逆变电路的MATLAB仿真研究.docx
《逆变电路的MATLAB仿真研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《逆变电路的MATLAB仿真研究.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
逆变电路的MATLAB仿真研究
1绪论
1.1MATLAB仿真技术简介
MATLAB是一种集数学、分析、可视化、算法开发与发布于一体的软件平台，本课题要求逆变器变换电路的工作原理，利用MATLAB和Simulink为基础，完成电力电子器件以及逆变器变换电路的建模及仿真和各种负载下的输出波形分析。
并以此为基础掌握MATLAB/Simulink对一个动态系统进行建模、仿真和分析的基本方法[2]。
Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
Simulink具有使用面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点,并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号的复杂仿真和设计。
在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统[3]。
Simulink是MATLAB中的一种可视化工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一种软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的系统中的不同部分有不同的采样速率[5]。
为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以直接看到系统的仿真结果,这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成。
同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
构架在Simulink基础之上提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具,同时其他产品扩展了Simulink多领域建模功能。
Simulink可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。
本文主要用到电子库中的电力电子元器件和电力电子组件。
进行电力电子仿真时主电路可以直接直接使用苦力使用的桥式电路，也可以自己使用分立元件构建。
这些电力电子器件中含有电感，如果电感值不是设置为0则电力器件具有电流源的性质，器件的缓冲电路一般不能去掉，因为在没有连接缓冲电路时不能事先与电感或电流源相连接，也不能开路工作，因此。
在含有电力电子器件的电路或系统仿真时，仿真算法一般采用如ode23tb、ode15s等刚性积分算法，这样可以得到较快的仿真速度。
1.2研究逆变技术的意义
逆变，是对电能进行变换和控制的一种基本形式，逆变技术在风力发电系统中是一个极其关键的技术，在小型风力发电系统中的使用日益广泛，它承担着将直流电调制成稳压稳频的交流电直接供给负载的任务。
而现代逆变技术综合了现代电力电子器件的应用、现代功率变换、模拟和数字电子技术、PWM技术、频率及相位控制技术等一门实用技术，已被广泛的用于工业和民用领域中的各种功率变换系统和装置中[11]。
近年来，关于电力变换、电动机调速、不间断电源、逆变弧焊电源等各种系统都是逆变技术的应用领域，对于从事电力电子技术研究的工作人员来说，全面掌握现代逆变技术的系统知识就能容易的从事电力电子各方面的设计和研究工作。
由于功率半导体元件的进步、微机处理机的快速发展以及现代控制理论的应用，使得逆变技术在现代工程领域中已经占有相当重要的地位。
