一種基于SHE-PWM控制法的單相光伏逆變器設(shè)計與研究

摘 要：設(shè)計了單相光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)，并采用基于SHE-PWM控制法控制的單相全橋逆變方案，分析計算了SHE-PWM控制法的開關(guān)控制角度。通過在MATLAB/Simulink中的仿真可以看出，該逆變器和SHE-PWM控制法能夠滿足光伏發(fā)電單相并網(wǎng)的要求，可以在工程中應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;單相并網(wǎng);全橋逆變;SHE-PWM

0? ? 引言

常見的光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池、逆變器、控制器、蓄電池、變壓器等組成，是一個復(fù)雜系統(tǒng)。由于光伏電池輸出的是直流電，要實現(xiàn)光伏發(fā)電并網(wǎng)，就需要使用逆變器輸出交流電流以達到并網(wǎng)條件，即與外電網(wǎng)同頻、同相、同電壓幅值，并對逆變器進行一系列控制，使光伏發(fā)電能夠向外電網(wǎng)輸送電能。

本文設(shè)計了一種基于SHE-PWM（Selected Harmonic Elimination PWM）控制法控制的逆變方案，對光伏逆變器的并網(wǎng)輸出有一定的優(yōu)化作用。

1? ? 光伏逆變器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置的逆變器按并網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式可分為電流源電壓控制型、電流源電流控制型、電壓源電流控制型和電壓源電壓控制型4種。

本文選用電壓源輸入、電流源輸出方式控制的全橋逆變電路，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

以電壓源為輸入的逆變器，其輸入側(cè)為直流電壓源，并聯(lián)有大容量電容，相當于直流電壓源。輸入側(cè)電源電壓恒定不變，基本不會產(chǎn)生波動情況，直流回路阻抗較低。其輸出電流波形和相位角則隨所帶負載阻抗變化而變化。當交流輸出側(cè)所帶負載呈感性時，需向其提供無功功率，直流側(cè)所并聯(lián)大容量電容可起到緩沖無功的作用。

單相全橋逆變電路，共由4個可控器件和4個二極管組成4個橋臂，其也相當于由2個半橋電路組合而成。橋臂Ⅰ、Ⅳ與Ⅱ、Ⅲ各組成一對，根據(jù)控制信號的控制，成對的兩組橋臂同時導(dǎo)通或斷開。兩組橋臂交替各導(dǎo)通180°，輸出電壓幅值與輸入電壓幅值相同。

2? ? 逆變電路的SHE-PWM控制算法分析

SHE-PWM即消除特定次諧波脈寬調(diào)制技術(shù)，其屬于計算法產(chǎn)生的PWM波形。SHE-PWM控制算法通過對各脈沖起始和結(jié)束相位直接計算，以消除所指定次數(shù)的諧波分量，從而產(chǎn)生所需的PWM波形，如圖2所示。

其輸出電壓波形為正負相間的PWM矩形波，波形正負兩半周期鏡像對稱，在正半周期或負半周期內(nèi)，前后1/4周期以π/2為軸線對稱。在輸出PWM波形的1/4周期內(nèi)，共有n個時刻可控制開關(guān)器件的通斷，有n個α（開關(guān)時刻相位角度），它們分別代表了可以消除諧波的頻率。除去需用一個α值來控制基波頻率外，還可以消去n-1個特定頻率的諧波。當n越大時，消除的諧波頻率種類越多，開關(guān)時刻也越復(fù)雜。

在輸出PWM波形中的半個周期內(nèi)，器件開通和關(guān)斷共6次，不包含0和π時刻，開關(guān)開通和關(guān)斷各3次。為了消除偶數(shù)次諧波分量，應(yīng)使PWM波形正半周期與負半周期鏡像對稱;為了消除諧波中所含的余弦分量，應(yīng)使PWM波形在正半周期的前后1/4周期內(nèi)以π/2為軸線對稱，那么，能夠同時滿足的PWM波形的1/4周期對稱波形，其傅里葉變換表達式為：

如圖2所示，由于波形的對稱性，在一個波形周期中，共有12個時刻可以進行開關(guān)的開通和關(guān)斷，其中能夠獨立操作的只有3個時刻：α1、α2和α3。其波形的bn為：

