基于改進(jìn)型正弦脈寬調(diào)制算法的單相逆變器輸出電壓和波形控制

胡賽純，潘 健，李穩(wěn)國，熊 潔，楊天宇

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基于改進(jìn)型正弦脈寬調(diào)制算法的單相逆變器輸出電壓和波形控制

胡賽純1，潘 健2，李穩(wěn)國1，熊 潔1，楊天宇1

(1. 湖南城市學(xué)院信息與電子工程學(xué)院，湖南 益陽 413000；2. 西安通信學(xué)院基礎(chǔ)部，西安 710106)

盡管SPWM調(diào)制能獲得較好的正弦波，但其諧波問題仍然不可忽視，就單相逆變器輸出電壓和波形控制問題在SPWM調(diào)制的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些改進(jìn)研究﹒采用了在基波正弦調(diào)制參考波中附加一個三次諧波分量的方法，采用matlab/simulink對傳統(tǒng)SPWM控制下的單相逆變輸出和改進(jìn)型算法分別進(jìn)行了仿真比較，結(jié)果表明，采用改進(jìn)SPWM控制算法對單相逆變器輸出進(jìn)行調(diào)制時，基波電壓輸出明顯增大，輸出電壓總的諧波畸變率明顯降低﹒該改進(jìn)方法對單相逆變器輸出電壓和波形控制有一定的實際價值﹒

改進(jìn)型SPWM；單相逆變器；調(diào)制；仿真

為了解決能源問題，近年來我國建立了大量的大型風(fēng)力、光伏電站等分布式電源﹒這些分布式電源入網(wǎng)時必須引入大量并網(wǎng)逆變器裝置﹒這些逆變器裝置的接入會給配電網(wǎng)的電能質(zhì)量、安全穩(wěn)定運行等帶來巨大的沖擊﹒人們希望逆變器的輸出能夠得到有效和靈活的控制[1-2]﹒因此，對逆變器的電壓輸出和波形控制進(jìn)行研究是很有實際意義的﹒在風(fēng)力、光伏電站等分布式電源入網(wǎng)逆變時，常采用PWM調(diào)制方式對開關(guān)管進(jìn)行控制，在PWM調(diào)制方法中，目前常采用的方法有方波調(diào)制、正弦波調(diào)制、SVPWM調(diào)制等[3-4]﹒由于正弦波調(diào)制（SPWM調(diào)制）能獲得較好的正弦波，在逆變器電壓輸出和波形控制的工程實際中用的更為廣泛，但其諧波問題仍然不可忽視[5]﹒本文就單相逆變器輸出電壓和波形控制問題在SPWM調(diào)制的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些改進(jìn)研究﹒

1 正弦脈寬調(diào)制

2 改進(jìn)型正弦脈寬調(diào)制

SPWM控制輸出波形很好，但需較高的開關(guān)頻率且直流電壓利用率不高，輸出基波電壓幅值1m≤D﹒增大調(diào)制參考電壓rm，即增大調(diào)制系數(shù)M可增大基波輸出電壓1，但M值不能超過1，否則就不能實現(xiàn)正弦脈寬調(diào)制，輸出電壓中的諧波會增加﹒為了實現(xiàn)SPWM，調(diào)制波r的絕對值在任何時刻都應(yīng)小于三角載波幅值Um﹒增大調(diào)制波r的幅值rm可以增加輸出半周內(nèi)各驅(qū)動脈沖的寬度，從而增加各處對應(yīng)的輸出電壓脈沖寬度，增大輸出電壓，但中間處的脈沖寬度變化不顯著[8]﹒為此，可采用改進(jìn)方法﹒

3 仿真及結(jié)果分析

對傳統(tǒng)SPWM控制下的單相逆變輸出進(jìn)行仿真，仿真電路圖及參數(shù)設(shè)置見文獻(xiàn)[9]，得到的輸出波形圖見圖1，對其進(jìn)行FFT分析得其頻譜圖見圖2﹒從圖2可看出輸出交流電壓基波幅值為150.4 V，總的諧波畸變率(THD)為263.75%﹒

