单相MPUC多电平逆变器载波层叠随机PWM方法

第54卷第5期2021年5月
Vol.54.No.5
May.2021微电机
M(CROMOTORS
单相MPUC多电平逆变器载波层叠随机PWM方法
施文新S刘明2,张国华1
(1.开滦集团钱家营矿业分公司，河北唐山063000； 2.朝阳等专科学校数学计算机系，辽宁朝阳122000)
摘要：MPUC(Modified Packed，-^!-,MPUC)多电平逆变器具有结构简单和成本低廉等优点。

提出一种单相五电平MPUC逆变器载波层叠随机PWM方法。

该方法首法三角载波频率随机化，并通过载波层叠方式产生逆变器的随机化驱动信号，从单相MPUC逆变器的随机PWM控制，降低率谱密度图中的尖峰值%方法同样其它电平数的MPUC多电平逆变器，仿真果证明了该方法的有效性％
关键词：MPUC逆变器；多电平；随机PWM；载波层叠；遗传算法
中图分类号：TM464文献标志码：A文章编号：1001-6848(2021)055095-04
A Random Carrier Level-shifted PWM Method for Single-phase
MPUC Multileve-Inverter
SHI Wenxin1，LID Ming"，ZHANG Guohua1
(1.KaOuan Group Qianjiaying Mining Branch，Tangs+an Hebei063000,China；
2.Collegb if Mathematics and Chaoyang Teacheb Collegb，Chaoyang Biaoning122000，China)
Abstraci:Modified packed U-cells(MPUC)multilevel invenef has the adventages of simple st/cturo and low cost.This paper presenWd a random PWM method of single-phase five--evel MPUC inverter.In this method，firstly，used the genetic algorithm to realized tUe randomization of taangular cvvier frequence，and genvate the randomization driing signal of the inverter through the way of cvrrier cvscvde,so as to realize the random PWM control of single-phase MPUC inverter and reduced tUe peak velue in tUe power spectral density diagram.The metUod is also suitable for other level MPUC multilevel inverters.Simulation and ex­peamental results show that the method is effective.
Key words：MPUC0—0x0multilevel；random PWM；cvirier Lvd・shifWd；genetic algoritUm
o引言
PUC(Packed U-CeXs,PUC)逆变器是由K.Al-Haddad等人于2011年提出的新型多电平逆变拓扑结构［1］%逆变器了电容飞跨型和级联H桥型多电平逆变器的，出同样电平数情况下，需的功率开关器件和电容器少⑵％随着太阳能电池技术的发展和成本降低，多流电源的PUC逆变器显％例，可以形成无隔离变压器结构；K.Al-Haddad等人于2018年提出一种七电平双电源MPUC(Modified Packed U Cells，MPUC)逆变器拓扑结构⑶％
PUC逆变器的控制方法主要有以下几种％①传统PWM方法。

文献［4］提出一种单电源七电平PUC 逆变器载波层叠调制方法，控制直流侧电容电本恒定不变％②法％［5］提出「五电平双电源MPUC逆变器选择性谐波消除方法%③滞环法％文献］6］提出一种七电平PUC逆变器六阶滞环比较电流跟踪控制方法％④流侧电容电压控制％［7］提出五电平PUC逆变器的有源电波器直流侧电压平衡控制方法％
述方法中逆变器的开关频率一般固定不变，会产生与开关频率相关的谐波成分［8］%这谐波会引起电磁，以及电机等电磁振动和人
听见的电磁噪声［9］%滞环法虽然开关频谱不固定，但是达不到开关频率随机分布的效果；，然述问题％随机PWM可以分布原本集中在关频率的谐波率，低电磁
收稿日期：2020—06—09
基金项目：国家自然科学基金项目(51307076)
作者简介：新(1969),科，学士，高级工程师，研究方向为煤矿机电技术.
・9$・徽电机54卷
噪声的 比较有效的方法(10)。

