電壓空間矢量脈寬調制技術的改進算法與仿真研究

何 笠，蔣超利，高 嵬，孫 軍

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電壓空間矢量脈寬調制技術的改進算法與仿真研究

何 笠，蔣超利，高 嵬，孫 軍

（海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033）

本文對空間矢量脈寬調制技術的基本原理進行了詳細的分析與研究，分析了電壓空間矢量脈寬調制技術的調制波。并利用MATLAB仿真軟件中的SIMULINK搭建SVPWM的仿真模型，對所搭建的模型做適當的改進，提出了一種新的改進算法，最后與經典SVPWM仿真模塊進行對比，驗證了改進的可行性與有效性，為實際SVPWM變流器的設計提供了新的設計思路。

SVPWM 脈寬調制 MATLAB 改進算法

0 引言

隨著電力電子技術的發(fā)展和功率半導體開關器件性能的提高，電力電子裝置在國民經濟各領域中取得了廣泛的應用。作為電力電子裝置的一項核心技術，PWM調制技術因其具有輸入電流正弦、功率因數高且諧波含量低等優(yōu)點得到了廣泛的應用與研究。傳統(tǒng)SPWM調制技術比較適合于模擬電路實現，不適應于現代電力電子技術數字化趨勢的發(fā)展。與傳統(tǒng)SPWM脈寬調制技術相比，SVPWM不僅具有更低的高次諧波含量，而且利于數字化實現，逐漸成為國內外學者的關注的重點，得到了越來越廣泛的應用。

1 SVPWM脈寬調制技術的基本原理

1.1 空間電壓矢量

電壓空間矢量是按照電壓所加在繞組的空間位置來定義的。電動機的三相定子繞組可以定義一個三相平面靜止坐標系，即三相靜止ABC坐標系。

ABC在空間上靜止不動，他們之間的相位差是120。，三相電壓U()、U()、U()分別加在ABC上，方向和軸線方向一致，大小隨時間按正弦規(guī)律變化。假設U為相電壓的幅值，為電源頻率，則

1.2 開關狀態(tài)

圖1 三相PWM逆變器

三相逆變器的結構如圖1所示，用、、表示三相逆變器的上下橋臂的開關，當、、為1時，表示相應橋臂的上橋臂導通，當、、、、為0時，表示相應的相應橋臂的下橋臂導通。整個電路有23=8種開關狀態(tài)，即：100、110、010、011、001、101、111、000。其中前六個工作狀態(tài)時有效的，稱為非零矢量，后兩個工作狀態(tài)稱為零矢量。

采用clark變換，可以將三相靜止A-B-C坐標系轉化成兩相靜止坐標系，對應的轉換關系如下：

表1、與開關函數之間的對應關系

2 SVPWM仿真模型的搭建

通常情況下，SVPWM的調制方案分為三個步驟：

2) 判斷相鄰電壓矢量開關所作用的時間；

3) 根據開關所作用的時間合成三相PWM信號；

2.1 判斷合成矢量所在的扇區(qū)

由伏秒平衡原理，可得在任意扇區(qū)的滿足式：

零矢量不產生輸出電壓，但可以填補有效矢量作用時間部分的不足。計算各個矢量的作用時間為：

2.2 計算A、B、C三相開關的作用時間

由前面的推導計算出相應扇區(qū)中相鄰兩個矢量的作用時間和1，再根據上面的矢量作用方式計算出各橋臂的開啟時間、、。

3 仿真分析

系統(tǒng)的主電路如下圖2所示：主電路圖是由6個IGBT反并聯(lián)二極管組成的橋式電路，負載端先通過一個LC濾波器然后接三相負載，通過觀察濾波前后三相負載BC兩端的線電壓和相電壓的波形來檢驗SVPWM調制的作用效果，其中濾波器中的電感參數設置為2 mH，濾波電容的參數為30 kVar，所用matlab為matlab2015b版本，仿真算法采用ode23t(mod. Stiff/Trapezoidal)，相對誤差為1e-3，仿真時間設置為2 s，仿真波形如圖3所示。

