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基于SHEPWM方法的并网逆变器电流控制

Sarika D Patil^a, Sumant G Kadwane^b, Snehal P Gawande^c

aAsstt. Professor,Rajiv Gandhi College of Engineering amp; Reseach,Nagpur,441110,INDIA

bProfessor, Yeshwantrao Chavan College of Engineering,Nagpur,441110,INDIA

cAsstt. Professor, Yeshwantrao Chavan College of Engineering,Nagpur,441110,INDIA

摘要：

如今，并网发电机和智能电网中越来越多地使用并网逆变器。 但是，并网系统的主要

挑战是它们与电网效用的兼容性以及维持输出电流的谐波含量。 为了克服这些挑战，到目

前为止使用了不同的电流控制技术。 本文介绍了一种用于单相并网系统的多电平逆变器。

逆变器的切换基于选择性谐波消除PWM方法，其中切换角度通过Newton Raphson（NR）方法

计算。 主要目标是向电网注入电能，减少电网电流的谐波，并使电网频率与逆变器频率同

步。 结果通过MATLAB / Simulink验证，并通过实验使用低成本微控制器。

关键词：脉冲宽度调制；并网系统；选择性谐波消除；多级逆变器; Newton Raphson方法。

Abstract:

The grid connected inverters are increasingly used nowadays in distributed generation and smart grid. But the main challenge in grid connected systems is their compatibility with grid utility and also to maintain the harmonic contents of output current. To overcome these challenges, different current control techniques are used so far. This paper presents a multilevel inverter for single phase grid connected system. The switching of the inverter is based on Selective Harmonic Elimination PWM method where switching angles are calculated by Newton Raphson (NR) method. The main objective is to inject power in to the grid, to reduce the harmonics of grid current and to synchronise the grid frequency with inverter frequency. The results are verified through MATLAB/Simulink and experimentally using low cost microcontroller.

Keywords: pulse width modulation; grid connected system; selective harmonic elimination; multilevel

inverter; Newton Raphson method.

1.介绍

功率逆变器在诸如不间断电源（UPS），感应电动机驱动，自动电压调节器（AVR）系统

等许多应用中起着非常重要的作用。功率逆变器的主要要求是产生和维持交流电的能力。（正弦）输出电压波形，与负载类型无关。这可以通过反馈控制器[1]完成。多级逆变器由于其正

点而越来越多地用于并网分布式发电机。此外，多级逆变器已广泛用于其他领域，如化工厂，

液化天然气厂，石油，船舶推进，电能质量设备，发电 - 输电，水厂和FACTS应用[2]，[3]，

1. [5]。多级逆变器也适用于与电网公用接口的非可再生能源应用[6]。由于这些优点，可

以以最小的开关损耗增强电能质量，电压能力。它也适用于配电侧的无变压器系统，成本较低。它具有许多功能，如低dv / dt，小共模电压，电机轴承应力较小，降低开关频率[7]。多电平

逆变器可以产生所需的输出，其中有多个直流电源作为输入。 对于逆变器与电网的同步，大

多使用电流控制方法。该方法的局限性在于调制指数（M）不确定，并且不能消除特定的谐波。

如果调制指数M是固定的，则逆变器与电网的同步是可能的。可以对这种系统实现选择性谐波

消除技术对特定调制指数M的优点。

本文试图将SHEPWM系统的这一优势应用于与电网系统相连的逆变器闭环系统。

2.多级联电平逆变器

在逆变器系列中，最重要的拓扑之一是级联多电平逆变器。级联多电平逆变器的结构

包括多个串联的H桥，具有独立的直流电源。对于单相七电平多电平逆变器，具有不同直流

电源的三个H桥串联连接，如图1所示。每个单独的H桥具有产生三个不同电压电平的能力，

即 Vdc，0，-Vdc。

Fig. 1. Schematic Diagram of single phase 7-level CMLI.