，尚未关PUC多电平逆变器随机PWM控制策略的%
法提供了单的方法和一
于生化理论的优化算法，广泛电力电子与电气传动领域。

，提出单相MPUC逆变器载波层叠随机PWM方法。

该方法首先法三角载波频率随机化，并通过载波层叠方式产生逆变器的随机化驱动，从单相MPUC逆变器的随机PWM控制，降低率谱密度图中的尖％
1单相五电平MPUC逆变器
图1是由2个独立的直流电源和6组功率开关器件组成的五电平MPUC逆变器；逆变器开关状态表1所示。

可见，逆变器共有8关态和电空间矢量；有2E、E、0、-E、-2E5种电平。

例如，当关器件1、35通时，逆变器输出正向电压2E%当电流为顺时针时，T1、T3 T5导通；当负载电流为逆时针时，VD］、VD3和VD5导通。

同理可得其它工态的通断情况。

图1MPUC逆变器主电路拓扑图
表1MPUC逆变器开关状态
T T2T3T4T5T6u A B
1010102E
100011E
001110E
0001110
1110000
110001-E
011100-E
010101-2E 2随机开关频率脉宽调制
在常规的PWM策略中，逆变器调制波信号与固频率的三角载波比较％其出电率谱密度(Power Spectral Density，PSD#会有集中于逆变器开关频率及其倍频的宽谐波簇，如图2所示。

图2(o)为波，图2(b)为逆变器输出电压的PSD图，其中1为波谐波，f hmc为开关谐波的最低频率，/hmax为开关谐波的最咼频率，fc为载波频率。

此类谐波的频率较为集中，会流电机等中产生振动噪声等问题。

A A A A A r
K V V V V\
(a)固定频率三角载波信号
a PSD
八I
—丨寸佈卅仝▲命▲丨y
Jiaoin f c2fc3fc fitnax j"
(b)功率谱密度分布图
图2固定开关频率PWM载波及其PSD图在随机开关频率脉宽调制(Random Frequency PWM，RFPWM)中三角载波频率会随着随机数变化而变化。

因此，逆变器输出电压PSD以呈分布，如图3所示。

(a)随机频率三角载波信号
图3随机PWM的载波及其PSD图
图3中的三角载波频率为
八PSD
1 1.
fl finii
(b)功率谱密度分布图
yimax f
fsH土"c(1)式中，£为开关频率的瞬时值；C为随机开关频率的平；"为开关频率的变化％通过RFP­WM策得逆变器输出电率谱密度均匀分布，降低PSD尖％
3基于遗传算法的载波频率随机化提出单相五电平MPUC逆变器载波层叠随机PWM方法。

其中，层叠载波法随机确定载波频率。

其本流程如图4所示。

5期施文新等：单相MPUC多电平逆变器载波层叠随机PWM方法・97・
PW3198；实验样机如图6所示。

表2遗传算法与RFPWM的参数关系
法RFPWM
基因波
染随机载波序列
种群随机载波序列适应度函数最大谐波的
物种果
生殖度的染
交叉交换代码产生载波
突变改变代码产生载波示波器、「电能质量分析仪
阻感负载匡电懸
IGBT
驱动板
遽亜算机
基于上述分析和遗传算法，本节介绍了基于遗传算法的RFPWM。

法与RFPWM的参数对应
图6实验样机图4.1层叠载波与调制波
关系如表2所示，具体流程图如图5所示。

「初始值
|尤％±4/；|■■彳通过数量为m的随机严色体生成初始种群卜
丨种群数=事群数+i
色体与随机閔波序列对应丨
I―最大值早皿^取倒数|
I基于适应度李择染色—
I~染色体百息改变
I~突变『生
「将新的染色体融入并和持种群大小M不变I
H也〜R新*群
I输出厶--------------------
I是
(运算结束并输出随机町
否
图5基于约束的法优化RFPWM
如图5所示，随机载波被编码成法里的,随机载波序列与法里的染相对应,度函谐波频谱最大H mg的，它也被评估输出谐波频谱的％"f作为束条件，制随机载波频率的％在式(1)中，"-约束随机载波频率的为了确
随机载波频率f-不过高或过低。

