基于改进混合粒子群优化的特定谐波消除脉宽调制策略-陈炜.pdf
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1、第49卷 第5期 2016年5月 天津大学学报(自然科学与工程技术版) Journal of Tianjin University(Science and Technology) Vol.49 No.5May 2016 收稿日期:2014-09-30;修回日期:2015-01-19. 基金项目:国家重点基础研究发展计划(973 计划)资助项目(2013CB035600);国家自然科学基金资助项目(51577134);天津市应用基础研究计划重点资助项目(13JCZDJC34700). 作者简介:陈 炜(1977 ),男,博士,副教授 通讯作者:陈 炜,chen_. 网络出版时间:2015-09-
2、18. 网络出版地址:http:/ DOI:10.11784/tdxbz201409079 基于改进混合粒子群优化的特定谐波消除脉宽调制策略 陈 炜1,陈玉健1,耿 强2(1. 天津大学电气与自动化工程学院,天津 300072; 2. 天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室,天津 300387) 摘 要:针对传统迭代法求解特定谐波消除脉宽调制策略(SHEPWM)开关角方程组需要合适的初值和难收敛的问题,提出一种改进的混合粒子群优化(HPSO)算法对其进行求解该算法对粒子群(PSO)算法的权重系数和学习因子进行了改进,并且提出了一种温度系数线性递减的模拟退火(SA)算法与粒子群算法结合,有效
3、弥补了传统粒子群(CPSO)算法求解开关角收敛速度慢和精度低的缺点仿真分析表明,该算法消除了对初值的依赖,提升了算法寻优的能力,从而提高了求解速度与精度,并且通过实验验证了该算法的可行性 关键词:特定谐波消除;优化算法;模拟退火;混合粒子群优化 中图分类号:TM464 文献标志码:A 文章编号:0493-2137(2016)05-0498-08 Selective Harmonic Elimination Pulse Width Modulation Based on Improved Hybrid Particle Swarm Optimization Chen Wei1,Chen Yuji
4、an1,Geng Qiang2(1School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2Tianjin Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology, Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China) Abstract:The requirement of an initial value and the speed
5、of convergence are the main challenges for the traditional iteration method in selective harmonic elimination pulse width modulation(SHEPWM)As to these problems,an improved hybrid particle swarm optimization(HPSO)algorithm was proposed in this paperIn the proposed strategy,the inertia weight and lea
6、rning factors of PSO algorithm was adjustedMeanwhile,a new kind of simulated annealing(SA)algorithm,whose temperature coefficient decreases with the increase of the number of iterations,is put for-ward to combine with PSO,making a favorable improvement in terms of the convergence speed and accuracy
7、com-pared with the conventional PSO(CPSO)algorithmFinally,the viability and performance of the proposed strategyare shown through simulation and experimental results in a laboratory prototype. Keywords:selective harmonic elimination;optimization algorithm;simulated annealing(SA);hybrid particle swar
8、m optimization(HPSO) 在机车牵引、风力发电等大功率系统中,受到开关损耗和散热的限制,功率器件的开关频率较低但是,传统的调制策略在开关频率与输出电压频率之比较小的情况下会产生大量的低次谐波,严重影响系统的运行性能1 特定谐波消除脉宽调制策略(selective harmonic elimination pulse width modulation,SHEPWM)在功率器件开关频率较低的情况下能够有效消除低次谐波,提高逆变器输出的波形质量和直流电压利用率,适合作为大功率逆变器系统的调制策略1但是,该策略的开关角求解方程是傅里叶分析产生的非线性超越方程组,求解困难,所以开关角的求