V

S1

S2

Vdc

S3

S4

S5

S6

Vdc

S7

S8

S9

S10

Vdc

N

S11

S12

通过在级联多电平逆变器中适当应用调制技术，可以获得输出端的近似正弦电压。

图2显示了单相七级输出相电压的波形。电压包含2s 1个电平，其中s表示每相的H桥

数。因此，对于7级多电平逆变器，s = 3并且电压电平为 Vdc， 2Vdc， 3Vdc，0，

-Vdc，-2Vdc，-3Vdc。

Fig. 2. Output phase voltage waveform of 7-level CMLI.

3.级联型多电平逆变器开关角度的数学建模

用于降低特定低阶主导谐波的多电平逆变器中的切换角度的计算方法被称为选择性谐波

消除或编程PWM技术。非线性超越方程的算术解是一个主要挑战，因为这些方程包含三角项并

给出多个解。之前使用许多算法来获得这些方程的解。通过适当选择良好的初始猜测，可以

获得所需的解决方案。这导致强调需要研究用于优化目的的算法，收敛和用于获得优化切换

角度的迭代方法。消除低次谐波，如五次和七次谐波以及总谐波失真（THD）是SHEPWM方法的

主要目标。虽然不考虑三重谐波，因为它将在三相应用中自动取消。用滤波器去除高次谐波。

通常，傅立叶级数展开的逆变器输出电压由下式给出

v (wt)   4Vdc (cos(k )  cos(k )  ...  cos(k ))sin(  )



k

(1)

an 1 2 s

k 1 5,,...

其中s是每相的串联连接的H桥的数量，k是谐波分量的阶数。 如果计算切换角度，则可以获得期望的基本峰值电压V1

0     ...    2/

1 2 s

主导的低阶谐波电压为零。它可以通过选择来实现一个切换角度用于计算基波电压和剩余切换角度，以消除某些低阶谐波。从等式（1），基波电压的表达式给出

V  4Vdc (cos( )  cos( )  ...  cos( ))

(2)

1  1 2 s

V  4Vdc (cos

1  1

cos

• cos

)  V *

(3)

V  4Vdc (cos(5 )  cos(5 )  cos(5 ))  0

1

2

3

(4)

5 5 1 2 3

V  4Vdc (cos(7 )  cos(7 )  cos(7 ))  0

(5)

7 7 1 2 3

其中V1是基波谐波分量，V5和V7是五次和七次谐波电压。调制指数（m）表示基波电压和

最大可获得电压之间的关系。它是基波电压（V1）与最大可获得电压之比。当所有切换角度

等于零时，则可以获得最大基波电压，即V_1max = 4sV_dc/pi;.

V

m 1

4sVdc

(6)

多级逆变器的自由度是s。通常，通过使用一个自由度来计算基波电压V1，而可以通过

剩余的自由度来消除低阶谐波分量。从等式（6）可以看出，对于7级CMLI，两个谐波电压方

程以及调制指数（m）方面的基本电压方程可以写成如下

1[cos( )  cos( )  cos( )]  m

3 1 2 3

cos(5 )  cos(5 )  cos(5

1

2

3

)  0

cos(7 )  cos(7 )  cos(7 )  0

1 2 3

(7)

对于任何多级逆变器，一般可以给出非线性方程

F   A(mi )

具有三个切换角的三个非线性方程用于获得期望的基波电压和消除低次谐波由公式（7）给出。

Fig. 3. Flowchart of Newton Raphson Algorithm.

解决从傅里叶级数展开获得的这些非线性超越方程是复杂且耗时的。它还需要计算方法，如优化[12]，[13]，[14]，[15]。在本文中，这些非线性方程的解由Newton Raphson方法给出。这是一种迭代算法，该算法的收敛速度非常快，即达到全局最小值的概率更大。只有要求是良好的初步猜测。Newton Raphson算法的流程图如图3所示。通过应用Newton Raphson算法，可以得到不同调制指数的不同解集。在解决方案存在的情况下，只能选择针对特定调制指数设置的可行解决方案。

4.建议应用并网逆变器的方法

图4示出了用

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