由于逆变领域的产品都是高频大功率的产品，这些相关领域的研究、制作与测试，对实验室的实验设备来说是一种重大的考验。
逆变电路是通用变频器核心部件之一，起着非常重要的作用。
它的基本作用是在控制电路的作用下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。
同时逆变电路也是UPS的重要组成部分。
由于通常的电力能源例如发电机、电网和蓄电池等均属于电压源，在储能效率和储能元件的体积、价格方面，VIS中的储能元件电容器与CSI中的储能元件电感器相比都具有明显的优势。
随着超导技术的发展，电流型逆变器中的储能效率问题得到很好地解决，但是电压型逆变器及其控制方法的研究工作一直是人们的研究重点。
虽然电流型逆变器相关理论的研究相对较少应用也不如电压型逆变器应用广泛，但是电流型逆变器在实际应用中也有其独特性，尤其适用于大功率变流系统已经有特殊需求的应用领域。
1.3逆变电路的发展现状
现代逆变技术这门学科是建立在工业电子技术、现代电力电子技术、半导体器件技术、现代控制技术、脉宽调制技术、半导体变流技术、磁性材料等学科基础上的一门实用技术，是研究现代逆变电路的理论和应用设计方法的一门学科。
半导体功率集成器件及其应用、功率变换电路和逆变控制技术是现代逆变技术主要的三个部分，逆变的目的是为了获得不同的稳定或变化形式的电能[11]。
在现代逆变技术的应用领域中，由磁放大式到硅二极管整流式，再到可控硅（晶闸管）整流式，直至发展到逆变式（或者叫开关式），许多用电设备和系统都有一个发展的过程。
这不仅是因为采用逆变技术有很多优越性，更重要的还是现代电力电子技术的发展为逆变技术的采用提供了必要的条件。
首先逆变电路能够灵活的输出电压和电流的幅度和频率。
其次能够将蓄电池中的直流电转化成交流电。
然后，可以明显的减小用电设备的体积和重量。
最后逆变电路动态响应快，控制性能好，电气性能指标好，保护快，高效节能。
随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高平，逆变技术在很多领域应用越来越广泛，其中主要包括交流电动机调速，电动机制动再生能量回馈，不间断电源系统，感应加热，弧焊电源，通信开关电源，变频电源，风力发电，直流输电，磁悬浮列车，通用型直流电源变换器等等多个方面。
2逆变电路的工作原理简介
在电力电子技术中,而把直流电能变换成交流电能的过程则称之为逆变,通常把交流电能变成直流电源的过程称为整流,它是逆变的逆过程。
如果把该电路的交流侧接到交流电源上,把直流电能经过直—交变换,逆变成与交流电源同频率的交流电返回到电网中,称之为有源逆变，不接电网则称作无缘逆变，因此在逆变电路中,按照负载性质的不同,逆变电路可以分为有源逆变和无缘逆变。
以图1（a）单相桥式逆变电路为例说明其最基本的工作原理。
图中S1-S4是桥式电路的四个桥臂，它们由电力电子器件和他们的辅助电路组成。
当开关S2、S3闭合，开关S1、S4断开时，负载电压u0为负；负载电流和电压当开关S1、S4闭合，开关S2、S3断开的时候，负载电压u0为正，其波形如图1（b）所示。
这样把直流电变成交流电，改变两组开关的切换频率，就可以改变输出交流电的频率。
这就是逆变电路的工作原理。
（a）
（b）
图1逆变电路原理图及其波形举例
当负载为电阻时，负载电流i0和负载电压u0的波形形状和相位均相同。
当负载为阻感时，负载电流i0相位滞后于负载电压u0，二者波形的形状也不同，图1（b）给出的就是阻感负载时的i0波形。
设t1时刻以前S1、S4导通，u0和i0均为正。
在t1时刻断开S1、S4，同时合上S2、S3，则u0的极性立刻变为负。
但是其电流方向不能立即改变只能维持原方向，因为负载中有电感。
这时负载电流从直流电源负极流出，经、负载和流回正极，负载电流逐渐减小，到时刻降为零，之后才反向并逐渐增大，于此同时负载电感中储存的能量向直流电源反馈。
开关S2、S3断开，S1、S4闭合时的情况类似。
