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模板25杨雯电力电子系统设计

湖北工业大学

研究生考试答题纸

考试科目电力电子系统设计

研究生姓名杨雯

学号120151234

任课教师王鹿军

学院、专业电气工程

成绩

二0一六年六月十五日

三相电压型SVPWM逆变电源设计

摘要逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：

直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。

本文通过利用MATLAB设计分析三相电压源型逆变器PWM控制电路的方法，输出电压大小和波形的SVPWM控制基本原理。

给出了基于双极性倍频正弦脉冲宽度调制法的三相电压源型逆变器的仿真实例，使电力电子装置的性能大大提高。

关键字逆变器svpwm电压型电源

1绪论

电源设备广泛应用于科学研究、经济建设、国防设施及人民生活等各个方面，是电子设备和机电设备的基础，她与国民经济各个部门相关，在工农业生产中应用得最为广泛。

可以说，凡是涉及电子和电工技术的一切领域都要用到电源设备。

 逆变技术，逆变技术就是电力电子技术上的使直流变成交流（DC/AC）的一门技术， 是电力电子学四种变换技术中最主要的一种。

它了基本功能是是使交流电能（AC）与直流电能（DC）进行相互变换.它是电力电子技术领域中最为活跃的部分.逆变器就是通过半导体功率开关器件（SCR、GTO、GTR、IGBT和功率MOSFET模块等）开通和关断作用,实现逆变的电能转换装置。

