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🔥内容介绍
选择性谐波消除PWM（Selective Harmonic Elimination PWM，简称SHEPWM）是电力电子领域中一种高级的脉宽调制技术，其核心优势在于能够在保障逆变器基波输出性能的前提下，有针对性地消除指定阶次的谐波成分。在单相PWM逆变器应用场景中，3次、5次、7次、9次谐波是输出电压波形中最主要的低次谐波干扰源，这类谐波会导致电能质量下降、负载设备损耗增加、系统振动与噪声加剧等问题，而SHEPWM技术可通过精确的控制策略实现对这四类主要谐波的有效去除。
一、核心工作原理
SHEPWM去除谐波的核心逻辑是通过精准计算逆变器功率器件（如IGBT、MOSFET）的开关角度，使输出电压波形的傅里叶级数展开式中，目标谐波（3、5、7、9次）的幅值被强制归零。具体而言，基于傅里叶级数分解与谐波平衡理论，针对单相逆变器输出波形的对称性（半波对称、四分之一波对称）特性，构建包含开关角度变量的非线性超越方程组。该方程组以基波电压幅值达到预设要求为约束条件，同时令3、5、7、9次谐波的幅值方程等于零，通过数值算法（如牛顿-拉夫逊法）求解方程组，即可得到最优的开关角度组合。
需要说明的是，要实现4类谐波的同时消除，需在逆变器输出波形的一个工作周期内设置4个独立的开关角度（对应半周期内的开关次数）。这些开关角度决定了功率器件的导通与关断时刻，最终生成的PWM波形经过傅里叶分解后，3、5、7、9次谐波成分将被精确抵消，仅保留符合要求的基波分量。
二、关键实现步骤
1. 系统建模与参数设定
首先构建单相PWM逆变器的核心拓扑（通常为H桥结构），明确直流输入电压、负载参数（电阻、电感或其组合）等基础参数。同时，根据实际应用需求设定目标基波电压幅值与频率，确定需消除的谐波阶次为3、5、7、9次。
2. 开关角度求解
基于傅里叶级数推导单相逆变器输出电压的谐波表达式，建立以开关角度为变量的非线性方程组。例如，对于满足四分之一波对称性的输出波形，其谐波幅值表达式可简化为仅含奇次谐波的形式，据此代入3、5、7、9次谐波幅值为零的约束条件及基波幅值要求，形成完整的求解方程组。采用牛顿-拉夫逊法等成熟数值算法对该方程组进行求解，得到不同调制比下对应的最优开关角度，并将其存储于控制系统的查找表中备用。
3. 实时控制与波形生成
在逆变器运行过程中，控制系统根据当前所需的基波电压幅值（即调制比），从查找表中调取对应的最优开关角度，生成精准的PWM控制信号，驱动H桥拓扑中的功率器件按预设时刻进行开关动作。通过这一闭环控制逻辑，确保输出电压波形始终保持最优状态，持续实现3、5、7、9次谐波的消除。
三、谐波去除效果验证
通过快速傅里叶变换（FFT）分析可直观验证谐波消除效果。在未采用SHEPWM技术的传统单相PWM逆变器输出波形中，3、5、7、9次谐波幅值较高，总谐波失真（THD）数值较大；而应用SHEPWM技术后，FFT分析结果显示，3、5、7、9次谐波的幅值几乎降为零，输出电压波形更接近理想正弦波，总谐波失真（THD）显著降低，电能质量得到根本性提升。
在Simulink等仿真平台的验证实验中，通过搭建包含SHEPWM算法的单相逆变器仿真模型，可清晰观察到输出电压与电流波形的平滑性提升，进一步佐证了该技术在去除3、5、7、9次谐波方面的有效性与可靠性。
四、技术优势与应用价值
相较于传统的正弦脉宽调制（SPWM）技术，SHEPWM通过针对性的谐波消除策略，无需依赖体积庞大、成本高昂的无源滤波器，即可有效解决3、5、7、9次低次谐波带来的不良影响。同时，由于其开关频率由求解出的开关角度决定（非固定高频），还能降低功率器件的开关损耗，提升逆变器的运行效率。
该技术在新能源发电（如光伏、风电）、电动汽车充电桩、工业变频控制等对电能质量要求较高的领域具有重要应用价值，能够显著提升电力转换系统的可靠性与经济性，减少谐波对电网及负载设备的干扰与损坏。
⛳️ 运行结果
🔗 参考文献
[1] 程善美,姜向龙,孙文焕,等.SIMULINK环境下空间矢量PWM的仿真[J].电气自动化, 2002, 24(3):5.DOI:10.3969/j.issn.1000-3886.2002.03.013.
[2] 杨会敏,宋建成.基于双环控制的单相电压型PWM逆变器建模与仿真[J].电气传动自动化, 2009(1):4.DOI:10.3969/j.issn.1005-7277.2009.01.004.
[3] 杨会敏,宋建成.基于双环控制的单相电压型PWM逆变器建模与仿真[J].电气传动自动化, 2009.DOI:JournalArticle/5af16ce4c095d718d8e3afa3.
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