基于MATLAB的SPWM電壓型逆變器的仿真與分析

周勝蘭

摘 要 基于MATLAB軟件中的Simulink和Power System Blochset，建立了以IGBT為開關(guān)器件、有數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的SPWM電壓型逆變器的仿真模型，分析了主電路及控制電路的工作原理，完成了逆變器輸出特性的仿真。并采用FFT分析工具對仿真結(jié)果進行諧波分析。

【關(guān)鍵詞】SPWM 電壓型逆變器 數(shù)字PI調(diào)節(jié)器

1 SPWM基本原理

SPWM調(diào)節(jié)是以等腰三角波為載波，正弦波為調(diào)制波，當(dāng)三角載波與正弦調(diào)制波波形曲線相交時，在交點處的時刻點將會產(chǎn)生控制信號，此控制信號便是用來控制功率開關(guān)器件的通斷的，如此便可得到一組相等幅值，而脈寬正比于對應(yīng)區(qū)間正弦波曲線函數(shù)值的矩形脈沖。每一個矩形脈沖的面積與相應(yīng)坐標處的正弦波面積一致，因而這一組矩形波與期望的矩形波等效。這種調(diào)制法稱為正弦脈沖寬度調(diào)制法（SPWM），這種序列的矩形波稱作SPWM波。

2 三相SPWM電壓型逆變器控制系統(tǒng)基本原理

該系統(tǒng)實現(xiàn)的功能是完成電壓的逆變，即將直流輸入電壓變換成交流輸出電壓。由整流二極管構(gòu)成的不控整流電路為三相橋式逆變器系統(tǒng)提供直流輸入電壓，SPWM實現(xiàn)脈寬調(diào)制，數(shù)字PI調(diào)節(jié)器能依據(jù)實際要求實時地調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓幅值，完成調(diào)壓控制。三相橋式逆變器的輸出交流電壓中一般含有較高次的諧波，經(jīng)LC濾波電路后可有效的濾掉高次諧波，最后經(jīng)全控型器件即組成完整的三相電壓型逆變器。

3 三相SPWM電壓型逆變器的建模與仿真

利用Matlab軟件，在Simulink環(huán)境下的Power System仿真工具箱搭建的三相SPWM電壓型逆變器的系統(tǒng)電路模型。

系統(tǒng)主電路實現(xiàn)的是交流-直流-交流的轉(zhuǎn)換。交流發(fā)電機輸出有效值25KV，頻率60HZ，容量10MVA的正弦交流電壓，經(jīng)過25KV/600V，50kVA的變壓器降壓后，通過一個由二極管構(gòu)成的三相橋式不控整流電路，再經(jīng)LC濾波電路濾掉高次諧波獲得的直流電壓，作為逆變器的輸入電壓，該逆變器由絕緣柵雙極型晶體管 IGBT作為開關(guān)器件，且載波頻率為2kHZ。經(jīng)逆變器后的輸出電壓為交流電壓，最后經(jīng)LC濾波電路后，為負載提供50HZ，380V的供電電壓。該電路的離散采樣周期為 2?s。

下面詳述系統(tǒng)模型中兩個重要子模塊，分別是調(diào)壓模塊Voltage Regulator 和PWM發(fā)生器模塊Discrete PWM Generator。Voltage Regulator實現(xiàn)的是數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的調(diào)壓功能，如圖1所示為PI調(diào)節(jié)子系統(tǒng)模型；Discrete PWM Generator實現(xiàn)的是產(chǎn)生SPWM控制信號，用以控制逆變器IGBT開關(guān)管的通斷。

Discrete Virtual PLL和Discrete PI Controller模塊是系統(tǒng)自帶的模塊，前者無需設(shè)置輸入信號，可生成離散的正余弦信號。后者即離散PI控制器，實現(xiàn)的是離散的PI調(diào)節(jié)。得到經(jīng)park變換后的Vd、Vq值，設(shè)置限幅值為1，這是因為，一般情況下，調(diào)制波與載波的比值m≤1時，輸出才有意義。PI控制器的常用算法有三種：梯形法、前向歐拉法、后項歐拉法。本模塊中使用的是后項歐拉法。

Discrete PWM Generator是一個離散的PWM脈沖發(fā)生器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

PWM脈沖發(fā)生器可通過對Generator Mode變量的設(shè)定，即電橋橋臂個數(shù)（1-4）的選擇，而產(chǎn)生與之對應(yīng)的脈沖個數(shù)，此仿真模型選擇的是3個橋臂，則脈沖發(fā)生器將產(chǎn)生6個PWM脈沖。

PWM脈沖發(fā)生器中的mIndex、phase和Internal-Phase三個模塊都是常數(shù)模塊。其中mIndex可設(shè)定調(diào)制信號m，即調(diào)制正弦波的幅值。12：34是時鐘模塊，提供時間信息t，它與增益模塊K=2*pi*Freq（ω=2πf）相乘，就得到了ωt；Phase與增益模塊pi/180相乘，即將相位角轉(zhuǎn)換到幅度。三者經(jīng)求和模塊后，再經(jīng)正弦波發(fā)生器，即可得到幅值為1的離散型正弦波信號。乘法器將該正弦波信號與mIndex（調(diào)制信號m）相乘，就得到了幅值為 m的正弦調(diào)制信號。

Signals作為輸入模塊，其后是具有三個輸入端子的開關(guān)模塊：當(dāng)輸入端2，即Internal的值≥Threshhold（=0.5）時，則輸入端1可通過，輸入端3則被截斷；反之，輸入端1被截斷，則輸入端3可通過，即輸出Signals信號。

4 仿真結(jié)果

啟動模擬仿真。經(jīng)過了大約50毫秒的過渡階段，系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。通過scope1觀察直流母線電壓波形、變頻器輸出和載荷，其仿真結(jié)果如圖7所示。變頻器產(chǎn)生的在2千赫周圍的諧波被LC濾波器所過濾。

負荷電壓的峰值為537伏（380 Vrms）。在穩(wěn)態(tài)時，平均調(diào)制比m = 0.80，直流側(cè)平均電壓為778 V。因此，經(jīng)過逆變器斬波后頻率為50赫茲的基波的相電壓為：Vab=778* 0.612 * 0.80 = 381 V rms。

接下利用快速變換（FFT）分析工具對其仿真輸出電壓進行諧波分析。首先打開Powergui并且選擇‘FFT Analysis

通過觀察分析結(jié)果可知，最大諧波含量為1.4%，總的諧波含量為2%。

5 結(jié)束語

本文利用Matlab軟件中Simulink和PowerSystem Blochset模塊，建立了具有數(shù)字PI調(diào)壓控制功能的三相SPWM逆變電源仿真模型。仿真實例結(jié)果表明該仿真模型準確性，完全可用于定量分析計算逆變電源的輸出特性。

參考文獻

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作者單位

武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院 湖北省武漢市 430070