9、解成为学者研究 2016年5月 陈 炜等:基于改进混合粒子群优化的特定谐波消除脉宽调制策略 499 SHEPWM的重点和难点 为了求解方程,应用较多的是牛顿迭代法,该方法在初g984合适的情况下能够有效求解开关角2-3g2976g40884g909用g1358g863g4778法g2090迭代法g6408行g2951g6408,g1816g2369了迭代g4778法g2949g2964的能力g2976g40885提出了g1778g773 Walsh 方程的求解方法,g6923低了g4778法g2090初g984的g5941求g700g6423方法求解g3024g6543g6985g5941合适
10、的初g984,g2290g708g6947g4427求解开关角的g1816多,g4778法g1836g3133性g1816g1194,g1194大了求解的难g2318g6447g6398研究发g4119,开关角的求解g6855g7076g1338以g6336g1232成为g3107g853g1232g6855g7076g3150解g1092,g6407有利g773g2891g5233求解初g984的g3147g4999,g2409到g3101g853求解方法6-7g2976g40888和g2976g40889分g1150g6611用了g3720合g6475传g4778法和传统g4833g200
11、4g5061g853g1232(conventional particle swarm optimi-zation,CPSO)算法g2090电压g1194g3134g2483谐波g4249变率和电压g2483谐波g4249变率g3107小g3024的开关角g6408行g853g1232求解,g1106小了输出电压的g2483谐波g4249变率g2976g408810用g5709g5061g4778法g2090开关角方程g6408行求解,有效提高了求解g4852g2318g2976g408811提出了g5763g5061g4778法用g773多电g2288逆变器开关角求解g815g700g642
12、3研究g1338以发g4119,g5061g853g1232g4778法适合g773求解 SHEPWM 开关角方程 在g5061g853g1232g4778法中,g4833g2004g5061g853g1232g4778法g1665g1060g2471g2566直g5945、g2051g4119g4772g1260g2290g708g1061有g2401高的g2671行效率成为研究热点,但g4833g2004g5061g4778法g3035g6941g1049g2124g6537g3107g853解12-13为提高g4778法的性能,g2976g408814g6611用g6947迭代次g297
13、2线性g6443g1106的g2564性g3134重,g909g2409g4778法g1169g3119g1061有较高的g1050g2124g2876g4873能力,g1360g3119g1061有较高的g2124g6537g2876g4873能力,g1194g2443了g2949g2964g6451g2318g7755在g3428g1778g4520g700,g2976g408815g6611用g3380g4857调g2974g3134重法g1198g2454调g5355g1050g2124和g2124g6537g2876g4873能力g2976g408816g2097g3380g2737
14、g6429g3873(simulated an-nealing,SA)g4778法引g1049到了g4833g2004g5061g4778法中,g909g2876g4873g6398程g1061有g3343率g6265变的能力,g1816g2369了g4778法g2092g853的能力 g3124g2976提出g694g4631g2951g6408的g3720合g4833g2004g5061g853g1232(hybrid particle swarm optimization,HPSO)g4778法,g2290g2097g1060应用g773 SHEPWM 开关角的求解该g4778法g209
15、0g4833g2004g5061g4778法的g3134重系g2972和学g759g1665g2004g6408行g2951g6408,g2290g708g2097g3741g2318系g2972g6947迭代次g2972g6443g1106的 SA g4778法与 PSO g4778法g4934合g3150提g1251g4778法g2092g853的能力g3124g2976g2090g2951g6408g4778法的性能和该g4778法求解的g4934g3174g6408行分析,g6447g6398g2051g7181g7181g6012求解g4934g3174的有效性 1 SHEPWM开关
