基于SVPWM三相并网逆变器仿真报告

1、基于SVPWM三相并网逆 变器 仿真报告 1. SVPW逆变器简介 2. SVPW逆变器基本原理 2. 2. 1. SVPWM调制技术原理2. 2. SVPWM .2 算法实现 5 3. SVPW逆变器开环模型 9. 3. 1. SVPWM逆变器开环模型建立 9. 3. 2. SVPW逆变器开环模型仿真分析 1 4. SVPW逆变器闭环模型 .2 1. 4. 1. SVPWM逆变器闭环模型建立 14. 4 4. 2. SVPWM逆变器闭环模型仿真分析 :1 1. SVPW逆变器简介 三电平及多电平空间矢量调制(Space Vector Pulse Width Modulation , SVPW

2、M)是建 立在空间矢量合成概念上的PW方法。它以三相正弦交流参考电压用一个旋转的电压 矢量来代 替，通过这个矢量所在位置附近三个相邻变换器的开关状态矢量，利用伏秒平衡原理对其拟 和形成PW波形。空间矢量调制方法在大范围调制比内有很好的性能，具有 很小的输出谐波含量和较高的电压利用率。而且这种方法对各种目标的控制相对容易实现。 SVPWM术源于三相电机调速控制系统。随着数字化控制手段的发展，在 UPS/EPS 变频器等各类三相PW逆变电源中得到了广泛的应用。与其他传统PW技术相比，SVPWM术有 着母线电压利用率高、易于数字化实现、算法灵活便于实现各种优化PW技术等众多优点。 2. SVPW逆变

3、器基本原理 2. 1. SVPW调制技术原理 SVPW啲理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加 以组 合，使其平均值与给定电压矢量相等。在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可由组 成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。两个矢 量的作用时间可以一次施加，也可以在一个采样周期内分多次施加，这样通过控制 就可以使逆变器输出近似 各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转, 正弦波电压。 SVPWM际上是对应于交流感应电机或永磁同步电机中的三相电压源逆变器功率器 件的 一种特殊的开关触发顺序和脉宽大小的组合，这种开关触发顺序和组合将在定

4、子线圈中产 生三相互差120。电角度、失真较小的正弦波电流波形。实践和理论证明，与直 接的正弦脉 宽调制(SPWM技术相比，SVPWI的优点主要有： (1) SVPWM优化谐波程度比较高，消除谐波效果要比SPWMf,实现容易，并且可 以提高电压利用率； SVPWM比较适合于数字化控制系统。 目前以微控器为核心的数字化控制系统是发展趋势，所以逆变器中采用SVPW应是 优先的选择。 对称电压三相正弦相电压的瞬时值可以表示为: 必 Um COS (2. 1) 2 Ub U m COS ( 3I) Uc Um COS ( 其中U为相电压的幅值，3 =2n f为相电压的角频率。图2. 1为三相电压的向量

5、图, 在该平面上形成一个复平面，复平面的实轴与 A相电压向量重合，虚轴超前实轴90, 分别标识为Re Imo在这个复平面上，定义三相相电压 Ua、Ub、Uc合成的电压空间矢量 UoUt 为: r 2j3 J3 Uout (UaUbe Uce ) Ume 3 2 2 (2. 2) Im Uout Re a. 2.1电压空间矢量 三相电压型逆变器电路原理图如图2所示。定义开关量a, b, c和a , b , c表示6 个功率开关管的开关状态。当a, b或c a, 为1时，逆变桥的上桥臂开关管开通，其下桥臂开关管关断（即a , b，或c为0）；反 之，当a, b或c为0时，上桥臂开关管关断而下桥臂开

6、 关管开通（即a , b或c为 可以得到8个基本电压空间矢量。各矢量为: 1）o由于同一桥臂上下开关管不能同时导通，则上述的逆变 器三路逆变桥的组态一共有8 种。对于不同的开关状态组合（abc）, r 2Udc Uout (a be1 ce 5) (2. 3) 则相电压Van、Vbn 为直流母线电压）。 V5,线电压 Ub、Vbc、 Vca以及Uout （abc）的值如下表2. 1所示（其中Uc b Udc C_ 图2. 2三相电压型逆变器原理图 表2.1开关组态与电压的关系 a b c Van Ven Vbc Uout 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 2Udc/3 -山/

