基于改进粒子群算法的逆变器SHEPWM研究

论文摘要

随着电力电子技术、微电子技术及控制技术的发展,PWM逆变器也在交流调速系统、UPS、交流稳压电源、中高频逆变电源及其它各种电力电子装置中得到了越来越广泛的应用。但是,随着对变换器效率、波形质量、电磁兼容等的要求越来越高,逆变器产生的谐波对外界的危害亦日益严重。本文在分析用于逆变器PWM调制方法的基础上,对其中抑制谐波效果最佳的技术——特定消谐技术进行了深入研究。根据PWM的基本原理与付立叶级数理论,建立了PWM电压型逆变器输出波形的数学模型,得到了其输出谐波在变频变压过程中的分布规律,找出了PWM技术所存在的谐波问题,为SHEPWM技术的有效应用提供了理论参考。并对目前SHEPWM方程组常用的几种计算方法进行了定量而系统的分析。在SHEPWM技术中,表征基波及各次谐波幅值与开关角关系的方程组为非线性超越方程组,一般只能采用牛顿迭代法等数值方法求解,例如Newton-Raphson迭代法、同伦算法、Walsh变换法和多项式变换的方法等数值求解方法求算SHEPWM方程组的特点。由于这几种方法同样存在对初始值要求较高、计算复杂等不足,而且收敛与否与初值选取有直接关系,所以初始值的选取要尽可能接近方程的解。基于现代随机搜索技术的遗传算法、蚁群算法在求解SHEPWM方程组时,可避免数值法对初始值的严格要求。但遗传算法容易陷入局部最优解,而蚁群算法通常需要是连续域的蚁群算法才可用于求解SHEPWM方程组,同时也要采用必要方式来防止算法陷入局部最优解。与蚁群算法相比,同属智能群算法的粒子群优化算法相比,算法流程简单、参数简洁、易于实现,无需复杂的搜索调整,且对优化问题的连续性无任何要求等优点。因此,本文建立了基于粒子群优化算法的SHEPWM求解目标方程,并通过对惯性权重、加速常数等参数的选择合理,避免早熟收敛,又防止以确保算法收敛。最后通过对四分之一周期内五个开关角的SHEPWM仿真及实验。仿真结果表明,电压波形中包含的最低次谐波为17次,逆变器的开关频率及其输出电压的谐波总含量也显著降低了。仿真与实验波形验证了PSO方法在求解SHEPWM方程组的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 交流（AC）-直流（DC）-交流（AC）变压变频器
• 1.1.2 交流（AC）-交流（AC）变压变频器
• 1.2 逆变器谐波抑制与SHEPWM技术
• 1.3 论文研究的主要内容
• 第2章 逆变器PWM技术分析
• 2.1 PWM波形的生成原理
• 2.2 正弦PWM（SPWM）技术
• 2.2.1 自然采样法（Natural sampling）
• 2.2.2 规则采样法（Regular Sampling）
• 2.3 电压空间矢量PWM（SVPWM）
• 2.3.1 对电压空间矢量的定义
• 2.3.2 电压空间矢量与电机定子磁链轨迹之间的关系
• 2.3.3 SVPWM控制与电压空间矢量的线性组合
• 2.4 随机PWM技术
• 2.4.1 随机开关频率方法
• 2.4.2 随机脉冲位置PWM方法
• 2.4.3 随机开关PWM方法
• 2.5 SHEPWM技术
• 第3章 SHEPWM技术中非线性方程组解法的研究
• 3.1 建立SHEPWM技术非线性方程组
• 3.1.1 单极性PWM控制方式及其波形傅里叶分析
• 3.1.2 双极性PWM控制方式及其波形傅里叶分析
• 3.2 牛顿迭代法
• 3.3 同伦算法
• 3.4 WALSH变换法
• 3.4.1 Walsh函数
• 3.4.2 基于Walsh变换的逆变器SHEPWM模型
• 3.4.3 基于Walsh变换的逆变器SHEPWM开关角的求解步骤
• 3.5 智能算法
• 3.5.1 基于遗传算法的逆变器SHEPWM方程组求解研究
• 3.5.2 混沌蚁群算法在求解消谐方程组中的应用
• 第4章 基于粒子群优化的SHEPWM方程组求解方法
• 4.1 PSO粒子群算法的基本原理
• 4.2 基本粒子群算法的行为分析及两种进化模式
• 4.2.1 基本粒子群算法的行为分析
• 4.2.2 基本粒子群算法的两种进化模式
• 4.3 改进的粒子群优化算法
• 4.3.1 带惯性权重参数w的粒子群算法
• 4.3.2 带收缩因子参数的粒子群算法
• 4.4 基于粒子群优化的SHEPWM方程组求解方法
• 4.4.1 问题描述
• 4.4.2 计算步骤
• 第5章 基于MATLAB的SHEPWM仿真分析
• 5.1 基于牛顿迭代方法的SHEPWM的仿真分析
• 5.2 基于遗传方法的SHEPWM的仿真分析
• 5.3 基于PSO的SHEPWM仿真分析
• 5.3.1 单极性SHEPWM仿真分析
• 5.3.2 双极性SHEPWM仿真分析
• 第6章 实验分析
• 6.1 实验电路设计
• 6.1.1 单相逆变器实验平台逆变电路的设计
• 6.1.2 单相逆变器实验平台整流电路的设计
• 6.1.3 单相逆变器实验平台控制电路的设计
• 6.2 单极性SHEPWM的实验分析
• 6.3 双极性SHEPWM的实验分析
• 第7章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献