本文是一篇电气自动化论文，本课题利用智能算法随机产生的初始变量作为扰动量构建出求解开关角度的状态方程，搭建一种基于状态方程实现SHEPWM策略的数学模型，解决了寻优结果的无序型。依据调制度和开关角度间的联系引入三角函数和圆方程进一步改进了数学模型，提升智能算法的求解速度和计算精度。
1绪论
1.1课题研究背景
随着化石能源的使用量不断上升，世界各国早已开始关注环境污染问题，也愈发意识到能源结构改革的必要性与紧迫性。大力开发新能源代替传统化石能源，既满足经济发展对能源的需求[1]，又解决了环境污染问题。在“30 60”大背景下，清洁能源被大力应用在交通运输业，建筑制造业等多领域[2]。同时，大量新能源发电设施并入电网减小电网的阻抗，在负载功率变化时会导致电网电压和频率随之波动[3]，这会严重威胁到电网的安全稳定运行。在电力系统输配电的过程中，非线性负载的投入、功率器件的通断以及基波电流受磁场干扰而畸变，都会产生谐波。谐波直接影响电能质量，尤其弱电网背景下更会对系统传输效率和稳定性造成严重影响。因此，如何实现弱电网的稳定运行已经成为时下热点问题[4]。
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弱电网系统不稳定会造成输出电压波形畸变严重，系统输出效率低下的状况。应用特定谐波消去策略和提升输出波形电平数能够有效解决输出电压畸变严重的问题。在开关频率较低的情况下，受限于电平数目，两电平变换器系统输出信号中谐波占比较高，影响输出波形的正弦度，致使输出电压发生畸变增加了滤波器的体积和系统成本，也导致系统转换效率比较低下。反观多电平变换器，增加了输出的电平数目，在同样滤波参数下能够输出正弦度更高的波形，提高了波形质量和系统转换效率[5]。特定谐波消去策略是一种以谐波优化为目的的调制方法，它通过准确计算出各开关的通断时刻来生成输出相电压波形，是一种有效解决低次谐波的调制策略[6]。
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1.2国内外研究现状
1.2.1三电平变换器的研究现状
三电平变换器按照结构可包括：二极管箝位（Netural Point Clamped，NPC）型拓扑及其改进的T型NPC拓扑，飞跨电容（Flying Capacitor，FC）型拓扑和H桥级联（CascadedH-bridge，CHB）型拓扑三类。
(1)三电平NPC型变换器：二极管箝位型NPC[9]变换器的拓扑结构如图1-2所示，T型三电平NPC是对前者进行改进，其拓扑结构如图1-3所示。二者相比之下，在中低压领域T型NPC拓扑能够提高逆变效率并减少损耗，是一种高效率、高经济性、高发展潜力的拓扑结构。由图1-2和图1-3可以看出，根据开关器件的导通情况，利用P、O、N三种工作状态对应Udc、0和-Udc三种电平如表1-1和表1-2所示。
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2基于状态方程的SHEPWM调制策略
2.1 SHEPWM调制策略的数学模型
分析SHEPWM调制策略的实现过程，该策略实际是对含有开关角度的非线性超越方程组进行求解。利用计算出的开关角度作为功率开关器件的通断时刻，以此来消除对应的低频次谐波。目前智能算法在求解SHEPWM方程组中具有一定优势，但是直接嵌入遗传、模拟退火等智能算法进行求解会陷入“精度死区”，并导致过程计算量大。本章以待求解开关角度之间的递增关系为基础结合状态方程矩阵，将智能算法随机产生的初始变量嵌入至开关角度的求解方程组，建立一种基于状态方程矩阵的SHEPWM调制策略，提升了调制策略本身的准确性与快速性。
T型三电平NPC变换器输出端交流相电压如图2-1所示，可采用1/4周期对称的傅里叶分析方法实现SHEPWM调制策略。
为了简化传统数学方法在求解初值过程中的复杂计算，可将智能算法引入SHEPWM方程组的求解过程。目前，模拟退火算法(Simulate Anneal，SA)和传统遗传算法(GeneticAlgorithm,，GA)在求解SHEPWM方程组中使用较为广泛[59-60]，但这两种智能算法都存在容易受到参数影响，收敛时间和搜索能力较弱的问题[61]。
以传统GA为例，虽然其算法搜索覆盖面大，利于全局择优。但传统GA交叉、变异概率是不变的，导致在某一代种群个体适应度相接近时会出现局部最优的情况，这使得传统GA在求解SHEPWM方程组时计算准确率低下，收敛结果不够精确。针对传统GA的弊端，本文根据每代种群适应度的集中程度改变交叉和变异概率，使用自适应遗传算法(AdaptiveGenetic Algorithm,AGA)来避免算法收敛速度过慢，陷入局部最优的问题。
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2.2基于状态方程的快速SHEPWM策略
2.2.1基于状态方程的快速SHEPWM策略数学模型