圖1 SPWM控制下單相全橋逆變輸出波形圖

圖2 SPWM控制下諧波分析圖

將SPWM控制方式進(jìn)行改進(jìn)，得改進(jìn)型正弦脈寬調(diào)制信號產(chǎn)生仿真圖見圖3﹒圖中“Clock”為時鐘模塊、“Repeating Sequence”為三角載波信號產(chǎn)生模塊、“Boolean”和“double”為數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模塊，“Trigonometric Function”為三角函數(shù)模塊、“Out1”為輸出接口模塊、“Logical Operator”為邏輯運算、“Relational Operator”為關(guān)系運算、“Data Type Conversion”為數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換、“Gain”為增益模塊、“Product”為求積運算模塊、“Constant”為產(chǎn)生常數(shù)信號模塊、“add”為加法模塊﹒SPWM控制下改進(jìn)型的單相全橋逆變仿真圖見圖4﹒

圖3 改進(jìn)型SPWM信號產(chǎn)生仿真圖

圖4 改進(jìn)型SPWM控制下單相全橋逆變仿真圖

圖4中“Subsystem2”是將圖3進(jìn)行封裝所得，“Scope”為示波器、“Current Measurement”為電流測量、“Series RLC Branch”為負(fù)載、“DC Voltage Source”為直流電源、“powergui”為電力圖形用戶界面、“Universal Bridge”為逆變通用橋、“Multimeter”為測量模塊，仿真時將其參數(shù)設(shè)置為：M取1、載波頻率750 Hz、調(diào)制信號頻率50 Hz，仿真波形見圖5，F(xiàn)FT分析得頻譜圖見圖6，可以看出輸出交流電壓基波幅值為242.9 V，其輸出交流電壓總的諧波畸變率(THD)為143.1%﹒

圖5 改進(jìn)型SPWM控制下單相全橋逆變輸出波形

圖6 改進(jìn)型SPWM控制下諧波分析圖

將這兩種情況進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，利用改進(jìn)SPWM控制算法對單相逆變器輸出進(jìn)行調(diào)制時，得到的基波電壓為242.9 V，而傳統(tǒng)SPWM控制下得到的基波電壓只有150.4 V，可以看出輸出基波電壓明顯增大；總諧波畸變率(THD)為143.1%，而傳統(tǒng)SPWM控制下得到的諧波畸變率(THD)為263.75%，由此可以看出總的諧波畸變率明顯降低了﹒

4 結(jié)語

本文利用SPWM算法對單相全橋逆變控制問題進(jìn)行了一些研究，文中主要是在產(chǎn)生SPWM信號時將由單一的正弦波調(diào)制信號改進(jìn)為含有基波和3次諧波調(diào)制信號，然后將改進(jìn)的SPWM對逆變輸出進(jìn)行控制，獲得了較好的效果﹒這種改進(jìn)算法明顯提高了輸出電壓的基波數(shù)值和總的諧波畸變率(THD)，但所帶來的問題是使輸出電壓中增加了頻率較低、數(shù)值較大的3次諧波，如何在此基礎(chǔ)上去除這些諧波，這將是下一步值得繼續(xù)研究的問題﹒

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(責(zé)任編校：龔倫峰)

Output Voltage and Waveform Control of Single Phase Inverter Based on Improved Sine Pulse Width Modulation Algorithm

HU Saichun1, PAN Jian2, LI Wenguo1, XIONG Jie1, YANG Tianyu1

(1. College of Information and Electronic Engineering, Hunan City University, Yiyang, Hunan 413000, China; 2. Xi’an Communication Institute, Xi’an, Shaanxi 710106, China)

Although the SPWM modulation can obtain a good sine wave, the harmonic problem can not be ignored. The improvement of output voltage and waveform control of single-phase inverter based on SPWM modulation is studied. The addition of a three harmonic component method in fundamental sine wave modulation reference, Matlab / simulink is used to simulate the traditional SPWM single-phase inverter output and the improved algorithm. The results show that the use of improved SPWM control algorithm for modulation of the inverter output, the output fundamental voltage increases obviously and the output voltage harmonics the total distortion rate decreases significantly. The improved method has some practical value for the output voltage and waveform control of single-phase inverter.

improved SPWM; single phase inverter; modulation; simulation

TM935.21

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.04.0015

1672–7304(2017)03–0068–03

2017-05-04

湖南省自然科學(xué)基金項目(2017JJ2023)；湖南省教育廳科研項目(17C0297)

胡賽純(1969- )，女，湖南桃江人，副教授，碩士，主要從事電能質(zhì)量與逆變電源研究．E-mail: 649087292@qq.com