基于MATLAB的SPWM电压型逆变器的仿真与分析

周胜兰

摘 要 基于MATLAB软件中的Simulink和Power System Blochset，建立了以IGBT为开关器件、有数字PI调节器的SPWM电压型逆变器的仿真模型，分析了主电路及控制电路的工作原理，完成了逆变器输出特性的仿真。并采用FFT分析工具对仿真结果进行谐波分析。

【关键词】SPWM 电压型逆变器 数字PI调节器

1 SPWM基本原理

SPWM调节是以等腰三角波为载波，正弦波为调制波，当三角载波与正弦调制波波形曲线相交时，在交点处的时刻点将会产生控制信号，此控制信号便是用来控制功率开关器件的通断的，如此便可得到一组相等幅值，而脉宽正比于对应区间正弦波曲线函数值的矩形脉冲。每一个矩形脉冲的面积与相应坐标处的正弦波面积一致，因而这一组矩形波与期望的矩形波等效。这种调制法称为正弦脉冲宽度调制法（SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。

2 三相SPWM电压型逆变器控制系统基本原理

该系统实现的功能是完成电压的逆变，即将直流输入电压变换成交流输出电压。由整流二极管构成的不控整流电路为三相桥式逆变器系统提供直流输入电压，SPWM实现脉宽调制，数字PI调节器能依据实际要求实时地调节逆变器的输出电压幅值，完成调压控制。三相桥式逆变器的输出交流电压中一般含有较高次的谐波，经LC滤波电路后可有效的滤掉高次谐波，最后经全控型器件即组成完整的三相电压型逆变器。

3 三相SPWM电压型逆变器的建模与仿真

利用Matlab软件，在Simulink环境下的Power System仿真工具箱搭建的三相SPWM电压型逆变器的系统电路模型。

系统主电路实现的是交流-直流-交流的转换。交流发电机输出有效值25KV，频率60HZ，容量10MVA的正弦交流电压，经过25KV/600V，50kVA的变压器降压后，通过一个由二极管构成的三相桥式不控整流电路，再经LC滤波电路滤掉高次谐波获得的直流电压，作为逆变器的输入电压，该逆变器由绝缘栅双极型晶体管 IGBT作为开关器件，且载波频率为2kHZ。经逆变器后的输出电压为交流电压，最后经LC滤波电路后，为负载提供50HZ，380V的供电电压。该电路的离散采样周期为 2?s。

下面详述系统模型中两个重要子模块，分别是调压模块Voltage Regulator 和PWM发生器模块Discrete PWM Generator。Voltage Regulator实现的是数字PI调节器的调压功能，如图1所示为PI调节子系统模型；Discrete PWM Generator实现的是产生SPWM控制信号，用以控制逆变器IGBT开关管的通断。

Discrete Virtual PLL和Discrete PI Controller模块是系统自带的模块，前者无需设置输入信号，可生成离散的正余弦信号。后者即离散PI控制器，实现的是离散的PI调节。得到经park变换后的Vd、Vq值，设置限幅值为1，这是因为，一般情况下，调制波与载波的比值m≤1时，输出才有意义。PI控制器的常用算法有三种：梯形法、前向欧拉法、后项欧拉法。本模块中使用的是后项欧拉法。

Discrete PWM Generator是一个离散的PWM脉冲发生器，其内部结构如图2所示。

PWM脉冲发生器可通过对Generator Mode变量的设定，即电桥桥臂个数（1-4）的选择，而产生与之对应的脉冲个数，此仿真模型选择的是3个桥臂，则脉冲发生器将产生6个PWM脉冲。

PWM脉冲发生器中的mIndex、phase和Internal-Phase三个模块都是常数模块。其中mIndex可设定调制信号m，即调制正弦波的幅值。12：34是时钟模块，提供时间信息t，它与增益模块K=2*pi*Freq（ω=2πf）相乘，就得到了ωt；Phase与增益模块pi/180相乘，即将相位角转换到幅度。三者经求和模块后，再经正弦波发生器，即可得到幅值为1的离散型正弦波信号。乘法器将该正弦波信号与mIndex（调制信号m）相乘，就得到了幅值为 m的正弦调制信号。

Signals作为输入模块，其后是具有三个输入端子的开关模块：当输入端2，即Internal的值≥Threshhold（=0.5）时，则输入端1可通过，输入端3则被截断；反之，输入端1被截断，则输入端3可通过，即输出Signals信号。

4 仿真结果

启动模拟仿真。经过了大约50毫秒的过渡阶段，系统达到稳定状态。通过scope1观察直流母线电压波形、变频器输出和载荷，其仿真结果如图7所示。变频器产生的在2千赫周围的谐波被LC滤波器所过滤。

负荷电压的峰值为537伏（380 Vrms）。在稳态时，平均调制比m = 0.80，直流侧平均电压为778 V。因此，经过逆变器斩波后频率为50赫兹的基波的相电压为：Vab=778* 0.612 * 0.80 = 381 V rms。

接下利用快速变换（FFT）分析工具对其仿真输出电压进行谐波分析。首先打开Powergui并且选择‘FFT Analysis

通过观察分析结果可知，最大谐波含量为1.4%，总的谐波含量为2%。

5 结束语

本文利用Matlab软件中Simulink和PowerSystem Blochset模块，建立了具有数字PI调压控制功能的三相SPWM逆变电源仿真模型。仿真实例结果表明该仿真模型准确性，完全可用于定量分析计算逆变电源的输出特性。

参考文献

[1] 陈坚.电力电子学——电力电子变换和控制技术[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2] 洪仁刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M]. 北京：机械工业出版社，2006.

[3] 吴小华，邹仁炜，叶建峰.基于数字PI控制的三相逆变电源的仿真研究[J].计算机仿真，2006.

作者单位

武汉工程大学邮电与信息工程学院 湖北省武汉市 430070