基于SVPWM三相并網(wǎng)逆變器仿真報(bào)告

目錄1. SVPWM逆變器簡介 12. SVPWM逆變器根本原理 22.1. SVPWM調(diào)制技術(shù)原理 22.2. SVPWM算法實(shí)現(xiàn) 53. SVPWM逆變器開環(huán)模型 93.1. SVPWM逆變器開環(huán)模型建立 93.2. SVPWM逆變器開環(huán)模型仿真分析 124. SVPWM逆變器閉環(huán)模型 144.1. SVPWM逆變器閉環(huán)模型建立 144.2. SVPWM逆變器閉環(huán)模型仿真分析 15SVPWM逆變器簡介三電平及多電平空間矢量調(diào)制(SpaceVectorPulseWidthModulation，SVPWM)法是建立在空間矢量合成概念上的PWM方法。它以三相正弦交流參考電壓用一個(gè)旋轉(zhuǎn)的電壓矢量來代替，通過這個(gè)矢量所在位置附近三個(gè)相鄰變換器的開關(guān)狀態(tài)矢量，利用伏秒平衡原理對(duì)其擬和形成PWM波形?？臻g矢量調(diào)制方法在大范圍調(diào)制比內(nèi)有很好的性能，具有很小的輸出諧波含量和較高的電壓利用率。而且這種方法對(duì)各種目標(biāo)的控制相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。SVPWM技術(shù)源于三相電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)。隨著數(shù)字化控制手段的開展，在UPS/EPS、變頻器等各類三相PWM逆變電源中得到了廣泛的應(yīng)用。與其他傳統(tǒng)PWM技術(shù)相比，SVPWM技術(shù)有著母線電壓利用率高、易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)、算法靈活便于實(shí)現(xiàn)各種優(yōu)化PWM技術(shù)等眾多優(yōu)點(diǎn)。SVPWM逆變器根本原理SVPWM調(diào)制技術(shù)原理SVPWM的理論根底是平均值等效原理，即在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)通過對(duì)根本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。在某個(gè)時(shí)刻，電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個(gè)區(qū)域中，可由組成這個(gè)區(qū)域的兩個(gè)相鄰的非零矢量和零矢量在時(shí)間上的不同組合來得到。兩個(gè)矢量的作用時(shí)間可以一次施加，也可以在一個(gè)采樣周期內(nèi)分屢次施加，這樣通過控制各個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉(zhuǎn)，就可以使逆變器輸出近似正弦波電壓。SVPWM實(shí)際上是對(duì)應(yīng)于交流感應(yīng)電機(jī)或永磁同步電機(jī)中的三相電壓源逆變器功率器件的一種特殊的開關(guān)觸發(fā)順序和脈寬大小的組合，這種開關(guān)觸發(fā)順序和組合將在定子線圈中產(chǎn)生三相互差120°電角度、失真較小的正弦波電流波形。實(shí)踐和理論證明，與直接的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)相比，SVPWM的優(yōu)點(diǎn)主要有：(1)SVPWM優(yōu)化諧波程度比擬高，消除諧波效果要比SPWM好，實(shí)現(xiàn)容易，并且可以提高電壓利用率；(2)SVPWM比擬適合于數(shù)字化控制系統(tǒng)。目前以微控器為核心的數(shù)字化控制系統(tǒng)是開展趨勢(shì)，所以逆變器中采用SVPWM應(yīng)是優(yōu)先的選擇。對(duì)稱電壓三相正弦相電壓的瞬時(shí)值可以表示為：(2.1)其中Um為相電壓的幅值，ω=2πf為相電壓的角頻率。圖2.1為三相電壓的向量圖，在該平面上形成一個(gè)復(fù)平面，復(fù)平面的實(shí)軸與A相電壓向量重合，虛軸超前實(shí)軸，分別標(biāo)識(shí)為Re、Im。在這個(gè)復(fù)平面上，定義三相相電壓ua、ub、uc合成的電壓空間矢量為：(2.2)圖2.1電壓空間矢量三相電壓型逆變器電路原理圖如圖2所示。