1、基 于 SVPWM 三 相 并 网 逆 变 器仿 真 报 告I目 录1. SVPWM 逆变器简介 .12. SVPWM 逆变器基本原理 .22.1. SVPWM 调制技术原理 22.2. SVPWM 算法实现 53. SVPWM 逆变器开环模型 .93.1. SVPWM 逆变器开环模型建立 93.2. SVPWM 逆变器开环模型仿真分析 124. SVPWM 逆变器闭环模型 .144.1. SVPWM 逆变器闭环模型建立 144.2. SVPWM 逆变器闭环模型仿真分析 1511. SVPWM 逆变器简介三电平及多电平空间矢量调制(Space Vector Pulse Width Modula
2、tion，SVPWM) 法是建立在空间矢量合成概念上的PWM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PWM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技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PWM 逆变电源中得到了广泛的应用。与其他传统PWM 技术相比，SVPWM 技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PWM技术等众多
3、优点。22. SVPWM 逆变器基本原理SVPWM 调制技术原理SVPWM 的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，就可以使逆变器输出近似正弦波电压。SVPWM 实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
4、将在定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，SVPWM 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 SPWM 好，实现容易，并且可以提高电压利用率；(2) 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 SVPWM 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： (2.1)ambcmcos2()3suUtt其中 Um 为相电压的幅值，=2f 为相电压的角频率。图 2.1 为三相电压的向量图，在该平面上形成一个复平面，复平
5、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、Im。在这个复平面上，定义三相相电压 ua、u b、u c 合成的电压空间矢量 为：outU(2.2)22jjj()332outabcm()tUeuUe3acbOReImoutU图 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关管开通(即a ，b或c 为1)。由于同一桥臂上下开关管不能同时导通，则上述的
6、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 )，可以得到8个基本电压空间矢量。各矢量为：(2.3)22jjdc33out()Uabec则相电压V an、V bn、V cn，线电压 Vab、V bc、V ca以及 的值如下表2.1所示（其中out()UabUdc为直流母线电压） 。ac b a b cU d 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 Vbn Vcn Vab Vbc Vca outU40 0 0 0 0 0 0 0 0 01 0 0 2Udc/3 -Udc/3 -Udc/3 Udc 0 -Udc dc230 1 0
7、 -Udc/3 2Udc/3 -Udc/3 -Udc Udc 02jdce1 1 0 Udc/3 Udc/3 -2Udc/3 0 Udc -Udc 3jdc0 0 1 -Udc/3 -Udc/3 2Udc/3 0 -Udc Udc432jdce1 0 1 Udc/3 -2Udc/3 Udc/3 Udc -Udc 053jdc0 1 1 -2Udc/3 Udc/3 Udc/3 -Udc 0 Udc 2jdce1 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 所示的复平面，即
8、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。3154620U160(1)0()120()U180()240(1)U30(1)图 2.3 电压空间矢量与对应的（abc ）示意图52.2. SVPWM 算法实现SVPWM 的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期 TPWM 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SVPWM。如上图 3 所示，在某个时刻，电压空间矢量 旋转到某个区域中，可由组outU成这个区域的两个相邻的非零矢量( 和 )和零矢量( 0)在时间上的不同组合来得到。KU+1先作用的 称为主矢量，后作
9、用的 称为辅矢量，作用的时间分别为 TK 和 TK+1，KU作用时间为 To。以扇区 I 为例，空间矢量合成示意图如图 4 所示。根据平衡等效原0则可以得到下式：(2.4)PWMout102601()TUU或(2.5)PWM(2.6)1P260WMoTU式中，T 1，T 2，T 0 分别为 0， 6和零矢量 和 1U的作用时间， 为合成矢量0与主矢量的夹角。 outU0601T23/sTUuu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 T1，T 2，T 0，由图 2.14 可以得到：(2.7)outsin2/3si(/)sinUU将式(6)及 2U dc/3 和 =U
10、 m 代入式(7) 中，可以得到：060out6(2.8)m1PWMdc2cmoPWMdc3sin()3(1os()6UT取 SVPWM 调制深度 3/U，在 SVPWM 调制中，要使得合成矢量在线性区域内调制，则要满足 ，即 max2/31.547。由此可知，在outmdc2SVPWM 调制中，调制深度最大值可以达到 1.1547，比 SPWM 调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 SVPWM 控制算法的一个主要优点。(1) 判断电压空间矢量 Uout 所在的扇区判断电压空间矢量 Uout 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