α1、α2、α3為可控變量，一般可根據(jù)需要輸出波形確定基波分量b1的值，再令另外兩個bn的值為零，就可以建立方程組，聯(lián)立求得α1、α2和α3，由此可以消除兩種頻率特定的諧波，通常消去5次和7次諧波。方程組為：

（3）

一般來說，基波幅值b1給定，解方程組就可得到α1、α2、α3的值。若基波幅值b1發(fā)生改變，則α1、α2、α3也隨之改變。

3? ? SHE-PWM方程組求解

由式（3）可知，SHE-PWM方程組是由余弦函數(shù)組成的非線性超越方程組，很難直接對其求解，但是對其求導(dǎo)比較容易，因此，可以采用迭代法進行求解。由于對非線性方程組求解都需要一組初始值，初始值的選取直接影響著迭代算法的收斂性，故對初始值選取時要盡量與方程組的解相近。本文采用由正弦波調(diào)制的SPWM法來產(chǎn)生方程組的初始值。當1/4周期內(nèi)的開關(guān)角個數(shù)較少時，可以直接用牛頓迭代法對方程組進行求解。

本文中所采用的SHE-PWM為三電平，預(yù)設(shè)1/4周期內(nèi)開關(guān)角個數(shù)N=7，調(diào)制比m=0.9，通過MATLAB進行計算，可求出基波頻率為50 Hz時的兩組解，如表1所示。圖3為兩組解分別對應(yīng)到開關(guān)器件上的脈沖波形。

由圖3可知，第二組解的脈沖寬度不夠均勻，存在突變，不如第一組解均勻。因此，在實際應(yīng)用中，要根據(jù)設(shè)備的要求合理選擇方程組的解，使脈寬能夠均勻平滑，實現(xiàn)穩(wěn)定輸出。圖4為兩組解分別對應(yīng)的逆變器輸出電壓波形和頻譜分析。

由圖4可以看出，兩組解輸出的電壓波形均能滿足要求，由頻譜圖可以看出，兩組解在低次諧波都能達到消諧的目的，當高于20次諧波時，就不夠理想。

SHE-PWM控制技術(shù)可以在特定時刻發(fā)出信號來控制開關(guān)的通斷，使電壓輸出波形或電流輸出波形上產(chǎn)生斷口，進而消除指定次數(shù)諧波。SHE-PWM技術(shù)輸出波形對稱性好，可以很容易控制諧波的分布。與其他PWM技術(shù)相比，在開關(guān)頻率相同的條件下，SHE-PWM技術(shù)可以輸出最優(yōu)的電壓或電流波形，從而提高控制系統(tǒng)的整體性能。在輸出波形相同的情況下，SHE-PWM技術(shù)所控制的開關(guān)頻率最低，逆變電路開關(guān)損耗小，從而使逆變電路轉(zhuǎn)換效率得到提高。

4? ? 仿真實驗與分析

為了驗證SHE-PWM控制法的有效性，利用MATLAB/

Simulink軟件建立了全橋逆變電路的仿真模型，如圖5所示，仿真模型主要由直流電源、整流橋、RLC負載等構(gòu)成。

仿真參數(shù)設(shè)置：DC電壓為250 V，R=50 Ω，L=10 mH，C=0.5 μF。全橋驅(qū)動電路開關(guān)角度采用表1中第一組數(shù)據(jù)，直接由軟件生成后導(dǎo)入。

仿真結(jié)果如圖6所示，由圖可看出，逆變電路輸出為正弦交流電，基本滿足并網(wǎng)要求。

5? ? 結(jié)語

本文對光伏逆變器的設(shè)計選用全橋逆變結(jié)構(gòu)，又采用SHE-PWM控制法來控制全橋逆變中的開關(guān)角度，經(jīng)過仿真可以看出，所設(shè)計的逆變器能滿足光伏發(fā)電單相并網(wǎng)的要求，可以在工程中應(yīng)用。

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收稿日期：2021-02-22

作者簡介：邵紅碩（1988—），男，江蘇蘇州人，碩士，講師，研究方向：光伏發(fā)電、電氣自動化。