4仿真与分析
图7所示，波频率随机化的，将3
相同随机载波叠，同一调制波信号；分对应MPUC逆变器中的T1T4$T2T5和T3T63率开关器件单元％以T1T4单为例，当u y j u c时，控制T1导通，T4关；当u f<u c时，控制T4导通，T1关断％同理可得T2T5和T3T6单的调制方法。

图7随机载波层叠控制算法
通过制波u y的周期值以及调制度，即可调节MPUC逆变器输出电压u AB的周期和有效值％4.2随机化效果分析
图8为单相MPUC逆变器输出电压和电流仿真波形图；图9为电压PSD仿真波形图。

由图8中的电压脉冲宽度可见，本文方法随机改变开关周期；电流波形正弦度。

在图9中，频PWM策略的PSD图中明显尖峰，位关频率3kHz及其倍频率处。

相比，本方法都能够比的分布谐波功率，PSD图中无明显尖峰，随机度％
为提方法的，对提出方法真
分析，:逆变器直流侧2个电源电压均为24V；输出端电抗器为5mH，电阻为5Q。

调制波频率为50Hz；载波频率平频率变化范围均为3kHz；调制度为0.5$0.7和0.9%逆变器功率开关器件为；驱动电路采用集成IGBT驱动DA962D6；系统主控芯片采用32位DSP TMS320F2812；实验中示波器型号为DS1052E；电能质量分析仪为
HIOKI
0.020.040.060.08
t/s
图8逆变器输岀电压和电流仿真波形图0
Conventional PWM3kHz
Carrier level-shifted method
o-
图9功率谱密度仿真波形图
图10为调制度为0.5、0.7和0.9情况下的实波形图。

由图见，该方法比的分布谐波功率，随机度；在不同调制度情况下,该方法的电压PSD图中均无明显的尖峰出现；证明了该方法的正确性。

2.557.51012.515
y/kHz
(a)调制度为0.5时电压PSD波形图
2.557.51012.515
77kHz
(b)调制度为0.7时电压PSD波形图5结论
以单相五电平MPUC多电平逆变器为例，提出一种单相MPUC逆变器载波层叠随机PWM方法。

通过法波频率随机化，能够明显降低逆变器输出电压PSD中的谐波功率,分谐 波功率，随机度。

该方法同样其它电平的单相MPUC多电平逆变器，具有算法简单，易的特点。

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(下转第114页
)
图5幅值60Nm阶跃响应图
实验结果表明，GF-PID控制器进入稳定状态比T-PID控制器更快；T-PID控制曲线出现了超调现象，而GF-PID控制器并未出；对 2.5s 时增加了的外部干扰,GF-PID控制器抑制干扰力矩的明显T-PID控制器，了GF-PID控制器具有更强的部,%
(2)弦
为了进一步比较GF-PID和T-PID控制器的优越性，设置力矩电机参考信号8m=8sin(2!)。

分别进了T-PID控制和GF-PID控制的仿真,g
果如图6所示。

图6正弦跟踪误差曲线
果表明，GF-PID控制器输出力矩的平均幅度为0.0653Nm，T-PID控制器输出力矩的平。

控制器输出力矩的大，其[接近0.8。

，而GF-PID控制具有相对精确的跟，其跟0.1。

以下，控制指标要求。

5结语
针对矩加载时，随动器将会受到齿轮空回、间隙、局部摩擦、弹塑性变形矩动的影响，加出的力矩跟踪精度不能满足武器装备的高精度要求。

本首先对负器的数学模型分析，再将出力矩传递函推导，并将灰预测控制器中。

这样挥了PID控制单方便的，又能将PID的问题解决。

此控制方法可以随动控制的力矩跟踪，静态误差小、度、高精度动态跟踪的，对:控制器存在的不有效改善，，
强，可以满各项指标。

仿真的结果了PDD控制有比的越，的。

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