基于mamalab的三电平变换器消谐波和相线电压谐波谐波补偿

基于mamalab的三电平变换器消谐波和相线电压谐波谐波补偿

1点组成结构变换器svpwm在20世纪80年代的中点处，三坪平面强迫反演器（如图1所示）之后，nabael在国际社会年会上引入后，以其独特的优势受到了广泛关注。这种变换器由于二极管的箝位,每个功率开关管承受的最大电压为直流测电压的1/2,从而实现了用中低压器件实现中高容量的变换。另外由于相电压有三种电平状态,其谐波水平明显低于二电平变换器。并且由于采用了不对称的双向开关,能量可以双向流动,能很好地控制功率因素和实现电机四象限运行。因此这种结构的变换器在高性能中高电压的变频调速系统、有源电力滤波装置、HVDC输电系统和电力系统无功补偿等有着广泛的应用前景。目前中点箝位型三电平变换器主要有三种控制方法:载波PWM,空间矢量PWM(SVPWM)和选择性消谐波PWM(SHEPWM)。载波PWM和空间矢量PWM方法都是高开关频率PWM方法,因此在能量的变换中,开关的次数多,开关损耗比较大。SHEPWM方法是一种基于频率最优化的PWM方法,它通过选择开关点的角度,消除要求的特定次谐波。它在同样的开关频率下,可以取得最优的输出波形,最小的开关损耗和最小的谐波畸变。因此,在高功率变换中也经常使用这种方法。另外这种方法还具有调制比高的特点,最大调制可以达到1.15。本文首先介绍了三电平变换器中SHEPWM方法的原理,然后针对SHEPWM方法的非线性超越方程,提出了一种基于MATLAB的优化工具包中的专门解非线性方程FSOLVE函数求解的方法,绘出了N=11时候的解轨迹曲线,并用MATLAB的SIMULINK图形化工具GUI分析了各调制比下的相线电压实际消谐波结果和相线电压的总谐波畸变率THD与调制比M的关系。最后建立了实验模型进行电机调速试验。2电平变换器的等效电路1973年,PatelH.S和HoftR.GSH针对传统的两电平变换器提出SHEPWM方法。这种控制方法通过开关时刻的优化选择,消除选定的低次谐波。三电平SHEPWM原理同两电平一样也是通过选择开关点的角度消除特定的谐波,从而达到输出波形最优。假设三电平变换器输出的相电压的波形如图2所示,具有1/4周期对称,其中开关点数为m。对相电压进行傅立叶变换可以表示为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为奇数)。α的一个约束条件是0≤α1＜α2＜⋯＜αj＜⋯＜αm＜π20≤α1＜α2＜⋯＜αj＜⋯＜αm＜π2为了消除k次谐波,只需通过选择开关点使其对应的系数bk为0即可。对于三相的PWM变换器,线电压不存在三次谐波。选择m个开关角度,设线电压可以消除到的谐波次数n,则:当m为偶数的时候,n=3×m-1;当m为奇数的时候,n=3×m-2。3最低次谐波计算根据上面所述可知,当选用的方程个数(N)增多时,实际可以消除的谐波次数增大。但是同时开关频率也会增大,损耗也会增加;另外所需的开关点数也会增多,用DSP实现变频调速时开关表格也会增大。对于高频谐波,设计滤波器成本不高,而且滤波效果较好。由于以上几个原因,本文作者研究N=11的情况,线电压可以消除的谐波次数为31次,它的最低次谐波为35次谐波。列N=11、电压幅度调制比为M情况下SHEPWM方程为{b1=M×Ebk=0(2){b1=Μ×Ebk=0(2)(k=5,7,11,13,17,19,23,25,29,31)方程组(2)为非线性超越方程,计算起来不方便。从现有资料看求解方法主要是牛顿迭代法。这种方法的一个问题就是迭代的初始点的选择。初始点如果选择得不好,就会引起无法求解。MATLAB的4.0以上的版本里面的优化工具包提供了一个求解非线性方程FSOLVE函数,把需求解的非线性方程输入,就可以方便地求解。对于SHEPWM的11个方程的解,有一个限定条件,因此只需要编写一个简单的循环程序,就可以很快求解SHEPWM方程。图3是用MATLAB的FSOLVE函数求解的N=11时候的解轨迹曲线。从图上可以看出调制比在[0,0.6]区间内,解轨迹基本上呈线性,调制比大于0.6以后,解轨迹曲线呈非线性。在调制比1.15处,α10和α11的轨迹曲线将要相交,即调制比大于1.15后,方程组无解。从图上也可以看出SHEPWM方法最大调制比可以达到1.15。4谐波特性分析为了研究上述解轨迹的正确性和SHEPWM方法的实际消谐波效果,用MATLAB仿真了不同调制比时开关点数N=11情况下的相电压和线电压,并用图形化分析工具GUI分析了其谐波特性。图4和图5是调制比M为0.6和1.05时的相、线电压波形和谐波分析。从仿真波形可以看到,相电压的频谱中,5、7、11、13、17、19、23、25、27、29、31次谐波都很小。线电压的频谱中2到33次谐波基本上也不存在,最低次谐波为35次。图6为谐波消除效果特性和调制比的关系曲线。从图6不难看出在整个调制比范围内,实际的线电压2—35次的谐波畸变率都没有超过0.9%,这也证明了上述解轨迹的正确性。5动态特征参数的获取为了验证上述仿真结果和研究中点箝位三电平逆变器SHEPWM变频调速的特性,建立了主电路如图1的变换器。负载为2.2kW异步电动机,开关管采用IRF840,反并二极管和箝位二极管采用MUR860。控制采用实验室开发的DSP数控开发平台,该平台提供了双DSP之间的通信、16路的隔离PWM输出、20路的隔离I/O、10路AD采样及SCI和SPI等。整个逆变器的控制框图如图7所示。图8(a～d)和图9(a～d)分别是M=0.6和M=1.05时候的相电压和线电压的波形和FFT分析波形。本文介绍了中点箝位型的三电平变换器SHEPWM的基本原理和一种基于MATLAB的FSOLVE函数求解SHEPWM超越方程的方法。绘出了N=11时候的解轨迹,分析了解轨迹的特点和SHEPWM方法的最大调制比为1.15的特点。并用MATLAB仿真了不同调制比下的相线电