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你可能喜欢SVPWM三相电压型逆变器的仿真研究--《系统仿真技术》2012年01期
SVPWM三相电压型逆变器的仿真研究
【摘要】：以三相电压型逆变器为基础,根据空间矢量脉宽调制(SVPWM)基本原理详细分析研究了电压矢量作用时间和扇区分配问题,以α-β坐标为基础,建立了互差π/3的x-y-z时间坐标系,提出了不同扇区矢量作用时间长短根据期望极值判断的原则。介绍了MATLAB中M文件编程的仿真方法,建立了MATLAB程序嵌入式主要功能模块,逆变器采用数字PID控制,利用Simulink对系统进行了综合仿真分析及试验,给出了仿真及实验波形,为实现SVPWM逆变器的数字控制提供参考。
【作者单位】：
【基金】：
【分类号】：TP391.9;TM464
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SVPWM精解+DSP+物理意义
浙江海得新能源有限公司
第 2 页 共 16 页 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。逆变电路如图 2-8 示。
设直流母线侧电压为Udc ,逆变器输出的三相相电压为UA 、UB 、UC ,其分别加在空间上互差120°的三相平面静止坐标系上,可以定义三个电压空间矢量 UA(t)、UB(t)、UC(t),它们的方向始终在各相的轴线上,而大小则随时间按正弦规律做变化,时间相位互差120°。假设Um 为相电压有效值,f 为电源频率,则有:
?????+=-==)3/2cos()()
3/2cos()()cos()(πθπθθm C
m B m A U t U U t U U t U
(2-27) 其中,ft πθ2=,则三相电压空间矢量相加的合成空间矢量 U(t)就可以表示为:
θππj m j C j B A e U e t U e t U t U t U 23)()()()(3/43/2=++=
可见 U(t)是一个旋转的空间矢量,它的幅值为相电压峰值的1.5倍,Um 为相电压峰值,且以角频率ω=2πf 按逆时针方向匀速旋转的空间矢量,而空间矢量 U(t)在三相坐标轴(a ,b ,c )上的投影就是对称的三相正弦量。
由于逆变器三相桥臂共有6个开关管,为了研究各相上下桥臂不同开关组合时逆变器输出的空间电压矢量,特定义开关函数 Sx ( x = a 、b 、c) 为:
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（共16页）
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基于新型SVPWM的Z源逆变器研究
发布日期：
&&作者：中国矿业大学信息与电气工程学院
张伦健 刘建坤 陈利萍
&&浏览次数：27507
要】：Z源逆变器(ZSI)通过在SVPWM普通零矢量中加入直通零矢量可以实现输入直流电压的升压变换。文章具体阐述了Z源逆变器的工作原理及其传统SVPWM实现方法，提出一种新的SVPWM直通时间分配法，该方法零矢量最大利用率高，最大升压值升高，有效提高系统工作性能。基于Matlab仿真平台，搭建了Z源逆变器的仿真模型，仿真结果验证了新型SVPWM的正确性与有效性。
风能、燃料电池及光伏发电这些新能源发电输出的直流电压不稳定，实际应用时需要对直流电压进行稳压。传统的电压源逆变器和电流源逆变器或为升压型逆变器，或为降压型逆变器，不能同时实现升降压，且抗电磁干扰的能力较差。源逆变器的提出有效的克服了上述不足，其具体优势表现为：升压功能，通过控制直通占空比易于实现升压功能，在电源电压波动及电网电压跌落较大的场合中具有较强的优势；逆变器安全性高，源阻抗网络使得直通工作状态在升压的同时也抑制了上下管直通带来的威胁，提高了逆变器的安全性；消除开关死区，减小交流输出电压的波形畸变；与传统的两级电路相比较，减少了中间变换的个控制管，同时也减少了控制电路和保护电路。