电流从一个支路向另一个支路转移的过程成为换流，换流也常称为换向相。
换流过程中，有的支路从通态转移到断态，有的支路从断态转移到通态。
换流方式一般分为器件换流、电网换流、负载换流等、强迫换流等。
本文进行了单相方波逆变电路、三相方波逆变电路、单相SPWM逆变电路、三相SPWM逆变电路的仿真，其中主要以单相SPWM逆变电路的仿真分析为例进行介绍，桥式逆变电路按电路结构可分为全桥和半桥式逆变电路，半桥式电路比较简单，全桥电路较复杂而变换容量较大，本文采用单相桥式逆变电路为例进行分析。
3方波逆变电路的仿真研究
3.1单相方波逆变电路的仿真研究
3.1.1单相方波逆变电路的数学分析
单相全桥逆变电路如图2（a）所示，是由一个大小为Ud的直流电压源和两个桥臂组成，每个桥臂包括两个全控器件。
图2（b）为该电路的基本波形，，两路频率为f,占空比为50%的周期互补信号分别控制全桥电路的两组斜对角功率开关S1、S4和S2、S3。
当S1、S4导通时，逆变电路输出电压u0等于Ud，当开关S2、S3导通时，u0等于-Ud，因此u0为一个与驱动信号同频率，正负幅值均为Ud的交变方波电压。
（a）单相全桥逆变电路
（b）全桥方波逆变电路及基本波形
图2单相方波逆变电路及其基本波形
按照图2（a）所示的参考方向，假定电路已进入稳态，在t0时刻，S1、S4的们驱动信号到达，同时S2、S3因门驱动信号撤除而关断，输出电压为Ud。
由于负载的电感性质，负载电流之后负载电压一个角度，在此期间负载电压为负的，这意味着在t0时刻负载电流从S2、S3切换到桥臂对管S1、S4的反并联二极管D1、D4，这一过程称为强制换流。
此后负载电感的磁场储能向直流母线馈送，负载电流的绝对值指数下降，直到负载电流过零。
在t1时刻，负载电流达到零值并开始转变方向与u0同向，电流从二极管D1、D4自然转移到同桥臂的S1、S4这一过程称为自然换流。
此后能量由负载向母线传递，负载电流指数上升，直到开关状态改变。
对逆变电路输出电压u0进行傅里叶展开，得
式中
。
输出电压基波峰值为
其有效值为
由上述分析可知，输出电压波形除方波外还包含奇次谐波，第n次谐波幅值与其频率成反比，若忽略较高次谐波，方波逆变电路输出电压的ＴＨＤ大约为45.2%，这一谐波水平不能满足相当部分的交流负载的要求。
直流电压利用率是逆变电路的一个重要指标，它的物理含义是表示一定的幅值的直流电压可以逆变产生的交流输出电压基波峰值或有效值的大小。
方波逆变器输出电压的基波峰值为直流电压的1.273倍，其直流电压利用率相对于其他种类逆变器是相当高的，这也是方波逆变器的最大优点。
3.1.2单相方波逆变电路的仿真分析
3.1.2.1建立仿真模型
第一步建立主电路的仿真模型。
在Simpowersystem的“ElectricalSources”库中选择直流电压源模块，在对话框中将直流电压设置为300V；然后在“PowerElectronics”库中选择四个“IGBT/Diode”模块，组成全桥电路；在“Elements”库中选择串联RLC支路模块，去掉电容后将电阻和电感分别设为1Ω和2mH；在Simpowersystem的“Sink”库中选择“Scope”示波器模块；在的“Simulink”的“SignalRouting”库中选择“Demux”模块，Demux模块的输出接口设为2；按照图2（a）所示将各模块相连，便完成了单相全桥方波逆变器的主电路部分。
第二步再来构造控制部分。
在Simulink的“Sources”库中选择四个“PulseGenerator”模块，幅值为1。
周期为0.02s，频率为50Hz，占空比为50%。
其中两个滞后0s,其输出加在开关1和3的门极，另外两个滞后设为0.01s，其输出加在2和4的门极。
第三步完成波形观测及分析部分。
将串联RLC支路模块的设置为测量电压和电流，再利用“Measurements”库中的“Multimeter”模块就可以观察逆变器的输出电压、电流。