16、角求解方程 g2090g773g719电g2288g699g4400逆变器,g2374g6611用g1316g3164性 PWM 调制方g2351g3024,产生的输出g4400电压有g3427电g2288开始和负电g2288开始g719g4631形g2351,分g1150称为 a 类和 b 类,g1060中 a 类波形在 1/4 周g3119内开关角的个g2972 N 为偶g2972,b 类为奇g2972图 1 为 a g4400g1316g3164性调制 PWM 输出波形,a 类以N2为例,b类以N3为例图1所示1、2、3为开关器件切换g3024刻的g4400位角,g4772称为开关角 (
17、a)a类(N2) (b)b类(N3) 图1 双极性调制PWM输出波形 Fig.1 Output waveforms of bipolar modulation PWM g2090逆变器输出的g4400电压波形g6408行傅里叶级g2972展开,g1060表达g2351为 a1() sin( ) cos( )nnnut A nt B nt=+(1)g2351中:n为谐波次g2972g7755为g1778波角频率 由g773输出电压存在 1/4 周g3119g2090称性和半波g2090称性,所以 Bn0,Ang1338以用 1/4 周g3119中的开关角 1,2,N表示,即 dc121 2 (
18、1) cos( )0NlnllnAU nnB= + =(2)g2351中:l 为开关角编号g7755N 为 1/4 周g3119内开关角的个g2972g7755Udc为逆变器输g1049侧的直流电压g7755“”用g773 a类波形的计g4778g7755“”用g773b类波形的计g4778 定义调制比为 1dc2UmU= (3)g2351中U1为参考电压 在g699g4400逆变器中,由g773波形存在g699g4400g2090称、半波g2090称和1/4周g3119g2090称,在输出的线电压中3及3的倍g2972次谐波和偶g2972次谐波为零令g1778波幅g984等g773参考电压,
19、指定次g2972的谐波幅g984为零,即g1338g2409到SHEPWM的开关角g2318求解方程组为 1141 2 ( 1) cos 12 (1)cos( )0NlllNlllmq=+ =+ =(4)g2351中 q为g5941消除谐波的次g2972,q5,7,3,g1(g为偶g2972)求解N个开关角g6985g5941N个方程,g2351(4)中只g6985取 N1 个 q g984即g1338,即g3428g3024能消除 N1 个不g1358 500 天津大学学报(自然科学与工程技术版) 第49卷 第5期 次g2972的谐波 g2351(4)为多变量的非线性超越方程组,g2290g
20、708存在多组解,g1060求解比较困难为求解g3428方程组,g1338g2097g1060g6336换成为g3107g853g1232g6855g7076,即 1151122 2115412 (1)cos12 (1)cos(5)12 (1)cos( )(, )( )NlllNlllNlqllN qCCCqFCmCC= = + =+ =+ = +vertellipsismidhorizellipsismidhorizellipsis(5)g2351中012N/2 求解 F(1,N)的g3107小g984,该g3107小g984所g2090应的开关角就是g2351(4)所表示的开关角方程组的解
21、g3124g2976g2097 F(1,N)定义为g4778法的适应g2318函g2972,g6611用g2951g6408的g3720合g4833g2004g5061g853g1232g4778法g6408行g3107g853g1232求解 2 基于改进混合粒子群算法的开关角求解 2.1 自适应调节的权重系数和学习因子 在 CPSO 中,每个g4833g2004g6543有位置、g6451g2318和由目标函g2972g1092定的适应g2318g984,g2290根据“自身经g7181”和“g4631g5061经g7181”在g2876g4873空间中向g3101好的位置移g1198,g2
22、876g4873g1050g2124g3107g853解CPSO中的各系g2972均为常g2972,g1060g4778法g3101新方程为 -1 111 B122 B()()ikk kii ikiwcrcr=+ +vv PXGX(6)1kkkiii=+XX v (7)g2351中:k 为g2374g1169迭代次g2972g7755i 为g4833g2004编号(i1,2,s,s 为g5061体规g3380)g7755kiX 为第 i 个g4833g2004的位置,T12, , kkk kiii iNxx x=XT12, , kk kii iN ,即第 i 组开关角的g984g7755kiv
23、 为第 i 个g4833g2004的g6451g2318,即第 i 组开关角的g6451g2318,T12, , kkk kiii iNvv v=v g7755BiP 为第 i 个g4833g2004的g3107g853点,即第 i 组开关角自身迭代的g3107g853g984,1Bb,iip=P 2Tbb, iiNpp g7755BG 即 s 组开关角中的g3107g853g984,为g1050g2124g3107g853点,12TBbb b, , Ngg g=G g7755w为g2564性g3134重g7755c1和c2为学g759g1665g2004g7755r1和r2为(0,1)之间的
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