整流器基于神经网络的快速SVPWM三电平PWM整流器的研究-写手联盟

1、整流器基于神经网络的快速SVPWM三电平PWM整流器的研究-写手联盟    摘要：本文介绍了二极管中点箝位型三电平PWM 整流器电路拓扑结构，详细分析了空间矢量脉宽调制(SVPWM)的基本原理，针对传统的复杂SVPWM 算法，分析了一种基于神经网络的快速SVPWM 算法。该方法在矢量选取和作用时间计算方面进行了简化，避免了复杂的三角函数运算，从而可节省处理器的计算时间。最后基于Matlab 仿真软件建立了三电平PWM 整流器的电压定向控制系统仿真模型，仿真结果验证了该算法的有效性。: D" J, s4 c( g8 '6 Y关键词： 三电

2、平；空间矢量脉宽调制；PWM 整流器；神经网络+ X% T: x% T1 Q6 G( U& D% / O8 C% w( X! a) k' H4 q1 引言% l. a; * z' q2 B- U0 T/ w7 w. N' F3 d& z近年来,在高压大功率场合,中点箝位型三电平PWM整流器逐渐引起人们的关注。与传统的两电平PWM整流器相比，三电平PWM整流器具有以下优点1：1)每一个功率开关管上承受的电压峰值仅为两电平PWM整流器的一半，因此可以降低器件耐压等级；2)三电平PWM整流器可以用27个开关状态来合成所需的电压矢量,在开关频率不是很高的情况下，

3、也能保证较好的正弦波形的输入电流;3)在相同的开关频率及控制条件方式下,三电平PWM整流器交流侧电流谐波含量低，直流电压纹波小，器件损耗和du/dt应力小。9 o( D) b2 v* X* 4 D$ i三电平PWM整流器的调制方法主要分为基于电压空间矢量的脉宽调制(SVPWM)技术和基于载波比较的脉宽调制技术。SVPWM因具有直流电压利用率高、器件开关次数较少、易于数字化实现等优点得到了广泛应用2。传统的三电平SVPWM调制方法计算量大，涉及较多的查表和三角函数，普通定点DSP难以满足要求。为此国内外学者进行了大量的研究,提出了很多改进算法3-7。文献7提出一种基于神经网络的快速SVPWM算法

4、,并应用到三电平电压型逆变器的过调制控制策略中。该算法在基矢量选取及其作用时间计算方面进行了简化，节省了处理器的计算时间，从而在三电平过调制控制中收到了很好的效果。( ?$ '4 Y% E. M: F/ E本文将基于神经网络的快速SVPWM 算法应用到三电平PWM 整流器中，并在Matlab/Simulink 仿真环境中对该算法进行了验证。对于三电平PWM 整流器固有的中点电位平衡问题，本文通过判断中点电流方向和电容的电压差，采用了一种易于实现的滞环控制方法。仿真结果表明，三相PWM 整流器具有较好的稳态和动态性能，从而验证了该算法的有效性。, M' O/ j+ 4 V1 L+

5、 9 o, D6 b8 y- w9 c2 三电平PWM整流器及SVPWM基本原理# I5 7 U" R. A8 R, h+ x5 m! W6 M) z% P" 二极管箝位型三电平PWM整流器的主电路如图1所示，每一相桥臂有4个功率开关管、4个续流二极管、2个箝位二极管。对于任意给定的三相基波电压瞬时值vao、vbo、vco，在复平面内定义电压空间矢量为( 2 )r ao bo co23v = v +α v +α v其中，α = e j2π /3。: q- C+ Y0 z2 z. : E, j6 N&a

6、mp; u图2 给出了三电平整流器空间电压矢量在α ? β 坐标系下的分布，其中含有6 个模为2vdc/3 的大矢量，6 个模为dc 3v / 3的中矢量以及6 个模为vdc/3 的小矢量，三个零矢量(PPP、NNN、000)位于原点。它们把正六边形分为6 个扇区，每个扇区又分为4 个小区。; R0 H7 P8 P% - + v  m! W* X5 X5 l6 w6 K3 基于神经网络的快速SVPWM算法+ V: w8 x  J* ?: D, W$ N& ! Q& R/ y, b9 m. i$ w8