通过串联的电流表可以观察直流电流的波形。
此外，利用“ExtraLibrary”中“Measurements”子库的“TotalHarmonicDistorsion”和“Fourier”模块，可得到逆变器输出方波电压的THD和基波及各次谐波的大小，同时要把模块中的基波频率设为50Hz。
最终完成仿真模型如图3所示。
图3单相方波逆变电路仿真模型
3.1.2.2分析仿真结果
将仿真时间设为0.1s,选择ode45的仿真算法，将绝对误差设为1e-5，运行后可得仿真结果。
图4中自上而下为逆变输出电压的交流电压、电流和直流侧输出波形。
交流电压为正负300V方波电压，周期与驱动信号频率同为50Hz。
交流电流和直流电流波形有阻感负载的特性所决定。
直流电流为负的期间，电流通过反并联二极管流向电源，负载电感的磁场储能向直流母线馈送；直流电流为负的期间，电流通过IGBT流向负载。
若为纯电阻负载，则直流电流无波动。
图4单相方波逆变电路波形图
根据傅里叶变换模块，逆变器输出的交流基波电压的幅值为381.4V与上节数学分析中的理论值相符，交流电压的THD为48.4%。
可见，单相方波逆变电路输出电压的基波幅值大于直流电压，其中电压利用率较高，但同时谐波利用率较高，但同时谐波含量较大，难以满足多数负载的要求。
3.2三相方波逆变电路的仿真研究
3.2.1三相方波逆变电路的数学分析
由于配电负载平衡的要求以及用电设备本身的要求，较大容量的逆变器通常采用三相结构。
其中，桥式结构的电压型三相方波逆变电路应用最为广泛，其主电路如图4所示，由直流电源和三个桥臂组成，负载为星形连接。
当S1导通时，a点接在直流电源正极，当S4导通时，a点接在直流电源负极，b、c点电位是由其上下管的导通状态决定的。
每个桥臂的上下驱动脉冲互补，是占空比为50%的方波，每个开关导通时间为180°。
三相方波逆变电路的基本波形如图5，每个时刻都有三个开关导通，并按照1、2、3、4、5、6的顺序导通，，所以在一个周期内有六种导通模式。
线电压为正负幅值，都是Ud、宽度为180°的方波，三个线电压间各差120°。
以5、6、1三个管子导通时的模式为例，此时负载的a、b与电源正极接通，负载b与电源负极接通，故相电压ubn=-2/3Ud,uan=ucn=1/3Ud,以此类推，可分析出其他导通模式下逆变器各桥臂的工作情况以及工作波形，如图5所示。
相电压每60°就可以发生一次电平变化，波形更加接近于正弦波。
图5三相方波逆变电路原理图
利用傅里叶变换分析得到a、b间线电压和a相电压瞬时值分别为
由上式分析可知，输出电压中没有3的整数次倍谐波，只含更高阶次的奇次谐波，n次谐波的幅值为基波幅值的1/n。
线电压基波幅值为
当逆变电路接的是纯电阻负载时，三个桥臂中的反并联二极管由于不用反馈无功功率，都不用导通，，逆变器从直流母线中吸收直流电流。
当逆变器接感性负载时，逆变器将会与母线之间交换无功功率，直流电流脉动频率是输出电压频率的6倍，而纯电阻负载时则没有脉动。
3.2.2三相方波逆变电路的仿真分析
3.2.2.1建立仿真模型
第一步建立主电路的仿真模型。
在Simpowersystem的“ElectricalSources”库中选择直流电压源模块，在对话框中将直流电压设置为530V；然后在“PowerElectronics”库中选择“UniversalBridge”模块，桥臂数设置为3，构成三相电路，开关器件为带有反并联二极管的IGBT；在“Elements”库中选择三相串联的串联RLC支路模块，在设置为星形连接，额定电压为413V、额定频率50Hz，有功功率为1kW，感性无功功率为100Var，容性无功功率为0；在Simpowersystem的“Sink”库中选择“Scope”示波器模块；在的“Simulink”的“SignalRouting”库中选择“Mux”模块，Mux模块中的输入接口设为6；按照如图4所示将各模块连接，这样就完成了三相方波逆变电路的主电路部分。
第二步再来构造控制部分。