利用SHEPWM策略的过程中，非线性超越方程组的求解过程十分复杂。将其应用于全调制度下的三电平拓扑变换器中，求解过程会更加复杂。三电平输出相电压的矩形波中上升、下降沿交替出现，可由式(2-2)中余弦函数的系数正负交错体现。在式(2-2)中，bn是开关角度α的余弦函数且α1至αN呈递增的趋势（多角度约束关系），应用智能算法对开关角度进行求解很难满足多角度约束关系。因此，本文基于三电平变换器提出了一种基于状态方程的快速SHEPWM策略。同时，对所提出的求解策略进行赋值方式的改进，提升了算法求解的精确度和速度。
本文利用开关角度间的递增关系并结合状态方程，将智能算法随机生成的初始变量βi作为每时刻加入的扰动量，所求开关角度αi作为每时刻下的状态变量，建立如式(2-12)的状态方程组。这组呈递增趋势的状态方程组符合角度间约束条件，能够解决寻优结果无序性的问题。将式(2-2)中多判断条件简化为单一约束条件，提高了算法的准确度。
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3基于中点电位平衡策略的SHEPWM三电平NPC变换器............................23
3.1 T型三电平NPC变换器的中点电位平衡策略.........................23
3.1.1 T型三电平NPC变换器的开关函数模型.............................23
3.1.2开关函数模型.................24
4弱电网背景下基于SHEPWM的三电平NPC控制策略............................42
4.1基于虚拟同步发电机的NPC变换器控制策略......................42
4.2基于SHEPWM的VSG控制策略......................................45
5结论与展望............................52
5.1结论............................52
5.2展望...................................52
4弱电网背景下基于SHEPWM的三电平NPC控制策略
4.1基于虚拟同步发电机的NPC变换器控制策略
在“30 60”的大背景下，新能源发电系统的大幅接入，会使得大电网呈现出无阻尼惯性的特性(弱电网特性)。在这种工况下，当负载功率剧烈变化时，弱电网系统的电压幅值或频率大小也会随之产生波动和影响，严重时会造成系统失稳。这就要求并网变换器系统在面对电网电压和频率不断变化的情况下，能够快速参与到压频调节中，为电网提供支持。另一方面考虑到弱电网环境的特殊性，不能把电网考虑成为单一的纯感性模型，弱电网中的电阻部分会改变并网电流环环路增益，影响其稳定裕度，这对并网变换器的稳定性有着显著的影响。基于此种情况，本章采用了一种基于SHEPWM策略的VSG控制策略，用来为弱电网提供有功和无功的支撑。
图4-1是传统同步发电机组结构图，包括励磁部分、自动调压控制系统部分及原动机部分。同步发电机组中存在储能飞轮结构，转动时能提供很大的转动惯量，也具备高输出阻抗的特性。在并网过程中，可以通过自行调节旋转速度来维持功率的平衡，实现稳定运行。因此，传统同步发电机的外特性是支撑电网平稳工作的重要保障。
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5结论与展望
5.1结论
随着新能源政策的大力推广，电网呈现出阻抗减弱的特性。针对弱电网系统容易受负载变化而波动的问题，如何实现弱电网的稳定运行已经成为时下热点问题。本课题选择TNPC变换器为应用拓扑，研究了一种快速SHEPWM策略并注入三次谐波解决中性点电压波动，最后选择虚拟同步发电机控制提高电网的稳定性。主要得出以下结论：
(1)利用智能算法随机产生的初始变量作为扰动量构建出求解开关角度的状态方程，搭建一种基于状态方程实现SHEPWM策略的数学模型，解决了寻优结果的无序型。依据调制度和开关角度间的联系引入三角函数和圆方程进一步改进了数学模型，提升智能算法的求解速度和计算精度。
(2)针对NPC变换器控制系统中点电位波动，利用谐波注入的方式来解决中点电位波动造成的开关器件电压应力不平衡，提高了直流侧电容的使用寿命和变换器输出效率。已有的方式是通过在1/4周期对称SHEPWM策略的非线性超越方程组加入最优3次谐波幅值方程，来抑制中点电位波动；而在非单位功率因数下，本文提出的利用1/2周期对称SHEPWM策略将3次谐波的相位角作为新的自由度，能达到更好的抑制中点电位波动的作用。
(3)针对弱电网背景下的稳定性差的问题，应用虚拟同步发电机控制策略对电网进行支撑。对比下垂控制策略，VSG控制策略为系统提供惯性，有效避免负载突变时电压的下降。在离网和并网的不同工况下，通过对系统进行突加减载测试其控制系统的可靠性。
参考文献（略）