基于MATLAB的SPWM電壓型逆變器的仿真與分析

周勝蘭

摘 要 基于MATLAB軟件中的Simulink和Power System Blochset，建立了以IGBT為開關器件、有數字PI調節器的SPWM電壓型逆變器的仿真模型，分析了主電路及控制電路的工作原理，完成了逆變器輸出特性的仿真。并采用FFT分析工具對仿真結果進行諧波分析。

【關鍵詞】SPWM 電壓型逆變器 數字PI調節器

1 SPWM基本原理

SPWM調節是以等腰三角波為載波，正弦波為調制波，當三角載波與正弦調制波波形曲線相交時，在交點處的時刻點將會產生控制信號，此控制信號便是用來控制功率開關器件的通斷的，如此便可得到一組相等幅值，而脈寬正比于對應區間正弦波曲線函數值的矩形脈沖。每一個矩形脈沖的面積與相應坐標處的正弦波面積一致，因而這一組矩形波與期望的矩形波等效。這種調制法稱為正弦脈沖寬度調制法（SPWM），這種序列的矩形波稱作SPWM波。

2 三相SPWM電壓型逆變器控制系統基本原理

該系統實現的功能是完成電壓的逆變，即將直流輸入電壓變換成交流輸出電壓。由整流二極管構成的不控整流電路為三相橋式逆變器系統提供直流輸入電壓，SPWM實現脈寬調制，數字PI調節器能依據實際要求實時地調節逆變器的輸出電壓幅值，完成調壓控制。三相橋式逆變器的輸出交流電壓中一般含有較高次的諧波，經LC濾波電路后可有效的濾掉高次諧波，最后經全控型器件即組成完整的三相電壓型逆變器。

3 三相SPWM電壓型逆變器的建模與仿真

利用Matlab軟件，在Simulink環境下的Power System仿真工具箱搭建的三相SPWM電壓型逆變器的系統電路模型。

系統主電路實現的是交流-直流-交流的轉換。交流發電機輸出有效值25KV，頻率60HZ，容量10MVA的正弦交流電壓，經過25KV/600V，50kVA的變壓器降壓后，通過一個由二極管構成的三相橋式不控整流電路，再經LC濾波電路濾掉高次諧波獲得的直流電壓，作為逆變器的輸入電壓，該逆變器由絕緣柵雙極型晶體管 IGBT作為開關器件，且載波頻率為2kHZ。經逆變器后的輸出電壓為交流電壓，最后經LC濾波電路后，為負載提供50HZ，380V的供電電壓。該電路的離散采樣周期為 2?s。

下面詳述系統模型中兩個重要子模塊，分別是調壓模塊Voltage Regulator 和PWM發生器模塊Discrete PWM Generator。Voltage Regulator實現的是數字PI調節器的調壓功能，如圖1所示為PI調節子系統模型；Discrete PWM Generator實現的是產生SPWM控制信號，用以控制逆變器IGBT開關管的通斷。

Discrete Virtual PLL和Discrete PI Controller模塊是系統自帶的模塊，前者無需設置輸入信號，可生成離散的正余弦信號。后者即離散PI控制器，實現的是離散的PI調節。得到經park變換后的Vd、Vq值，設置限幅值為1，這是因為，一般情況下，調制波與載波的比值m≤1時，輸出才有意義。PI控制器的常用算法有三種：梯形法、前向歐拉法、后項歐拉法。本模塊中使用的是后項歐拉法。

Discrete PWM Generator是一個離散的PWM脈沖發生器，其內部結構如圖2所示。

PWM脈沖發生器可通過對Generator Mode變量的設定，即電橋橋臂個數（1-4）的選擇，而產生與之對應的脈沖個數，此仿真模型選擇的是3個橋臂，則脈沖發生器將產生6個PWM脈沖。

PWM脈沖發生器中的mIndex、phase和Internal-Phase三個模塊都是常數模塊。其中mIndex可設定調制信號m，即調制正弦波的幅值。12：34是時鐘模塊，提供時間信息t，它與增益模塊K=2*pi*Freq（ω=2πf）相乘，就得到了ωt；Phase與增益模塊pi/180相乘，即將相位角轉換到幅度。三者經求和模塊后，再經正弦波發生器，即可得到幅值為1的離散型正弦波信號。乘法器將該正弦波信號與mIndex（調制信號m）相乘，就得到了幅值為 m的正弦調制信號。

Signals作為輸入模塊，其后是具有三個輸入端子的開關模塊：當輸入端2，即Internal的值≥Threshhold（=0.5）時，則輸入端1可通過，輸入端3則被截斷；反之，輸入端1被截斷，則輸入端3可通過，即輸出Signals信號。

4 仿真結果

啟動模擬仿真。經過了大約50毫秒的過渡階段，系統達到穩定狀態。通過scope1觀察直流母線電壓波形、變頻器輸出和載荷，其仿真結果如圖7所示。變頻器產生的在2千赫周圍的諧波被LC濾波器所過濾。

負荷電壓的峰值為537伏（380 Vrms）。在穩態時，平均調制比m = 0.80，直流側平均電壓為778 V。因此，經過逆變器斬波后頻率為50赫茲的基波的相電壓為：Vab=778* 0.612 * 0.80 = 381 V rms。

接下利用快速變換（FFT）分析工具對其仿真輸出電壓進行諧波分析。首先打開Powergui并且選擇‘FFT Analysis

通過觀察分析結果可知，最大諧波含量為1.4%，總的諧波含量為2%。

5 結束語

本文利用Matlab軟件中Simulink和PowerSystem Blochset模塊，建立了具有數字PI調壓控制功能的三相SPWM逆變電源仿真模型。仿真實例結果表明該仿真模型準確性，完全可用于定量分析計算逆變電源的輸出特性。

參考文獻

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作者單位

武漢工程大學郵電與信息工程學院 湖北省武漢市 430070