7、a3.1 神经网络- L; v& n- '1 ( D9 R* T6 M神经网络由于其非线性处理能力强，性能稳定等特点得到了广泛应用。在神经网络中，中国科技论文在线当外部输入模式出现时，每个神经元都会同时工作，并且网络采用一定的竞争学习机制，完成对复杂模式的分类过程。当网络完成对输入模式的学习之后，会将各个模式分布地记忆在网络的各个连接权值上。在输入层输入标幺化的矢量，该网络的中间节点值等于输入矢量与网络权值矢量的内积，可表示为net =U ?W = U W cosθ (1)式中，θ 为U、W 的夹角。$ e! o, v 

8、0;% d! a. w由于输入矢量和权值矢量都已标幺化，中间节点值由以上两个矢量夹角的余弦决定。其中最大的中间节点赢得比较，即赢得比较的矢量最靠近输入矢量，其过程如图3 所示。由于SVPWM 算法计算过程中需要确定参考电压矢量由哪几个基矢量合成，故也是分类问题，并且所有分类的权值都是已知的，不需要对网络的权值进行训练。图2 中，va,r 与6 个大矢量的内积分别为1，0.5，-0.5，-1，-0.5，0.5，这些值即为该竞争网络的权值。基于神经网络的SVPWM 算法较传统的SVPWM 简单、精确，其核心就是神经网络模块，其框图如图4 所示。参考电压矢量经过6 个线性运算后，其结果被送入比较单元

9、进行处理。其中第k 个计算单元的输出值，也等于参考电压矢量和第k 个基矢量的内积，即：) z: c  y3 u" z可以看出，和参考电压矢量vr 最近的基矢量vk，其对应的计算单元输出值nk 最大。若参考电压矢量vr 落在vi 和vi+1 组成的扇区中，相对应的ni 和ni+1 将大于其他各nk 值。式中，θ 为参考电压矢量和与之最近的基矢量之间的夹角。# % p$ f0 a! Z1 z+ H9 s1 L' a; f由比较单元输出的两个最大值下标，可以确定参考电压矢量所在的扇区；而最大输出值ni 和ni+1 则为合成基矢量的作用时间计算

10、提供了方便。2 E8 M9 m, B) U5 ) h9 w& U" I- t! 0 I; g2 ) e. S" " S3.2 基矢量的选取% c- 5 W9 j' N. O2 x0 D. t在确定参考电压矢量所在扇区之后，首要任务就是把其他各扇区的情况划归到第扇区进行处理。例如，参考电压矢量落在第扇区，其变换到第扇区为在所有扇区都划归到第扇区后，便可以通过区域判定单元进行小区判断，图5给出了第扇区的小区分布图。式(5)中，若a<0，则参考电压矢量落在第1 小区；若b<0，则参考电压矢量落在第3 小区；若c<0，则参考电压矢量落在第

11、4 小区；否则，参考电压矢量落在第2 小区。当参考电压矢量位于某小区时，根据NTV(Nearest Three Vector)原则直接由该小区的三个顶点对应的电压矢量进行合成。- L, r( Z& I; P5 r$ q- s! R; h: 0 B/ g3.3 基矢量的作用时间: H; K1 e  y/ S. F  h6 8 W% s4 f8 w在合成基矢量确定以后，根据伏秒平衡原则，便可以求得3 个基矢量的作用时间。以参考电压矢量落在图5 中第3 小区为例，则vr 可由v1、v7、v13 合成，且由式(9)可以看出，合成基矢量的作用时间计算仅是简

12、单的线性计算，避免了大量的三角函数，从而可节省处理器的计算时间。2 B8 ' h0 K- ) n# s! g& H5 b! a2 P& m8 P% T* e3.4 直流侧中点电位控制# E2 $ j- m$ A" V: 三电平整流器在运行中必须保证中点电位平衡，否则将导致输入电流波形畸变，损坏功率开关器件和滤波电容，不利于整流器的安全运行8。2 ?& L) x$ B9 L; F/ c+ b4 M本文采用基于控制因子&rho;的滞环控制方法，即通过重新安排冗余电压矢量的时间分配对中点电位进行控制。以参考电压矢量位于图5中小区3为例，小矢量v1对应