定義開關(guān)量a，b，c和a'，b'，c'表示6個(gè)功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)a，b或c為1時(shí)，逆變橋的上橋臂開關(guān)管開通，其下橋臂開關(guān)管關(guān)斷(即a'，b'或c'為0)；反之，當(dāng)a，b或c為0時(shí)，上橋臂開關(guān)管關(guān)斷而下橋臂開關(guān)管開通(即a'，b'或c'為1)。由于同一橋臂上下開關(guān)管不能同時(shí)導(dǎo)通，那么上述的逆變器三路逆變橋的組態(tài)一共有8種。對(duì)于不同的開關(guān)狀態(tài)組合(abc)，可以得到8個(gè)根本電壓空間矢量。各矢量為：(2.3)那么相電壓Van、Vbn、Vcn，線電壓Vab、Vbc、Vca以及的值如下表2.1所示〔其中Udc為直流母線電壓〕。圖2.2三相電壓型逆變器原理圖表2.1開關(guān)組態(tài)與電壓的關(guān)系abcVanVbnVcnVabVbcVca00000000001002Udc/3-Udc/3-Udc/3Udc0-Udc010-Udc/32Udc/3-Udc/3-UdcUdc0110Udc/3Udc/3-2Udc/30Udc-Udc001-Udc/3-Udc/32Udc/30-UdcUdc101Udc/3-2Udc/3Udc/3Udc-Udc0011-2Udc/3Udc/3Udc/3-Udc0Udc1110000000可以看出，在8種組合電壓空間矢量中，有2個(gè)零電壓空間矢量，6個(gè)非零電壓空間矢量。將8種組合的根本空間電壓矢量映射至圖1所示的復(fù)平面，即可以得到如圖3所示的電壓空間矢量圖。它們將復(fù)平面分成了6個(gè)區(qū)，稱之為扇區(qū)。圖2.3電壓空間矢量與對(duì)應(yīng)的〔abc〕示意圖SVPWM算法實(shí)現(xiàn)SVPWM的理論根底是平均值等效原理，即在一個(gè)開關(guān)周期TPWM內(nèi)通過對(duì)根本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。本文采用電壓矢量合成法實(shí)現(xiàn)SVPWM。如上圖3所示，在某個(gè)時(shí)刻，電壓空間矢量旋轉(zhuǎn)到某個(gè)區(qū)域中，可由組成這個(gè)區(qū)域的兩個(gè)相鄰的非零矢量(和)和零矢量()在時(shí)間上的不同組合來得到。先作用的稱為主矢量，后作用的稱為輔矢量，作用的時(shí)間分別為TK和TK+1，作用時(shí)間為To。以扇區(qū)I為例，空間矢量合成示意圖如圖4所示。根據(jù)平衡等效原那么可以得到下式：(2.4)(2.5)(2.6)式中，T1，T2，T0分別為，和零矢量和的作用時(shí)間，θ為合成矢量與主矢量的夾角。圖2.4電壓空間矢量合成示意圖要合成所需的電壓空間矢量，需要計(jì)算T1，T2，T0，由圖2.14可以得到：(2.7)將式(6)及∣∣＝∣∣＝2Udc/3和∣∣=Um代入式(7)中，可以得到：(2.8)取SVPWM調(diào)制深度，在SVPWM調(diào)制中，要使得合成矢量在線性區(qū)域內(nèi)調(diào)制，那么要滿足，即。由此可知，在SVPWM調(diào)制中，調(diào)制深度最大值可以到達(dá)1.1547，比SPWM調(diào)制最高所能到達(dá)的調(diào)制深度1高出0.1547，這使其直流母線電壓利用率更高，也是SVPWM控制算法的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)。(1)判斷電壓空間矢量Uout所在的扇區(qū)判斷電壓空間矢量Uout所在扇區(qū)的目的是確定本開關(guān)周期所使用的根本電壓空間矢量。用Uα和Uβ表示參考電壓矢量Uout在α、β軸上的分量，定義Uref1，Uref2，Uref3三個(gè)變量，令：(2.9)再定義三個(gè)變量A，B，C通過分析可以得出：假設(shè)Uref1>0，那么A=1，否那么A=0；假設(shè)Uref2>0，那么B=1，否那么B=0；假設(shè)Uref3>0，那么C=1，否那么C=0。令N=4*C+2*B+A，那么可以得到N與扇區(qū)的關(guān)系，通過下表2.2得出Uout所在的扇區(qū)(如圖2.3)。表2.2N與扇區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系N315462扇區(qū)ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ(2)確定各扇區(qū)相鄰兩非零矢量和零矢量作用時(shí)間由圖4可以得出：(2.10)那么上式可以得出：(2.11)同理，以此類推可以得出其它扇區(qū)各矢量的作用時(shí)間，可以令：(2.12)可以得到各個(gè)扇區(qū)T1、T2、T0作用的時(shí)間如下表2.3所示。