SHEPWM算法在三相兩電平逆變器降低電壓THD中的研究

盧瑞+楊爽爽

摘 要：在確定每個波形諧波含量時，總諧波失真（THD）是最常用的一個標準。通常使用的傳統(tǒng)的THD計算方法由于沒有考慮所有次諧波，因此得到的只是近似的結果。本文以三相兩電平逆變器為研究對象，對特定消諧技術（SHEPWM）下的輸出相電壓和線電壓THD進行了分析、計算和驗證。針對傳統(tǒng)的線電壓THD時要分離三次諧波的情況，提出了一種新的通用解析表達式。并在MATLAB中與傳統(tǒng)計算方法做了比較和驗證，同時用MATLAB/Simulink搭建仿真模型，通過仿真結果進一步證明了新的計算方式的準確性和簡便性。

關鍵詞：總諧波失真；特定消諧技術；三相兩電平逆變器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.248

1 引言

逆變器將光伏、儲能發(fā)出的直流電轉換成與電網(wǎng)同頻率的交流電回饋到電網(wǎng)，也可以供給交流負載使用，目前常見的三相逆變器多采用兩電平或三電平。逆變器產(chǎn)生的諧波會影響到動力系統(tǒng)負載和功率傳輸設備，對用電設備而言，諧波會造成嚴重的影響，甚至于變成危害。研究如何提高電能質量，降低電網(wǎng)中的諧波含量已經(jīng)成為構建綠色新型電網(wǎng)亟待解決的問題。[1]因此，許多調制方法，如SPWM，SVPWM和SHEPWM相繼提出，這些方法可以減少輸出電壓的諧波含量，實現(xiàn)低失真正弦輸出，提高電網(wǎng)質量。另一方面，測量諧波對于整個系統(tǒng)來說是非常重要的。許多文章專門針對THD的精確計算方法做出了研究。

文獻[2]表述了減少總諧波失真（THD）對于提高波形品質的重要意義，選擇并比較了兩種不同的減少THD的控制策略。傳統(tǒng)計算線電壓THD的方法局限于有限次諧波，文獻[3-5]給出了諧波次數(shù)達到49，63和99次時的結果。由于沒有考慮到所有次數(shù)的諧波，得到的是近似值，所以會存在較大的計算誤差。也就是說，求解包含諧波分量總和的精確THD通過這種計算方式顯然是不可能的。同時文獻[6]指出，總諧波失真（THD）是評價波形諧波含量的重要指標之一，同時給出了基于線電壓制定的代數(shù)方法，以五電平逆變器為例，對包含所有次諧波的線電壓THD做出了計算和分析。文獻[7]在提出了線電壓THD的解析表達式的基礎上，運用遺傳算法，求解出了在線電壓THD取得最小化時的開關角度。文獻[8，9]介紹了THD最小化的開關策略，目的在于找到THD最小式的開關角度，文獻充分展示了其中解析公式的重要性。

本文首先從傳統(tǒng)表達式出發(fā)，提出了一種精確計算三相兩電平逆變器輸出線電壓THD的方法，這種方法考慮到了產(chǎn)生的所有次諧波。其次，通過Matlab編寫程序計算得出在1/4周期內的結果，并與傳統(tǒng)方法進行比較和驗證。最后，在Matlab/Simulink平臺搭建三相兩電平逆變器仿真模型，用以實驗驗證。通過計算和實驗驗證，可以得出本文提出計算線電壓THD方法計算時間更短，計算結果更準確，計算方法更簡便。

2 三相兩電平逆變器SHEPWM調制原理

5 計算結果和分析

三相兩電平逆變器采用SHEPWM調制過程的影響因子包括：H橋的開關角度個數(shù)N，以及H橋的開關角度（θ1...θN）。

當N=1，即有一個開關角度，在[0，/2]區(qū)間變化時，線電壓THD隨開關角度大小變化的結果如圖2所示。

圖2展示了三相兩電平逆變器在一個開關角度（0，90°）下的輸出線電壓THD的值。如圖所示，逆變器在1/4周期內只含有一個開關角度時，在（0，60°）區(qū)間內，線電壓THD均為較小值。當開關角度達到60°，線電壓THD突然升高，達到一個較高的值，所以，在實際使用SHEPWM控制策略時，應盡可能遠離60°改變開關狀態(tài)。

當N=2時，即存在兩個開關角度θ1和θ2，θ1和θ2在[0，/2]區(qū)間變化時，相電壓THDph如圖3所示。

圖3顯示，在兩個開關角度下，計算得到的相電壓THD的分布情況。當開關角取到60°附近時，相電壓THD會達到較高的值。圖4顯示出在兩個開關角度下，計算得到的線電壓THD的分布情況。也可以看出，相電壓THD和線電壓THD 并非可以同時取得最小值。同時，本文得到的公式，也可以很方便地用于計算使線電壓THD達到最小值時的開關角度。

為了驗證本文提出的THDline表達式的準確性，選取4個不同的運行點（θ1，θ2），傳統(tǒng)的49次諧波計算值，傳統(tǒng)線電壓解析表達式計算值和本文提出來通用解析式的計算值通過MATLAB編程進行計算比較，比較結果如表1所示。是只考慮計算到49次諧波含量的估計值，是文獻[10]中提到的計算方法所得的結果，是運用本文的計算方法所得的計算結果，最后一列誤差即49次諧波估算值與實際值的誤差。第7行顯示的是程序運行一次所需的時間，最后一行顯示的是編程的難易程度。

比較上面的結果，本文提出來的THDline解析式和傳統(tǒng)的解析式相比，計算結果更精確，但不需要分離三次系列諧波，計算時間更少，表達式更加簡潔和易于使用。

6 仿真結果

根據(jù)圖1的結構，在Matlab/simulink仿真軟件中搭建一個三相兩電平逆變器模型，驗證該方法的正確性。根據(jù)本文提出的THD計算方法，給定三相兩電平的直流側電壓和開關角度如表2所示。仿真得到的線電壓如圖5所示。線電壓的諧波分析如圖6所示。運用本文的方法進行計算，得到的線電壓THD為1.71%，同時，上述仿真也證明了線電壓THD通用解析式的正確性。

7 結論

通常用來計算三相兩電平變換器輸出線電壓THD的估算方法，一般只考慮有限次的低次諧波，本文給出了另外一種計算公式，可以得到任何開關角度下的THD的確切計算結果，可以避免估算中產(chǎn)生的誤差，計算時間更短，計算方法更簡便，結果更精確。同時，通過仿真驗證了本文提出的線電壓THD通用解析式的正確性。

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