVPWM)和選擇性消諧波PWM(SHEPWM)。載波PWM和空間矢量PWM方法都是高開關(guān)頻率PWM方法,因此在能量的變換中,開關(guān)的次數(shù)多,開關(guān)損耗比較大。SHEPWM方法是一種基于頻率最優(yōu)化的PWM方法,它通過選擇開關(guān)點(diǎn)的角度,消除要求的特定次諧波。它在同樣的開關(guān)頻率下,可以取得最優(yōu)的輸出波形,最小的開關(guān)損耗和最小的諧波畸變。因此,在高功率變換中也經(jīng)常使用這種方法。另外這種方法還具有調(diào)制比高的特點(diǎn),最大調(diào)制可以達(dá)到1.15。本文首先介紹了三電平變換器中SHEPWM方法的原理,然后針對(duì)SHEPWM方法的非線性超越方程,提出了一種基于MATLAB的優(yōu)化工具包中的專門解非線性方程FSOLVE函數(shù)求解的方法,繪出了N=11時(shí)候的解軌跡曲線,并用MATLAB的SIMULINK圖形化工具GUI分析了各調(diào)制比下的相線電壓實(shí)際消諧波結(jié)果和相線電壓的總諧波畸變率THD與調(diào)制比M的關(guān)系。最后建立了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行電機(jī)調(diào)速試驗(yàn)。2電平變換器的等效電路1973年,PatelH.S和HoftR.GSH針對(duì)傳統(tǒng)的兩電平變換器提出SHEPWM方法。這種控制方法通過開關(guān)時(shí)刻的優(yōu)化選擇,消除選定的低次諧波。三電平SHEPWM原理同兩電平一樣也是通過選擇開關(guān)點(diǎn)的角度消除特定的諧波,從而達(dá)到輸出波形最優(yōu)。假設(shè)三電平變換器輸出的相電壓的波形如圖2所示,具有1/4周期對(duì)稱,其中開關(guān)點(diǎn)數(shù)為m。對(duì)相電壓進(jìn)行傅立葉變換可以表示為vt(t)=∑n=1∞bnsinnωt(1)vt(t)=∑n=1∞bnsinnωt(1)其中:bn=4Enπ[cosnα1?cosnα2+?+(?1)j?1cosnαj+?+cosnαn]bn=4Enπ[cosnα1-cosnα2+?+(-1)j-1cosnαj+?+cosnαn];(n為奇數(shù))。α的一個(gè)約束條件是0≤α1＜α2＜?＜αj＜?＜αm＜π20≤α1＜α2＜?＜αj＜?＜αm＜π2為了消除k次諧波,只需通過選擇開關(guān)點(diǎn)使其對(duì)應(yīng)的系數(shù)bk為0即可。對(duì)于三相的PWM變換器,線電壓不存在三次諧波。選擇m個(gè)開關(guān)角度,設(shè)線電壓可以消除到的諧波次數(shù)n,則:當(dāng)m為偶數(shù)的時(shí)候,n=3×m-1;當(dāng)m為奇數(shù)的時(shí)候,n=3×m-2。3最低次諧波計(jì)算根據(jù)上面所述可知,當(dāng)選用的方程個(gè)數(shù)(N)增多時(shí),實(shí)際可以消除的諧波次數(shù)增大。但是同時(shí)開關(guān)頻率也會(huì)增大,損耗也會(huì)增加;另外所需的開關(guān)點(diǎn)數(shù)也會(huì)增多,用DSP實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速時(shí)開關(guān)表格也會(huì)增大。對(duì)于高頻諧波,設(shè)計(jì)濾波器成本不高,而且濾波效果較好。由于以上幾個(gè)原因,本文作者研究N=11的情況,線電壓可以消除的諧波次數(shù)為31次,它的最低次諧波為35次諧波。列N=11、電壓幅度調(diào)制比為M情況下SHEPWM方程為{b1=M×Ebk=0(2){b1=Μ×Ebk=0(2)(k=5,7,11,13,17,19,23,25,29,31)方程組(2)為非線性超越方程,計(jì)算起來不方便。從現(xiàn)有資料看求解方法主要是牛頓迭代法。這種方法的一個(gè)問題就是迭代的初始點(diǎn)的選擇。初始點(diǎn)如果選擇得不好,就會(huì)引起無法求解。MATLAB的4.0以上的版本里面的優(yōu)化工具包提供了一個(gè)求解非線性方程FSOLVE函數(shù),把需求解的非線性方程輸入,就可以方便地求解。對(duì)于SHEPWM的11個(gè)方程的解,有一個(gè)限定條件,因此只需要編寫一個(gè)簡(jiǎn)單的循環(huán)程序,就可以很快求解SHEPWM方程。圖3是用MATLAB的FSOLVE函數(shù)求解的N=11時(shí)候的解軌跡曲線。從圖上可以看出調(diào)制比在[0,0.6]區(qū)間內(nèi),解軌跡基本上呈線性,調(diào)制比大于0.6以后,解軌跡曲線呈非線性。在調(diào)制比1.15處,α10和α11的軌跡曲線將要相交,即調(diào)制比大于1.15后,方程組無解。從圖上也可以看出SHEPWM方法最大調(diào)制比可以達(dá)到1.15。4諧波特性分析為了研究上述解軌跡的正確性和SHEPWM方法的實(shí)際消諧波效果,用MATLAB仿真了不同調(diào)制比時(shí)開關(guān)點(diǎn)數(shù)N=11情況下的相電壓和線電壓,并用圖形化分析工具GUI分析了其諧波特性。圖4和圖5是調(diào)制比M為0.6和1.05時(shí)的相、線電壓波形和諧波分析。從仿真波形可以看到,相電壓的頻譜中,5、7、11、13、17、19、23、25、27、29、31次諧波都很小。線電壓的頻譜中2到33次諧波基本上也不存在,最低次諧波為35次。圖6為諧波消除效果特性和調(diào)制比的關(guān)系曲線。從圖6不難看出在整個(gè)調(diào)制比范圍內(nèi),實(shí)際的線電壓2—35次的諧波畸變率都沒有超過0.9%,這也證明了上述解軌跡的正確性。5動(dòng)態(tài)特征參數(shù)的獲取為了驗(yàn)證上述仿真結(jié)果和研究中點(diǎn)箝位三電平逆變器SHEPWM變頻調(diào)速的特性,建立了主電路如圖1的變換器。負(fù)載為2.2kW異步電動(dòng)機(jī),開關(guān)管采用IRF840,反并二極管和箝位二極管采用MUR860。控制采用實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的DSP數(shù)控開發(fā)平臺(tái),該平臺(tái)提供了雙DSP之間的通信、16路的隔離PWM輸出、20路的隔離I/O、10路AD采樣及SCI和SPI等。整個(gè)逆變器的控制框圖如圖7所示。圖8(a～d)和圖9(a～d)分別是M=0.6和M=1.05時(shí)候的相電壓和線電壓的波形和FFT分析波形。本文介紹了中點(diǎn)箝位型的三電平變換器SHEPWM的基本原理和一種基于MATLAB的FSOLVE函數(shù)求解SHEPWM超越方程的方法。繪出了N=11時(shí)候的解軌跡,分析了解軌跡的特點(diǎn)和SHEPWM方法的最大調(diào)制比為1.15的特點(diǎn)。并用MATLAB仿真了不同調(diào)制比下的相線電