基于SVPWM三相并網(wǎng)逆變器仿真報告

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旋轉(zhuǎn)的電壓矢量來代替，通過這個矢量所在位置附近三個相鄰變換器的開關(guān)狀態(tài)矢量，利用伏秒平衡原理對其擬和形成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。而且這種方法對各種目標(biāo)的控制相對容易實現(xiàn)。SVPWM技術(shù)源于三相電機調(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)字化實現(xiàn)、算法靈活便于實現(xiàn)各種優(yōu)化PWM技術(shù)等眾多優(yōu)點。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，即在一個開關(guān)周期內(nèi)通過對根本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。在某個時刻，電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個區(qū)域中，可由組成這個區(qū)域的兩個相鄰的非零矢量和零矢量在時間上的不同組合來得到。兩個矢量的作用時間可以一次施加，也可以在一個采樣周期內(nèi)分屢次施加，這樣通過控制各個電壓矢量的作用時間，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實際上是對應(yīng)于交流感應(yīng)電機或永磁同步電機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，所以逆變器中采用SVPWM應(yīng)是優(yōu)先的選擇。對稱電壓三相正弦相電壓的瞬時值可以表示為：(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復(fù)平面，復(fù)平面的實軸與A相電壓向量重合，虛軸超前實軸，分別標(biāo)識為Re、Im。在這個復(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個功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)a，b或c為1時，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，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。對于不同的開關(guān)狀態(tài)組合(abc)，可以得到8個根本電壓空間矢量。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個零電壓空間矢量，6個非零電壓空間矢量。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個區(qū)，稱之為扇區(qū)。圖2.3電壓空間矢量與對應(yīng)的〔abc〕示意圖SVPWM算法實現(xiàn)SVPWM的理論根底是平均值等效原理，即在一個開關(guān)周期TPWM內(nèi)通過對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現(xiàn)SVPWM。如上圖3所示，在某個時刻，電壓空間矢量旋轉(zhuǎn)到某個區(qū)域中，可由組成這個區(qū)域的兩個相鄰的非零矢量(和)和零矢量()在時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，作用的時間分別為TK和TK+1，作用時間為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1.1547，比SPWM調(diào)制最高所能到達的調(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控制算法的一個主要優(yōu)點。(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，Uref3三個變量，令：(2.9)再定義三個變量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)各矢量的作用時間，可以令：(2.12)可以得到各個扇區(qū)T1、T2、T0作用的時間如下表2.3所示。表2.3各扇區(qū)T1、T2、T0作用時間N123456T1ZY-Z-XX-YT2Y-XXZ-Y-ZT0TPWM＝Ts-T1-T2如果當(dāng)T1+T2>TPWM，必須進行過調(diào)制處理，那么令:(2.13)(3)確定各扇區(qū)矢量切換點定義：(2.14)三相電壓開關(guān)時間切換點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)時間切換點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在一個開關(guān)周期中作用時間相同，生成的是對稱PWM波形，再把每個根本空間電壓矢量作用時間一分為二。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作為定時周期，與切換點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，對其逆變電路進行了開環(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計算圖3.5計算切換時間tcm1tcm2tcm3SVPWM逆變器開環(huán)模型仿真分析由前面建立的模型，進行仿真計算，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。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)一個或幾個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)，因為開環(huán)系統(tǒng)的輸出在電網(wǎng)電壓和負載變化時，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)不要求動態(tài)響應(yīng)太快，但對控制精度要求高，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