表2.3各扇區(qū)T1、T2、T0作用時(shí)間N123456T1ZY-Z-XX-YT2Y-XXZ-Y-ZT0TPWM＝Ts-T1-T2如果當(dāng)T1+T2>TPWM，必須進(jìn)行過調(diào)制處理，那么令:(2.13)(3)確定各扇區(qū)矢量切換點(diǎn)定義：(2.14)三相電壓開關(guān)時(shí)間切換點(diǎn)Tcmp1、Tcmp2、Tcmp3與各扇區(qū)的關(guān)系如下表2-4所示。表2.4各扇區(qū)時(shí)間切換點(diǎn)Tcmp1、Tcmp2、Tcmp3N123456Tcmp1TbTaTaTcTcTbTcmp2TaTcTbTbTaTcTcmp3TcTbTcTaTbTa為了限制開關(guān)頻率，減少開關(guān)損耗，必須合理選擇零矢量000和零矢量111，使變流器開關(guān)狀態(tài)每次只變化一次。假設(shè)零矢量000和零矢量111在一個(gè)開關(guān)周期中作用時(shí)間相同，生成的是對(duì)稱PWM波形，再把每個(gè)根本空間電壓矢量作用時(shí)間一分為二。例如圖1-4所示的扇區(qū)I，逆變器開關(guān)狀態(tài)編碼序列為000，100，110，111，110，100，000，將三角波周期TPWM作為定時(shí)周期，與切換點(diǎn)Tcmp1、Tcmp2、Tcmp3比擬，從而調(diào)制出SVPWM波，其輸出波形如圖5所示。同理，可以得到其它扇區(qū)的波形圖。圖2.5扇區(qū)I內(nèi)三相PWM調(diào)制方式SVPWM逆變器開環(huán)模型SVPWM逆變器開環(huán)模型建立SVPWM仿真模塊圖如圖3.1所示，對(duì)其逆變電路進(jìn)行了開環(huán)研究仿真，其中仿真參數(shù)設(shè)置如下：直流電壓Udc=400V，TPWM=0.0001s，給定三相參考相電壓有效值220V。圖3.1SVPWM仿真模型圖圖3.2三相到兩相靜止變換圖3.3扇區(qū)N判斷圖3.4t1和t2計(jì)算圖3.5計(jì)算切換時(shí)間tcm1tcm2tcm3SVPWM逆變器開環(huán)模型仿真分析由前面建立的模型，進(jìn)行仿真計(jì)算，得出以下結(jié)果。圖3.6為線電壓仿真波形，圖3.7為SVPWM調(diào)制電流輸出頻譜圖，圖3.8為SVPWM調(diào)制電壓輸出頻譜圖。圖3.6線電壓仿真波形圖3.7SVPWM調(diào)制電流輸出頻譜圖3.8SVPWM調(diào)制電壓輸出頻譜分析仿真結(jié)果圖3.6到圖3.8，可以得出以下結(jié)論：1、SVPWM調(diào)制下的輸出電流總諧波畸變?yōu)橛?.74％，說明SVPWM調(diào)制下的輸出電流的諧波含量小，諧波畸變率也很小，有很好的抑制諧波效果；2、SVPWM調(diào)制下的直流電壓利用率為，說明SVPWM調(diào)制下直流電壓利用率很高，在電壓利用率上具有明顯優(yōu)勢(shì)。SVPWM逆變器閉環(huán)模型現(xiàn)代逆變系統(tǒng)也是一種控制系統(tǒng)，也是通過調(diào)節(jié)一個(gè)或幾個(gè)參考值來改變逆變系統(tǒng)的輸出。現(xiàn)代逆變系統(tǒng)也有開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)之分，但是所涉及的現(xiàn)代逆變系統(tǒng)一般都是閉環(huán)系統(tǒng)，因?yàn)殚_環(huán)系統(tǒng)的輸出在電網(wǎng)電壓和負(fù)載變化時(shí)，根本沒有穩(wěn)定作用，控制效果太差，幾乎不能滿足任何一種逆變系統(tǒng)的要求。由于三相逆變器系統(tǒng)不要求動(dòng)態(tài)響應(yīng)太快，但對(duì)控制精度要求高，所以這里采用PI調(diào)節(jié)器。SVPWM逆變器閉環(huán)模型建立三相逆變器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖4.1所示。圖4.1三相逆變器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖依據(jù)三相逆變器閉環(huán)系統(tǒng)在MATLAB中建立的