11、量。用 U和 U表示参考电压矢量 Uout 在 、 轴上的分量，定义 Uref1，U ref2，U ref3 三个变量，令：(2.9)ref12ref3u再定义三个变量 A，B，C 通过分析可以得出：若 Uref10，则 A=1，否则 A=0；若 Uref20，则 B=1，否则 B=0；若 Uref30，则 C=1，否则 C=0。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)。表 2.2 N 与扇区的对应关系N 3 1 5 4 6 2扇区 (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：7(2.10)1
12、2060PWMP26cos3sinTuU 则上式可以得出：(2.11)PWM1dc2dc3()TuU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：(2.12)PWMdcdcPWMdc3()23TuXUYTZu可以得到各个扇区 T1、T 2、T 0 作用的时间如下表 2.3 所示。表 2.3 各扇区 T1、T2 、 T0 作用时间N 1 2 3 4 5 6T1 Z Y -Z -X X -YT2 Y -X X Z -Y -ZT0 TPWMT s-T1-T2如果当T 1+T2TPWM，必须进行过调制处理，则令 :(2.13)1PWM221T(3) 确定各扇区矢量切换点定义：(2.14)aP
13、WM12bc()/4/TT三相电压开关时间切换点T cmp1、T cmp2、T cmp3与各扇区的关系如下表2-4所示。8表 2.4 各扇区时间切换点 Tcmp1、Tcmp2、Tcmp3N 1 2 3 4 5 6Tcmp1 Tb Ta Ta Tc Tc TbTcmp2 Ta Tc Tb Tb Ta TcTcmp3 Tc 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同，生成的是对称PWM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 1-4所示的
14、扇区I ，逆变器开关状态编码序列为000，100，110，111，110，100，000，将三角波周期T PWM作为定时周期，与切换点T cmp1、T cmp2、T cmp3比较，从而调制出SVPWM波，其输出波形如图5所示。同理，可以得到其它扇区的波形图。0U061U600UP W M AP W M P W M t1T/240/42T/1/4()()()()abc图 2.5 扇区 I 内三相 PWM 调制方式93. SVPWM 逆变器开环模型SVPWM 逆变器开环模型建立SVPWM 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，其中仿真参数设置如下：直流电压 Udc=400V
15、，T PWM=0.0001s，给定三相参考相电压有效值220V。6PWM65PWM54PWM43PWM32PWM21PWM1Tcm1Tcm2Tcm3PWM1PWM2PWM3PWM4PWM5PWM6SVPWM pulsenuuVdcTT1T2T1 T2uu nSec Judgeruaubucuuabc_ T1T2TnTcm1Tcm2Tcm3Tcm1235Vdc4TScope4Scope3ucScope3Scope2 Scope12ub1uaT 1 T 2 计 算切 换 时 间 计 算脉 冲 形 成扇 区 判 断坐 标 变 换图 3.1 SVPWM 仿真模型图10SubtractSubtract1
16、 2u2/3Gain2-K-Gain-K-Gain1Scope1u3uc1ua2ub图 3.2 三相到两相静止变换= 0Switch2= 0Switch1= 0Switch-K-Gain1 4Gain22Gain3-K-Gain0Constant11ConstantAdd21nAddAdd11u2u图 3.3 扇区 N 判断11= 0Switch12345*, 6MultiportSwitchK*uvecGainK*uvecGain5K*uvecGain3K*uvecGain1K*uvecGain22/3Gain6K*uvecGain4DivideDivide2Divide1ScopeScop
17、e12T21T1Add1Add4Vdc3u5T1n2u图 3.4 t1 和 t2 计算= 0Switch1= 0Switch= 0Switch2NOTLO1NOTLONOTLO2RepeatingSequencedoubleDTC5booleanDTC4doubleDTC1booleanDTC2booleanDTCdoubleDTC30Constant11ConstantScope5Add2Add1Add6PWM62PWM25PWM54PWM43PWM31PWM12Tcm23Tcm31Tcm1图 3.5 计算切换时间 tcm1 tcm2 tcm3123.2. SVPWM 逆变器开环模型仿真分析
18、由前面建立的模型，进行仿真计算，得出以下结果。图3.6为线电压仿真波形，图3.7为SVPWM调制电流输出频谱图 ，图3.8为SVPWM调制电压输出频谱图。图 3.6 线电压仿真波形图 3.7 SVPWM 调制电流输出频谱13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调制下的输出电流总谐波畸变为有1.74，表明SVPWM 调制下的输出电流的谐波含量小，谐波畸变率也很小，有很好的抑制谐波效果；2、SVPWM调制下的直流电压利用率为 ，表明SVPWM 调制下直398.7.6540V流电压利用率很高，在电压利用率上具有明显优势。144. S
19、VPWM 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。SVPWM 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 中建立的模型如图 4.2 所示，其中的核心部分SVPWM 控制信号产生部分 ACR_pulse 如图 4.3 所示。图 4.2 SVPWM 逆变器闭环控制仿真电路图15图 4.3 ACR_pulse4.2. SVPWM 逆变器闭环模型仿真分析对所建立的 SVPWM 逆变器闭环模型进行仿真分析，得出如下结果：图 4.4 电压波形图16图 4.5 SVPWM 调制电压输出频谱分析仿真结果图4.4和图4.5，可以得结论：SVPWM调制下的直流电压利用率为，表明SVPWM调制下直流电压利用率很高，在电压利用率上具有明385.96.740V显优势。
