基于SVPWM三相并網(wǎng)逆變器

仿真報告TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"SVPWM逆變器簡介1\o"CurrentDocument"SVPWM逆變器基本原理2SVPWM調(diào)制技術原理2\o"CurrentDocument"SVPWM算法實現(xiàn)5\o"CurrentDocument"SVPWM逆變器開環(huán)模型11\o"CurrentDocument"SVPWM逆變器開環(huán)模型建立11\o"CurrentDocument"SVPWM逆變器開環(huán)模型仿真分析14\o"CurrentDocument"SVPWM逆變器閉環(huán)模型16SVPWM逆變器閉環(huán)模型建立16SVPWM逆變器閉環(huán)模型仿真分析171.SVPWM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的控制相對容易實現(xiàn)。SVPWM技術源于三相電機調(diào)速控制系統(tǒng)。隨著數(shù)字化控制手段的發(fā)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用。與其他傳統(tǒng)PWM技術相比，SVPWM技術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技術等眾多優(yōu)點。2.SVPWM逆變器基本原理2.1.SVPWM調(diào)制技術原理SVPWM的理論基礎是平均值等效原理，即在一個開關周期內(nèi)通過對基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)分多次施加，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實際上是對應于交流感應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觸發(fā)順序和脈寬大小的組合，這種開關觸發(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)技術相比，SVPWM的優(yōu)點主要有：SVPWM優(yōu)化諧波程度比較高，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；SVPWM比較適合于數(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)是發(fā)展趨勢，所以逆變器中采用SVPWM應是優(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：u=Ucosst2_、（2.1）u=Ucos（①t-3兀）2u=Ucos（①t+—兀）

cm3

（2.1）其中Um為相電壓的幅值,3=2nf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平面，復平面的實軸與A相電壓向量重合，虛軸超前實軸90。，分別標識為Re、Im。在這個復平面上，定義三相相電壓ua、ub、uc合成的電壓空間矢量Uou為：TOC\o"1-5"\h\zU=-（u+ud〉+ue-j2兀）=Ue網(wǎng)＜）（2.2）—out3abcmb|Im—?一\uoutReOac,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。定義開關量a，b，c和a'，b'，c'表示6個功率開關管的開關狀態(tài)。當a，b或c為1時，逆變橋的上橋臂開關管開通，其下橋臂開關管關斷（即a'，b'或c'為0）；反之，當a，b或c為0時，上橋臂開關管關斷而下橋臂開關管開通（即a'，b'或c'為1）。由于同一橋臂上下開關管不能同時導通，則上述的逆變器三路逆變橋的組態(tài)一共有8種。對于不同的開關狀態(tài)組合（abc），可以得到8個基本電壓空間矢量。各矢量為：(2.3)2U/,上上、(2.3)U=——d^(a+beJ3+ceJ3")out3!則相電壓VmVbn、吮，線電^’b、Vbc^Vca以及^abc）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開關組態(tài)與電壓的關系abcVanVbnVcnVabVbcVcaout0000000000100叫/3-Udc/3-Ud/3Udc0-Udc-U3dc010-Ud〃2Udc/U/3-UdcUdc0.制-U53dc110瞄Udc/32Udc/0Udc-Udc2Udej001-Udc/3-Udc/32Udc/0-UdcUdc.此-UeJ3dc101Udc/32Udc/Udc/3Udc-Udc0.5?--ue3dc

30112Udc/3Udc/3Udc/3-Udc0Udc■|udej1110000000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種組合的基本空間電壓矢量映射至圖1所示的復平面，即可以得到如圖3所示的電壓空間矢量圖。它們將復平面分成了6個區(qū)，稱之為扇區(qū)。U180U(001)U(101)240300V圖U180U(001)U(101)240300V2.2.SVPWM算法實現(xiàn)SVPWM的理論基礎是平均值等效原理，即在一個開關周期TpwM內(nèi)通過對基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。本及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U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(Uk和Uk+1)和零矢量(u0)在時間上的不同組合來得到。

先作用的匕稱為主矢量，后作用的UK+1稱為輔矢量，作用的時間分別為Tk和Tk+1,U000作用時間為T。。以扇區(qū)I為例，空間矢量合成示意圖如圖4所示。根據(jù)平衡等效原則可以得到下式：-一TU=TU+TU+T(U或U)(2.4)PWMout102600000111T+T+T=T(2.5)120PWM—>-T一一U=-^U<1ToPWM(2.6)TU=-^U2T60PWM—式中，"上上分別為U,U和零矢量U和U的作用時間，。為合成矢量與0_60_000111主矢量的夾角。PuPUPuPU1T1UU0圖2.4電壓空間矢量合成示意圖(2.7)要合成所需的電壓空間矢量，需要計算T1zT2,To，由圖2.14可以得到：(2.7)U1out1L=—U1U2sin2兀/3sin(冗/3-0)sin0將式(6)及|U。|二|氣。|亍2Udc/3和|Ut|=U"代入式(7)中，可以得到:r"^1-^L-rsimm—o)UPWM3der^lrrsinoUPWMdeTnT(1—^^n-cosM—o))oPWMU6廠de弱SVPWM遍迪痛網(wǎng)M4U-u甬SVPWMmde(2.8)岡M毋遍迪、涅凋副沌/7HUIA2U73、SMn2f^lnL1547vl。田兵理尸甬Ou-mdemax迪期網(wǎng)一醐EE。.一547BSVPWM?迪wms—->卅m注汕。(1)善昏冊國H)}畫片*UM孚甬囹卸岡善昏冊國H)}畫片*1|。三孚甬卸岡囹皿物。丑UQ苔U別淵哪#冊國#*u￡mQ/留-tsvw'w^UMc或2、ureflllf瀉*、9、urefl0"QnM(2.9)ref2aBUnIll(ref3aJ3哥泛III宙*a?Bn胃案曰畚在-mUMVO、WAHI、盼WAno一朔UMV°涅bhi'^wbh?甜U%V°WCH1?品匡CH。。。NH4莒+2*B+A?匡凹妄細些NIIIT卸岡囹川洲、ilK-H洲2.2瀚EEuoui孚ms卸岡言幽2.3)。洲2.2Ndlr卸岡S涅目沸洲N315462扇區(qū)IIImIVVVI(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：則上式可以得出：T

