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、儲能發出的直流電轉換成與電網同頻率的交流電回饋到電網，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。逆變器產生的諧波會影響到動力系統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，降低電網中的諧波含量已經成為構建綠色新型電網亟待解決的問題。[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，實現低失真正弦輸出，提高電網質量。另一方面，測量諧波對于整個系統來說是非常重要的。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]給出了諧波次數達到49，63和99次時的結果。由于沒有考慮到所有次數的諧波，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。

本文首先從傳統表達式出發，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。

當N=2時，即存在兩個開關角度θ1和θ2，θ1和θ2在[0，/2]區間變化時，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），傳統的49次諧波計算值，傳統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。

參考文獻：

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