7、3 -5/3 Ude 0 - Ude :Ude 3 0 1 0 -Udc/3 2山/3 -山/3 _Udc Ude 0 2己严， 1 1 0 Ldc/3 Ldc/3 -2 Ldc/3 0 Ude -Ude 3 0 0 1 -Udc/3 -山/3 2Ldc/3 0 - Ude Ude 1 0 1 Ldc/3 -2 Ldc/3 Ldc/3 Ude _Udc 0 0 1 1 -2 Ldc/3 Ldc/3 Ldc/3 -Ude 0 Ude 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 可以看出，在8种组合电压空间矢量中，有2个零电压空间矢量，6个非零电压空间矢 量。将8种组合的基本空间电压矢量映射至图1所示

8、的复平面，即可以得到如图3所示的电 压空间矢量图。它们将复平面分成了 6个区，称之为扇区。 A 图2. 3电压空间矢量与对应的（abc）示意图 22 SVPW算法实现 svpw的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期Tpw内通过对基本电压矢 量加 以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。本文采用电压矢量合成法实现SVPW 如上图3所示，在某个时刻，电压空间矢量Uout旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两 个相邻的非零矢量（Uk和Uk+i）和零矢量（U。）在时间上的不同组合来得到。先作用的Uk 称为主矢量，后作用的Uk+1称为辅矢量，作用的时间分别为和Tg Uooo作用时 间为To。以扇区I

9、为例，空间矢量合成示意图如图4所不。根据平衡等效原则可以得到 下式： TPWf out r r r T 0 t2 60 To 000 或 viu Tz T2 ToTWNf r Tx r Ui T Uo I PWM r U2 严U60 (2.4) (2. 5) (2. 6) 式中，Ti, T2, To分别为U。，上 r 。和Fi的作用时间,0为合成矢量 与主矢量的夹角O 图2. 4电压空间矢量合成示意图 要合成所需的电压空间矢量，需要计算 Ti, T2, T。，由图2. 14可以得到: V* 1 X Uout IT |U2 sin2 / 3 sin( /3 )sin (2. 7) 将式及I U

10、1 = 1 Ueo 1= 2Lac/3和I Uout I二Un代入式中,可以得到: 取SVPW调制深度 Ti 胚_ pwm sin(一) Ude3 T2 -TPwm sin Ude To TpwM仆忑 T ) (2. 8) (2. 9) T2 M m / Ude,在SVPW调制中，要使得合成矢量在线性区域 内调制,则要满足st Un. 2Udc/3,即肛2厂3 1. 1547 lo由此可知,在SVPWM max 调制中，调制深度最大值可以达到1. 1547,比SPWMB制最高所能达到的调制深度1高出 0.1547,这使其直流母线电压利用率更高，也是SVPW控制算法的一个主要优点。（1）判断 电

11、压空间矢量Uout所在的扇区 判断电压空间矢量所在扇区的目的是确定本开关周期所使用的基本电压空间矢 量。 用U和UB表示参考电压矢量变 Uout a、P轴上的分量，定义Uefl, Uef2, Uef3三个 量，令： u refl u u ref2 Tsuu u ref3 Tsuu 再定义三个变量A, B, C通过分析可以得出： 若 Uefi 0,则 A=l,否则 A二0; 若 Uef20,贝 uB=l,否则 B=0； 若 Uef30,则 c=l,否则 cm 令N=4*C+2*B+A则可以得到N与扇区的关系，通过下表2. 2得出Uout所在的扇区（如 图 2.3） 0 表2.2 N与扇区的对应关

12、系 N 3 1 5 4 6 2 扇区 I n IV V （2）确定各扇区相邻两非零矢量和零矢量作用时间由图4可以得出: U丄丁2 ,Uo Ueo COS PWMt小 u 一 u 60 sin 7pWM (2. 10) 则上式可以得出: 越 wm (V3u 2Udc 5 严PWM u 匸 Ude (2. 11 ) 同理，以此类推可以得出其它扇区各矢量的作用时间，可以令: Ude u Ude (T (2. 12 ) /PWM /U Ude ( T 可以得到各个扇区心、丁2、 T。作用的时间如下表2. 3所示。 表2.3各扇区Tl、T2、TO作用时间 N 1 2 3 1 5 6 Ti Z Y -z

