一种基于SHE-PWM控制法的单相光伏逆变器设计与研究

摘 要：设计了单相光伏发电并网逆变器的结构，并采用基于SHE-PWM控制法控制的单相全桥逆变方案，分析计算了SHE-PWM控制法的开关控制角度。通过在MATLAB/Simulink中的仿真可以看出，该逆变器和SHE-PWM控制法能够满足光伏发电单相并网的要求，可以在工程中应用。

关键词：光伏发电;单相并网;全桥逆变;SHE-PWM

0    引言

常见的光伏发电系统由光伏电池、逆变器、控制器、蓄电池、变压器等组成，是一个复杂系统。由于光伏电池输出的是直流电，要实现光伏发电并网，就需要使用逆变器输出交流电流以达到并网条件，即与外电网同频、同相、同电压幅值，并对逆变器进行一系列控制，使光伏发电能够向外电网输送电能。

本文设计了一种基于SHE-PWM（Selected Harmonic Elimination PWM）控制法控制的逆变方案，对光伏逆变器的并网输出有一定的优化作用。

1    光伏逆变器的结构设计

光伏发电并网装置的逆变器按并网结构形式可分为电流源电压控制型、电流源电流控制型、电压源电流控制型和电压源电压控制型4种。

本文选用电压源输入、电流源输出方式控制的全桥逆变电路，总体结构如图1所示。

以电压源为输入的逆变器，其输入侧为直流电压源，并联有大容量电容，相当于直流电压源。输入侧电源电压恒定不变，基本不会产生波动情况，直流回路阻抗较低。其输出电流波形和相位角则随所带负载阻抗变化而变化。当交流输出侧所带负载呈感性时，需向其提供无功功率，直流侧所并联大容量电容可起到缓冲无功的作用。

单相全桥逆变电路，共由4个可控器件和4个二极管组成4个桥臂，其也相当于由2个半桥电路组合而成。桥臂Ⅰ、Ⅳ与Ⅱ、Ⅲ各组成一对，根据控制信号的控制，成对的两组桥臂同时导通或断开。两组桥臂交替各导通180°，输出电压幅值与输入电压幅值相同。

2    逆变电路的SHE-PWM控制算法分析

SHE-PWM即消除特定次谐波脉宽调制技术，其属于计算法产生的PWM波形。SHE-PWM控制算法通过对各脉冲起始和结束相位直接计算，以消除所指定次数的谐波分量，从而产生所需的PWM波形，如图2所示。

其输出电压波形为正负相间的PWM矩形波，波形正负两半周期镜像对称，在正半周期或负半周期内，前后1/4周期以π/2为轴线对称。在输出PWM波形的1/4周期内，共有n个时刻可控制开关器件的通断，有n个α（开关时刻相位角度），它们分别代表了可以消除谐波的频率。除去需用一个α值来控制基波频率外，还可以消去n-1个特定频率的谐波。当n越大时，消除的谐波频率种类越多，开关时刻也越复杂。

在输出PWM波形中的半个周期内，器件开通和关断共6次，不包含0和π时刻，开关开通和关断各3次。为了消除偶数次谐波分量，应使PWM波形正半周期与负半周期镜像对称;为了消除谐波中所含的余弦分量，应使PWM波形在正半周期的前后1/4周期内以π/2为轴线对称，那么，能够同时满足的PWM波形的1/4周期对称波形，其傅里叶变换表达式为：

如图2所示，由于波形的对称性，在一个波形周期中，共有12个时刻可以进行开关的开通和关断，其中能够独立操作的只有3个时刻：α1、α2和α3。其波形的bn为：

α1、α2、α3为可控变量，一般可根据需要输出波形确定基波分量b1的值，再令另外两个bn的值为零，就可以建立方程组，联立求得α1、α2和α3，由此可以消除两种频率特定的谐波，通常消去5次和7次谐波。方程组为：

（3）

一般来说，基波幅值b1给定，解方程组就可得到α1、α2、α3的值。若基波幅值b1发生改变，则α1、α2、α3也随之改变。

3    SHE-PWM方程组求解

由式（3）可知，SHE-PWM方程组是由余弦函数组成的非线性超越方程组，很难直接对其求解，但是对其求导比较容易，因此，可以采用迭代法进行求解。由于对非线性方程组求解都需要一组初始值，初始值的选取直接影响着迭代算法的收敛性，故对初始值选取时要尽量与方程组的解相近。本文采用由正弦波调制的SPWM法来产生方程组的初始值。当1/4周期内的开关角个数较少时，可以直接用牛顿迭代法对方程组进行求解。

本文中所采用的SHE-PWM为三电平，预设1/4周期内开关角个数N=7，调制比m=0.9，通過MATLAB进行计算，可求出基波频率为50 Hz时的两组解，如表1所示。图3为两组解分别对应到开关器件上的脉冲波形。

由图3可知，第二组解的脉冲宽度不够均匀，存在突变，不如第一组解均匀。因此，在实际应用中，要根据设备的要求合理选择方程组的解，使脉宽能够均匀平滑，实现稳定输出。图4为两组解分别对应的逆变器输出电压波形和频谱分析。

由图4可以看出，两组解输出的电压波形均能满足要求，由频谱图可以看出，两组解在低次谐波都能达到消谐的目的，当高于20次谐波时，就不够理想。

SHE-PWM控制技术可以在特定时刻发出信号来控制开关的通断，使电压输出波形或电流输出波形上产生断口，进而消除指定次数谐波。SHE-PWM技术输出波形对称性好，可以很容易控制谐波的分布。与其他PWM技术相比，在开关频率相同的条件下，SHE-PWM技术可以输出最优的电压或电流波形，从而提高控制系统的整体性能。在输出波形相同的情况下，SHE-PWM技术所控制的开关频率最低，逆变电路开关损耗小，从而使逆变电路转换效率得到提高。

4    仿真实验与分析

为了验证SHE-PWM控制法的有效性，利用MATLAB/

Simulink软件建立了全桥逆变电路的仿真模型，如图5所示，仿真模型主要由直流电源、整流桥、RLC负载等构成。

仿真参数设置：DC电压为250 V，R=50 Ω，L=10 mH，C=0.5 μF。全桥驱动电路开关角度采用表1中第一组数据，直接由软件生成后导入。

仿真结果如图6所示，由图可看出，逆变电路输出为正弦交流电，基本满足并网要求。

5    结语

本文对光伏逆变器的设计选用全桥逆变结构，又采用SHE-PWM控制法来控制全桥逆变中的开关角度，经过仿真可以看出，所设计的逆变器能满足光伏发电单相并网的要求，可以在工程中应用。

[参考文献]

[1] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].4版.北京：机械工业出版社，2001.

[2] 林忠岳.现代电力电子应用技术[M].北京：科学出版社，2007.

[3] 李乐.基于SHE-PWM逆变器在变电站自动化中的研究[J].电气开关，2009，47（6）：47-49.

[4] 刘文华，吕建升，宋强，等.五电平电压型逆变器的变频SHE-PWM控制策略[J].清华大学学报（自然科学版），2004，44（4）：450-453.

收稿日期：2021-02-22

作者简介：邵红硕（1988—），男，江苏苏州人，硕士，讲师，研究方向：光伏发电、电气自动化。