逆变电源具有各种保护和运行控制功能，具有完善的运行参数显示和实时监控，具有远程数据通讯能力，具体如下：

（1）通用性：

不仅可以作为独立电源使用，还可以实现与电网电压的相位同频，实现与电网电压的相互切换，作为后备式正弦波UPS使用，不可以广泛应用于电力、邮电铁路等领域。

（2）智能化：

系统有实时的监控系统，可以随时对对象进行监控，对工作参数进行修改调节。

（3）高性能：

立足于产品化设计，采用先进合理的控制策略，实现逆变电源的高效率、高可靠性、高品质。

2逆变电路的介绍

逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：

直流侧是电压源的称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。

当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变；当交流侧直接和负载链接时，称为无源逆变。

换流方式：

（1）器件换流：

利用全控型器件自关断能力进行换流。

（2）电网换流：

由电网提供换流电压。

（3）负载换流：

由负载提供换流电压。

（4）强迫换流：

设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管施加反向电压或反向电流的换流方式。

通常利用附加电容上所储存的能量来实现，也称为电容换流。

电压型逆变电路有以下主要特点：

（1）直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。

直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。

（2）由于支路电压源的箝位作用，交流侧输出电压波形位矩形波，并且与负载阻抗角无关。

而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。

（3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。

为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。

3方案设计

三相电压型PWM逆变电源系统原理框图如图1所示，它可以分为四个功能模块：

逆变电路、输出滤波器、驱动电路和SVPWM脉宽调制电路。

整流电路是一个三相DC /AC变换电路，功能是把DC400V的电源进行三相逆变后转换成可在一定范围内调节电压的电源电路。

逆变电路是该电源的关键电路，其功能是实现DC/AC的功率变换，即在逆变电路的控制下把直流电源转换成三相SVPWM波形供给后级滤波电路，形成标准的正弦波。

输出滤波器是由L、C组成，滤去SVPWM波中高频成分。

图1.逆变电源系统原理框图

开关器件选择

绝缘栅双极晶体管（IGBT）是一种新发展起来的复合型功率开关器件，它既有单极型电压驱动的MOSOFT的优点，又结合了双极型开关器件BJT耐高压，电流大的优点。

其开关速度显然比功率MOSFET低，但远高于BJT，又因为它是电压控制器件，故控制电路简单、稳定性好。

IGBT的最高电压为1200V，最大电流为1000A，工作频率高达1000kHz。

它具有电压控制和开关时间（约为300ns）极短的优点。

其正向压降约为3V。

 在现代的UPS中IGBT普遍被用作逆变器或整流器开关器件。

它是全控型开关器件，通过数控技术控制IGBT的通断，能有效地将输入电压与输入电流保持同步，是功率因数等于1，从而减小了UPS整流器对市电电源的干扰。

IGBT具有正反向阻断电压高、通态电压大及通过电压来控制其导通或关断等特点。

同时，由于采用MOS栅，其控制电路的功耗小，导通和关断时的静态功耗也很小，只是在状态转换过程中存在一定的动态损耗。

这种动态损耗也可以通过软开关即使使其达到最小。

由于IGBT具有这些特点，才使其被广泛地作为功率开关期间用于开关和逆变电路中。

4关键技术

4．1电压电流双环控制

逆变器输出的是与电网电压同频同相的电流。

根据模型的数学表达式，该电流与逆变器的输出电压存在一定的线性关系，而输出电压可由相对应的开关信号经逆变器得到（比如给定电压为正弦信号，则可以经过一定计算后控制开关管也输出正弦电压）。

给定电流与给定电压的函数关系可以通过PI系统来近似模拟。

图2.主电路拓扑结构

回路方程:

对上式进行坐标变换后可得：

将电流电压分别移至等式两边：

设计中间变量Ud*和Uq*使得：

即id、iq分别与Ud*、Uq*存在一定关系，可以相互控制转换。

可以由PI运放电路模拟他们之间的关系：

带入回路方程，可以得到逆变器输出电压的方程：

逆变器输出电压经过电感接入电网后构成回路，产生电流id和iq，作为反馈值送入PI运放电路，构成完整的闭环。

4.2SVPWM技术原理

空间矢量脉宽调制SVPWM（SpaceVectorPulseWidthModulation），实际上是对应于交流感应电机或永磁同步电机中的三相电压源逆变器功率器件的一种特殊的开关触发顺序和脉宽大小的组合，这种开关触发顺序和组合将在定子线圈中产生三相互差120°电角度、失真较小的正弦波电流波形。

SVPWM的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。

在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。

两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，从而控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态，从而形成PWM波形。

实践和理论证明，与直接的正弦脉宽调制（SPWM）技术相比，SVPWM的优点主要有：

（1）SVPWM优化谐波程度比较高，消除谐波效果要比SPWM好，实现容易，并且可以提高电压利用率。

（2）SVPWM比较适合于数字化控制系统。

目前以微控器为核心的数字化控制系统是发展趋势，所以逆变器中采用SVPWM应是优先的选择。

对称电压三相正弦相电压的瞬时值可以表示为：

其中Um为相电压的幅值，ω=2πf为相电压的角频率。

图3为三相电压的向量图，在该平面上形成一个复平面，复平面的实轴与A相电压向量重合，虚轴超前实轴

，分别标识为Re、Im。

在这个复平面上，定义三相相电压ua、ub、uc合成的电压空间矢量

为：

图3.电压空间矢量

三相电压型逆变器电路原理图如图3所示。

定义开关量a，b，c和a'，b'，c'表示6个功率开关管的开关状态。

当a，b或c为1时，逆变桥的上桥臂开关管开通，其下桥臂开关管关断（即a'，b'或c'为0）；反之，当a，b或c为0时，上桥臂开关管关断而下桥臂开关管开通（即a'，b'或c'为1）。

由于同一桥臂上下开关管不能同时导通，则上述的逆变器三路逆变桥的组态一共有8种。

对于不同的开关状态组合（abc），可以得到8个基本电压空间矢量。

各矢量为：

图4.电压空间矢量与对应的（abc）示意图

SVPWM的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期TPWM内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。