13、-x X -Y T2 Y -X X z -Y -z To Tpw Ts T i T 2 如果当T】+T?Tp或必须进行过调制处理，则令: Ti PWM T2 T1 T2 (2. 13 ) tpw (3)确定各扇区矢量切换点 定义: Ta 1 t2)八 Tb PWM Ta Tl/2 Tb T2/2 (2. 14 ) 三相电压开关时间切换点丁亦、 Tcmp2、Temp与各扇区的关系如下表2-4所示。 表2. 4各扇区时间切换点Tempi Tcmp2 Temp3 N 1 2 3 4 5 6 Tem pl Tb Ta Ta Tc To Tb Tem p2 Ta Tc Tb Tb Ta Tc Tem p

14、3 To Tb Tc Ta Tb Ta 为了限制开关频率，减少开关损耗，必须合理选择零矢量000和零矢量111,使变流 器开关状态每次只变化一次。假设零矢量000和零矢量111在一个开关周期中作用时间相 1-4 111, 110, 100, 000,将三 从而调制出SVPW,其输 同，生成的是对称PW波形，再把每个基本空间电压矢量作用时 间一分为二。例如图所示的扇区I,逆变器开关状态编码序列 为000, 100, 110,角波周期Tpw作为定时周期，与切换点 Tempi Tcmp2 Temps比较，出波形如图5所示。同理，可以得到其 J - k To/4 Ti/2 Uo. V 60 J %/4

15、 To/4 TT,. T2/2 - Uo To/4 u ecc t 它扇区的波形图。 图2. 5扇区I内三相PW调制方式 P WMA PW B PW C (000) (100) (110) (111) (111) (110) (100) (000) 7b T 3. SVPW逆变器开环模型 3. 1. SVPW逆变器开环模型建立 SVPW仿真模块图如图3.1所示，对其逆变电路进行了开环研究仿真，其中仿真参 数设H如下：直流电压 Uc=400V, Tp扇0.0001s,给定三相参考相电斥有效值 220Vo Diy. 丁1 EP * iSSii LU （脉冲形成） 图3.1 SVPWM方真模型图 图

16、3.2三相到两相静止变换 图3.3扇区N判断 i OMt 6 Am厨 XMU* Ac id r=a w*1 m ijnnciar 礼*4祈口 5cf iiRncc -Twnt 图3.4 tl和t2计算 JS SVf-PcnnpLiiin： h-*quTlicy DiFnny Em* fl 曲; Ffsouffnc* xi( i-fca-tT 3沪( MIO pqfe =q q q口口 T vw: sc. a I1111 .n.is r N iM nn 2. 1 I ) Fr rrriy ( al RWi*i Snt | | J_A JlOUhk Dittel*. J $0*1 Ser iMTf

17、l t9)f p 1 Nwitxx or cvcifiK ig fHndnnriTirt f0 FTI FtecKjecy (Hz) WJ 7 N、 Wk+钿1 1 Flylt DM (rrlrilhv to AHI 11 11 iflL F qkk p Ip 阡1刁*口匚 11 hT F ? Piw iODYC- l. OLOBN0J k 550 Man Tirttjarc? Tji rptoEpuui 图3. 8 SVPWM调制电压输出频谱 分析仿真结果图3.6到图3.8,可以得出以下结论： 1、SVPWM制下的输出电流总谐波畸变为有1.74 %,表明SVPWa制下的输出电流 的谐波 含量

18、小，谐波畸变率也很小，有很好的抑制谐波效果； 2、SVPW制下的直流电压利用率为彳盼99. 675%,表明SVPWI制下直流电压 400V 利用率很高，在电压利用率上具有明显优势。 4. SVPW逆变器闭环模型 现代逆变系统也是一种控制系统，也是通过调节一个或几个参考值来改变逆变系统 的输出。现代逆变系统也有开环系统和闭环系统之分，但是所涉及的现代逆变系统一般 都是闭环系统，因为开环系统的输出在电网电压和负载变化时，根本没有稳定作用，控 制效果太差，几乎不能满足任何一种逆变系统的要求。由于三相逆变器系统不要求动态响应 太快，但对控制精度要求高，所以这里采用pi调节器。 4. 1. SVPW逆变器闭环模型建立 三相逆变器控制系统结构图，如图4. 1所示。 图4. 1三相逆变器控制系统结构图 依据三相逆变器闭环系统在MATLAB八建立的模型如图4. 2所示，其中的核心部分 SVPW控制信号产生部分ACR_pulse如图4. 3所示。 IPT I rnrvifl P Mg (WriF c 严 *6 图4.2 SVPWM逆变器闭环控制仿真电路图 SVPW 42 SVPW逆变器闭环模