Simulink的“Sources”库中选择四个“PulseGenerator”模块，幅值为1.周期设为0.02s，频率为50Hz，占空比为50%。
各模块依次滞后0.02/6s，即相差60°。
采用“Mux”模块将六路信号合成后加在门极上。
第三步完成波形观测及分析部分。
利用“Measurements”库中的“Multimeter”模块并且将负载的测量量设置为电流和电压即可观察逆变器的输出相电压、相电流和线电压。
通过串联的电流表就可以观察直流电流的波形。
最终的仿真模型如图6所示。
图6三相方波逆变电路仿真模型
3.2.2.2分析仿真结果
利用Simpowersystem中的“powergui”，可对所得波形进行FFT分析。
MATLAB提供的powergui模块有很多种功能，在此次分析研究中主要用到powergui的FFT的分析功能的用法，仿真运行前，选择参数设置菜单，在“DateHistory”中选择选中数据并保存到工作区的选项。
程序运行完成以后，选择powergui的FFT分析功能，选择要分析的信号，设置起始时间，分析的周期数及基波频率即可。
此次仿真过程中将仿真时间设为0.1s,选择ode45的仿真算法，在“powergui”的对话框中选择离散仿真模式，采样时间为10-5s，运行以后点击示波器即可观察到相电压、相电流、线电压和直流电流波形。
如图7所示为a相电压、a相电流、a、b间线电压仿真波形。
图7三相方波逆变电路波形图
逆变器输出的相电压是六阶梯波，相电流和直流电流波形与负载有关。
由图7可知，直流电流波动的频率是逆变器输出电压的6倍。
相电压基波峰值是337.3V，线电压的基波峰值为584.6V,与上述数学分析数值相符。
从图8可知，输出的交流电压不含3的整数倍次谐波，只含更高阶次的奇次谐波。
将显示模式改为列表后，可观察到n次谐波幅值为基波幅值的1/n。
图8三相方波逆变电路谐波分析图
4SPWM逆变电路的仿真研究
4.1单相SPWM逆变电路的仿真研究
4.1.1单相SPWM逆变电路的数学分析
PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制来得到包括形状和幅值在内的所需要的波形。
PWM技术的理论基础为面积等效原理，即将形状不同但冲量相等的窄脉冲加之于具有线性惯性环节时，得到的输出效果基本相同。
这里的效果基本相同指输出输出响应的波形基本相同。
若采用正弦波作为PWM调制波，则称为正弦脉冲宽度调制，常简称为SPWM，是目前应用较多的一种逆变控制技术。
SPWM逆变电路工作原理图如图2（a）所示，其主电路与单相方波逆变电路结构完全相同，不同的是其驱动信号是采用SPWM控制，将宽度变化的窄脉冲作为驱动信号。
PWM控制包括计算法和调制法
SPWM采用频率为fs的正弦波为调制波
载波uc是幅值为Ucm频率为fc的三角波。
载波信号频率fc和调制信号频率f的比值称为载波比，可以用p来表示即
调制深度m定义为正弦调制信号与三角波载波信号的幅值之间的比值
通常采用信号波us与载波uc相比较的方法生成PWM信号：
当us>uc时，功率开关S1、S3就会导通，逆变电路交流端输出电压u0等于直流电压源电压幅值；当us随着开关管以载波频率fc轮番导通，逆变器交流端输出电压u0不断在正负直流电压幅值之间切换。
由于在这种调制方式下，每个开关在一个周期内输出电压的波形都会出现正负两种电平，因此成为双极性SPWM调制。
图9所示为p=15时的单相全桥双极性SPWM信号波及载波的基本波形。
图9双极性SPWM逆变示意图
工程上通常对SPWM逆变器采用电压平均值模型来进行输出基波电压的计算，当载波远高于输出电压基波频率且调制深度小于1时，可知基波电压u1的幅值满足如下关系
上述等式是SPWM的一个重要关系，它表明调制深度小于1和载波信号频率远大于调制波信号的条件下，SPWM逆变电路输出电压的基波幅值随调制深度线性变化。
因此通过控制调制信号的频率和幅值，可方便的调节SPWM逆变电路输出电压的频率和幅值。