對濾波前后BC間的線電壓和B相的相電壓進行傅里葉分析，觀察總諧波系數THD的大小，并以THD的大小來反應波形的質量，THD越小，則波形的質量越高。所得到的FFT分析如下圖e和圖f所示，由圖e和圖f可以看出，采用SVPWM調制后，濾波后得到的波形基波頻率為50 Hz，THD的值均為0.48%，THD的值很小，說明濾波后得到的波形諧波含量比較低，所得到波形的質量很高，也體現了SVPWM的特性。

圖2 仿真系統(tǒng)主電路

4 改進SVPWM算法

圖3 經典SVPWM仿真波形圖

通過上面的分析可得，以上在某扇區(qū)的合成方法是利用相鄰兩電壓和零矢量按照伏秒平衡原理來合成的，其中零矢量可以是SV0和SV7的組合，也可以單獨選用SV0或SV7；零矢量的作用時刻也可以選擇。上述所述的矢量合成式SVPWM 的控制策略在每個采樣周期內是平均分配零矢量的，它屬于連續(xù)脈寬調制方式。與常規(guī)SPWM調制方式相比，這種調制方式除了直流側電壓利用率得到顯著提高外，它的另一個優(yōu)點就是因為每次電壓矢量的變化只有一個功率器件動作，因此在每個電壓周期內逆變器的總開關次數得到顯著減少，開關損耗和電流諧波含量顯著減少。

通過合成矢量順序的不同，特別是零矢量作用時間的不同分配，即可改變其相電壓的調制函數，從而得到以降低開關次數和開關損耗為顯著特點的各種優(yōu)化策略。觀察圖11中的電壓空間矢量可以發(fā)現，任意相鄰三個矢量狀態(tài)都有且僅有一位相同(為1或-1 )。因此，如果在三個相鄰矢量所夾扇區(qū)內固定選用一個適當的零矢量，可使每一相在一個周期內有連續(xù)的扇區(qū)開關不需要開通和關斷；同時，任意兩個相鄰矢量和一個選定的零矢量（SV0或SV7）三者有且僅有一位相同。這就說在任何一個扇區(qū)內無論零矢量如何分配，最多只能保證一相橋臂不開通關斷，或者說任何一個扇區(qū)內不可能有兩個橋臂同時處于不開通或關斷狀態(tài)，即在三相開關狀態(tài)對稱的條件下，每相橋臂在一個周期內最多可有兩個不開關扇區(qū)。總之，在SVPWM控制方式中，適當地分配零矢量，在采樣周期不變的前提下，每相每周期最多可有兩個扇區(qū)不開關，從而最多可將開關總次數減少三分之一。

本文將采用僅用零矢量SV0的方法對經典SVPWM調制技術進行改進，由分析可知，在扇區(qū)1、2中，c相保持不變，上斷下通；在扇區(qū)3、4中，a相保持不變，上斷下通；在扇區(qū)5、6中，b相保持不變，上斷下通。

改進后的整個系統(tǒng)的仿真模型如圖4所示，運行改進后的模型，得到仿真波形如圖5所示。

由上圖可知，改進后的BC的線電壓和B相的相電壓的諧波含量THD分別是0.39%和0.40%，與改進前相比，諧波含量分別減少了0.09%和0.08%，證實了改進方法的正確性與有效性。

圖4 改進后系統(tǒng)的完整仿真圖

圖5 改進SVPWM仿真波形圖

5 結論

本文詳細分析了SVPWM調制技術的基本原理和仿真模型的搭建過程，通過matlab的仿真，驗證了所搭建SVPWM調制模塊的正確性，同時提出了一種單一零矢量的改進方式，與經典SVPWM調制方式相比，所得的線電壓和相電壓的總諧波含量分別下降了0.09%和0.08%。驗證了改進算法的可行性與有效性。

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The Improved Algorithm and Simulation Research of SVPWM Technology

He Li, Jiang Chaoli, Gao Wei, Sun Jun

（Naval University of Engineering College of Electrical Engineering, Wuhan 430033, China）

TN787

A

1003-4862（2018）08-0051-05

2018-04-28

何笠（1991-）男，講師，研究方向：電力電子技術和無線電能傳輸技術。E-mail: 502075389@qq.com