13、正小矢量v1p和负小矢量v1n，它们对中点电压的影响相反，其优化后的电压基矢量作用顺序为：v1p - v7 - v13 -v1n - v13 - v7 - v1p。其中，v1p和v1n的作用时间为1p 1 1n 1 t = t (1+ &rho; ) / 2 t = t (1? &rho; ) / 2 (10)式中，&rho;为控制因子，且-1&le;&rho;&le;1。% y* B1 w: S1 Y: r由于小矢量v1p和v1n的幅值和相角相同，故只要满足式(10)，则改变两个矢量的作用时间，将不会影响输出电压矢量，并可达到控制中点电位的目的

14、。5 s( A, v! x! ; ?: o; ' F" B+ ) 8 ; b# s; m% h4 仿真研究6 , E. A9 c# S6 _' D1 w6 O$ o: E1 h/ V. X- J6 h6 c5 Y/ d1 f* O本文利用Matlab/Simulink软件平台搭建了三电平PWM整流器的电压定向控制系统仿真模型，对基于神经网络的SVPWM算法进行仿真研究。系统的仿真参数如下：三相输入为三相对称正弦电压，相电压幅值为220V，输入侧等值电阻为R=0.1&Omega;，电感为L=10mH，直流侧电容为C1= C2=2600&mu;F，负载RL

15、=100&Omega;，直流电压给定vdc=550V，开关频率f=5kHz。, I& E( 9 B( i' b图6为整流器直流侧电压波形，可见控制系统稳态运行时输出直流电压为550V，与给定相符，且波形平直、波动小。从图7和图8中可以看出，输入电压与输入电流同相位，功率因数为1，电流畸变率为3.33%。图9为直流侧两电容上的电压波形，可以看出采用控制策略后，中点电位的波动得到了有效的控制。) Y1 y# V+ m3 J) '" % R/ w6 J+ T# S6 ?4 t2 O; z5 结论8 X6 Z: |- e: k  * n2

16、o7 z* a4 A, B  T' K! D9 d本文介绍了三电平 PWM 整流器的拓扑结构，分析了基于神经网络的SVPWM 算法，该算法计算简单，无需复杂的三角函数运算，有利于计算机的数字化实现。文中将该算法应用到三电平PWM 整流器中，并在Matlab 仿真环境中验证了该算法。仿真结果表明，三相PWM整流器具有较好的稳态和动态性能，从而验证了该算法的有效性，具有较高的应用价值。  Y$ w* t2 j8 g* S3 y! W9 Z2 B, K4 T6 j2 i  6 m5 J, R- |# p: Y写手联盟专业从事代写职称

17、论文服务，并大量免费建筑职称论文，如有业务需求请咨询网站客服人员 9 v* $ 6 e- w- C2 u- . " n/ ?3 f参考文献 (References)4 S/ D) O' v  Y5 z+ L' P/ l1 李永东, 肖曦, 高跃.大容量多电平变换器原理.控制.应用M.北京:科学出版社, 2005.& j( p; O2 I  A0 D: i2 赵振波, 许伯强, 李和明. 高功率因数PWM 整流器综述J. 华北电力大学学报, 2002 , 29 (4) : 36 - 40., k7 U. C- K/ X(

18、G: , M* ) G3 Rodr guez J,Correa P,Mor&aacute;n L. A Vector Control Technique for Medium Voltage Multilevel Inverters C /Anaheim: Proceedings of the IEEE APEC , 2001 :173 - 178. c$ U( _1 G! a  n4 Liu H,Xiao X,Xu Y. Study on the Simplified Algorithm of Space Vector PWMC Singapore : Proceedingsof the IEEE PEDS , 2003 :877 - 881.- w4 0 E! M% F) R7 B5 Li L,Czarkowski D,Liu Y,et al. Multilevel Space Vector PWM Tech