在线性控制区内，调制深度m等于1时输出电压的基波幅值达到最大，即直流电压源幅值Ud与单相方波逆变器相比，SPWM逆变器的直流电压逆变率只有单相方波逆变器的0.7854倍，实际上，SPWM并没有一定要求调制深度要小于1，调制深度的增长可以使输出电压“锯齿”减少，基波电压幅值增大。
但是提高调制深度并不能无限提升直流电压利用率，而是以方波逆变工作的情况为上限。
当调制深度大于1时称为过调制。
当调制深度趋于无穷大时，电路工作情况实际就是方波逆变的情况。
因此，过调制除了造成直流电压利用率的有限增加的结果外，还会导致输出电压的低次谐波的大量出现，这与SPWM的初衷是有相当部分的矛盾的。
因此，过调制只能是在某些强调直流电压利用率并且对谐波畸变要求不高的场合有所应用。
SPWM逆变电路可以使输出电压、输出电流比方波逆变电路更接近正弦波，但由于使用了载波和调制波对正弦波进行调制，故一定会产生和载波有关的谐波分量。
产生谐波分量的频率和幅值是衡量SPWM逆变电路性能的重要指标之一。
以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数便可推导出PWM波的傅里叶级数表达式。
双极性调制方式下，单相全桥逆变电路输出电压包含的谐波角频率为
其中，n=1,3,5,…，时，k=0,2,4,…；n=2,4,6,…，时，k=1,3,5,…。
各次谐波对应赋值为
式中Jk为k次贝塞尔函数。
SPWM调制波中含有载波频率的整数倍谐波和它附近的谐波。
随着调制深度的增加，其幅值的相对值逐渐减小，幅值最高并且影响最大的是p次谐波分量。
因为n=1时的下边带衰减很快，因为这一边带输出电压中最靠近基波频率的低次谐波，所以值得考虑的低次谐波大致在p-2次。
由此可见，载波比越高，也就越容易进行滤波，最低次谐波离基波越远，因此，提高载波比就会有效改善输出电压的质量。
但载波比的提高首先受制于开关器件的开关速度，另外，由于开关能量损耗等原因，开关频率在逆变器的设计和运行中还会受到其他多种因素的影响，相应的载波比的大小也有一定限制。
除此此外，在过调制情况下输出的电压还包含比较丰富的低次谐波，其极限运行方式就是方波逆变的输出情况。
4.1.2单相SPWM逆变电路的仿真分析
4.1.2.1建立仿真模型
第一步建立主电路的仿真模型。
在Simpowersystem的“ElectricalSources”库中选择直流电压源模块，在对话框中将直流电压设置为300V；桥臂模块选用“PowerElectronics”库中的“UniversalBridge”模块，桥臂数设置为2，开关器件选择带有反并联二极管的IGBT,即可构成全桥电路；在“Elements”库中选择串联RLC支路模块，去掉电容后将电阻和电感分别设为1Ω和2mH；在Simpowersystem的“Sink”库中选择“Scope”示波器模块；在的“Simulink”的“SignalRouting”库中选择“Demux”模块，Demux模块的输出接口设为2；利用“Measurements”库中的“Multimeter”模块并且将负载的测量量设置为电流和电压。
第二步再来构造双极性SPWM的控制信号的发生部分。
在Simulink的“Source”库中选择“Clock”模块，用以提供仿真时间t，乘以2πf后在通过一个“sin”模块即为sinωt,乘以调整深度m后可得所需的正弦调整信号；由“Source”库中的”RepeatingSequence”模块产生三角载波信号，双击其对话框，设置“TimeValues”为[01/fc/41/fc],设置“Outputvalues”为[0-110]，便可生成频率为fc三角载波；通过Simulink的“LogicandBitOperations”库中的“RelationalOperator”模块进行比较后所得信号即为调制波和载波，再通过适当的处理便可得四路开关信号，如图11所示。
“SignalAt
升级会员 