u=——1—

aT

PWM

T,

u=―—U

PT60

PWM則上式可以得出：T

u=——1—

aT

PWM

T,

u=―—U

PT60

PWM\u|+-^U10lT60PWM?兀

sin—3兀cos—3(2.10)3TI=^upwMb/3u-Up)dc丁君TT=PWMu2UPdc(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:X=^^PwM"pU

dc

ly后T<Y=PWMUdcT(2.12)Z=^^(_項Ua+"p)dc可以得到各個扇區(qū)T1、T2、T0作用的時間如下表2.3所示。N123456T1ZY-Z-XX-YT2Y-XXZ-Y-ZT0TPWM=Ts-T1-T2表2.3各扇區(qū)T1、T2、T0作用時間如果當t1+t2>tpwm，必須進行過調(diào)制處理，則令:T=-^—T(2.13)T+Tpwm<12T=-^TT+TPWM(3)確定各扇區(qū)矢量切換點(2.13)定義：|Ta=TPWM-T1-T2)/4…<T=T+TJ2(2.14)T=T+T/2"cb2三相電壓開關時間切換點Tcmp1、Tcmp2、Tcmp3與各扇區(qū)的關系如下表2-4所示。表2.4各扇區(qū)時間切換點Tcmp1、Tcmp2、Tcmp3N123456「cmpTbTaTaTcTcTb「cmpTaTcTbTbTaTc「cmpTcTbTcTaTbTa為了限制開關頻率，減少開關損耗，必須合理選擇零矢量000和零矢量111，使變流器開關狀態(tài)每次只變化一次。假設零矢量000和零矢量111在一個開關周期中作用時間相同，生成的是對稱PWM波形，再把每個基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比較，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。

kJ—PWMAPWMB—PWMC—T/4T/2T/2T/4T/4T/2T/2T/4/^-^——?UUUUUUUU(0000尸L(ioOy1(1160)(11111)(11111)(1160)(100)(000)Trirtrabc圖2.5扇區(qū)I內(nèi)三相PWM調(diào)制方式lAIMdASI?°ao乙乙剔麝身可由困掛辱困三舌密sTooo-o=NMdiAoov=Dpn可由驟草:±a$?W<草鄒中茸'蕈鄒捋地蟲狂工?忠用睡煎茸秘'工坦TT國此國諂爵蕈鄒NMdAS臣畿茬爵也好器至梨NMdAST￡盅靖也曜砌NMdAS￡

圖3.3扇區(qū)N判斷

圖3.5計算切換時間tcmltcm2tcm33.2.SVPWM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3flnoiFFIRpfiwlTDsplay:0SignalFundamental(3DHz)=5.705.FFIRpfiwlTDsplay:0SignalFundamental(3DHz)=5.705.THD=1.74%6q.21日.5q

L1-1.o.o.o.『-EcBEEPUnLL-0曜)*是IFFTSlartlimeO)：p.1Nuni>a'ofcvdes:13FundAmentejTreenjencyQ-t):50Max1r&quency(Hz):SOIrc-zjuencyfarIHDEDinputatiDn:NyqudtfrequencyDisplayfflyle:E^rtofundamental)Bsat觀lue:|i□FrequDncyaxis:|MertzDismay:Clog圖3.7SVPWM調(diào)制電流輸出頻譜3gnd^100Selectedsignal25cycles.FFTwindow(inred):3gnd^100Selectedsignal25cycles.FFTwindow(inred):18cycles2001:1-200MHllllllllll-J00O.CE01D.150.2D.250.30350.40.^50.5Time(s]FFrcrdyslsFundamental(50Hz)=FFrcrdyslsFundamental(50Hz)=390.7.THD=52.13%352515o2.1LI商LUBE蕓tin」■沼巨siertlime(s):b.1Muntrerofcydes:?i3Fundancntolfreciuency(*-￡)：如TOC\o"1-5"\h\zMaxfrsi^uencY(He):350MaxTr^qu^ncyTorTHDcornput^KlDn:NyqUstfrequency■>Disidayrlyle:E=bt(relaliveI:口fundai'neiTt^D■f二..Dimply!Clo^e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%,表明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；SVPWM調(diào)制下的直流電壓利用率為398-7V99.675%表明SVPWM調(diào)制下直流400V，電壓利用率很高，在電壓利用率上具有明顯優(yōu)勢。

4.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?，F(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)響應太快，但對控制精度要求高，所以這里采用pi調(diào)節(jié)器。4.1.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。PI調(diào)節(jié)器PI調(diào)節(jié)