本文采用电压矢量合成法实现SVPWM。

如上图4所示，在某个时刻，电压空间矢量

旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量（

和

）和零矢量（

）在时间上的不同组合来得到。

先作用的

称为主矢量，后作用的

称为辅矢量，作用的时间分别为TK和TK+1，

作用时间为To。

5仿真分析

图6.主电路部分

主电路直流侧为直流电源接大电容组成，逆变器输出经电感接入三相电网，频率50Hz，直流电容4700μF，逆变器输出电感0.001H，电阻0.5Ω，稳定运行时电容电压700V。

图7.控制电路部分

控制部分采用具有内外环结构的双环控制方式。

外环控制主要以电压为输入，经过控制环节生成内环控制的电流参考值，决定换流器的并网策略和外特性；内环以电流为输入，以外环控制生成的电流参考值作为基准，经过控制环节和换流器装置实现电流入网。

控制结构框图如下：

图8.仿真控制部分原理图

首先，检测电网电压，并网电流和直流侧电容电压，并网逆变器输出电流的检测值ia、ib、ic经过abc/dq坐标变换，转换为同步旋转dq坐标系下的直流量id、iq，将其与电流内环的参考值Idref，Iqref进行比较，并通过相应的PI调节器控制分别实现对id、iq的控制。

d轴电流给定值Idref由电压环给出，反映实时的能量传递；单位功率因数并网时，q轴电流给定值为0。

电网电压的检测值经过abc/dq坐标变换，转换为同步旋转dq坐标系下的直流量ed、eq。

根据上面公式，可得参考电压Ud、Uq，然后经过pwm调制得到并网逆变器相应的开关控制信号Sa、Sb、Sc，送入逆变器开关管，使逆变器输出相对应的电压，从而实现逆变器的并网控制。

dq变换大大简化了控制系统的设计，但是d、q轴电流分量会相互耦合，且其中一相电流的变化会引起另一相电流的变化，不利于电流环控制器的设计，且容易使得系统的动态性能变差。

电流状态反馈的引入，使得d、q轴上的电流实现了解耦独立控制。

同时引入网侧电压前馈补偿，能够进一步提高系统的动态响应性能。

实验中PI参数为Kp=1，Ki=100。

图9.电源输出电压电流

如图，上面部分为电网电压波形，下部为并网电流波形

经过4个周期后，并网电流稳定输出，并且与电网电压保持相位一致。

图10.THD分析

并网电流谐波分析：

THD=2.97%，满足要求。

6结论

基于电感电流内环电压外环的双环控制方法是一种控制效果比较理想的方法。

在加入了电容电压解耦、负载电流扰动补偿以及基准电容电流前馈补偿后，系统具有更好的稳态性能和动态性能，无论对线性还是非线性负载扰动都有比较满意的抑制作用，而且有良好的限流保护功能。

参考文献

[1]  王兆安，刘进军.电力电子技术.5版[M].机械工业出版社，2009. 

[2]  林飞，杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真[M].中国电力出版社，2009. 

[3]邬伟扬，郭小强．无变压器非隔离型光伏并网逆变器漏电流抑制技术[J]．中国电机工程学报，2012，32（18）：

18．

[4]胡兵，张彦虎，赵为，等．光伏发电逆变器拓扑及关键技术综述[J]．电力电子技术，2008，42（4）：

36—38．

[5]王云鹏.三相逆变器并网与孤岛运行控制技术研究[D].燕山大学,2012（5）:

29-38.

[6]史威.三相逆变器SVPWM调制研究[D].华中科技大学,2011

（1）:

7-18.

[7]AniiT,HuaJ9TomU9etal.ControiofParaiieiInvertersinDistributedACSystemswithConsiderationofLineImpedanceEffect[J].IEEETrans.onInds.Appi.,2000,36

（1）:

131!

138.

[8]丁道宏.电力电子技术[M].北京:

航空工业出版杜.1999.

[9]  汤才刚，朱红涛，李莉，陈过桥.基于PWM的逆变电路分析.现代电力电子技术[J]2009. 

[10]  陈国呈.PWM逆变技术与应用.中国电力出版社[M]，2007.