由于其独特优势引起了国内外学者的广泛关注和研究。文献具体阐述了通过在不改变有效空间矢量作用时间的条件下，在零矢量中插入直通零矢量来实现升压功能。文献介绍了一种将直通时间分为段的控制，零矢量最大利用率有限。文献介绍了一种将直通时间分为段的控制，其零矢量最大利用率为。本文分析了电压模式源逆变器工作原理，详细阐述直通状态分段，并提出一种在直流电压跌落时可以提高度越系统故障能力的新型段式直通时间分配方法，并进行了仿真分析。
源逆变器及其工作原理
的拓扑结构如图所示。与传统相比，在中间直流侧引入了一个源网络。源阻抗网络由大小相等的两个电感、和两个电容、组成，连接成形，将变换器和直流电源耦合在一起。由于阻抗网络的存在，使得源逆变器允许出现上下桥臂直通状态，也正是利用这种直通状态，得以实现直流升压功能。
图源逆变器拓扑结构
可工作于非直通与直通两种状态，从直流侧看，在一个开关周期内，非直通状态时输出可等效为电流源，其中零矢量状态时对应零值电流源，而直通状态时输出相当于被短接。两种工作状态时等效电路如图、所示。
图直通状态时源逆变器等效电路
图非直通状态时源逆变器等效电路
由于源阻抗网络中电感、和电容、大小相等，网络为对称网络。由等效电路的对称性，可得：
在一个开关周期中，工作于直通状态的时间为，由图：
在一个开关周期中，工作于非直通状态的时间为，由图：
根据伏秒平衡原理，在一个开关周期中，电感两端的平均电压稳态时为，直通占空比，由式：
可以得出逆变桥的平均直流母线电压为：
为直通零矢量对应的升压因子：
三相逆变器输出的相电压的基波幅值：
定义增益因子，式说明，选择合适的增益因子可以得到升高或降低的输出电压。
通过上述理论分析可知，可使三相逆变桥承受瞬时短路，从而输出电压可以根据需要升高和降低，故不需要加入死区时间，从而避免了输出波形畸变和调制度的下降。
传统和新型
由于传统为降压型逆变器，其输出交流电压受限于输入直流电压的幅值。当所需要的交流电压幅值超出传统的输出极限时，传统便无能为力。基于的与传统的调制存在极大的相似性，通过对传统的进行适当的直通控制即可实现获得超出传统输出极限的交流电压。电压空间矢量图如图所示。
图电压空间矢量图
的直通时间是加在零矢量作用时间中而不改变有效矢量的作用时间，对输出没有影响。以第一扇区为例，在一个开关周期中，直通时间为，普通零矢量作用时间为，图中的有效矢量、的作用时间分别为、，即，由矢量合成原理及正弦定理：
由式可以解出有效矢量、的作用时间、和零矢量的作用时间：
由式可知，电压空间矢量在线性区域内调制的约束条件为：
基于上述计算，传统直通分段的脉冲波形如文献所述，其直通时间分配是将直通时间平均分为段或者段并平均插入一个开关周期内，零矢量的最大利用率为，即，具体开关时序见文献。
源逆变器新型调制
为了提高调制的零矢量最大利用率及提升系统度越障碍的能力，本文提出一种新型调制法，该方法使处于中间开通状态相上分配的直通时间是其他两相分配的直通时间的两倍，使得在产生直通波形时的时间计算更加简洁，在直通时间分配及计算时只需要相应的加减一个或两个单位的，其中为直通总时间的，即。以第一扇区为例，在半个开关周期内，相和相直通时间设置为，相直通时间为，由得，，故新型调制算法的零矢量最大利用率提高到，在输入直流电压跌落时，最大升压倍数提高，即系统度越故障的能力提高。第一扇区具体脉冲波形如图所示。
图三相开关的脉冲波形
为了验证新型直通时间分配方法的正确性，通过仿真环境搭建的模型，并对其进行了仿真，系统采用电容电压闭环控制策略。仿真参数为：直流输入电压，阻抗网络电感，电容，交流负载电阻，电感，载波频率，升压因子，即直通占空比，逆变桥直流母线电压峰值，电容电压，给定输出交流线电压幅值。采用新型调制时的仿真波形如图所示。
）逆变桥直流母线电压
）交流输出线电压
图源逆变器新型调制仿真波形
图所示为采用新型调制时的仿真波形。图）为交流侧输出三相正弦电流波形。图）为逆变桥直流母线电压波形。由于直通状态的存在，在直通时逆变器直流侧母线电压为，非直通状态时，母线电压为升压后的，而是为一系列幅值约为的脉冲波，因此整体波形与传统逆变器的直流侧电压不同，是实时不断调节的一片波形。图）为阻抗网络电容电压，稳态值为。图）为系统空间矢量控制在未出现过调制情况下经过滤波作用的交流侧输出线电压，幅值为。图说明通过加入直通时间，可输出的交流电压幅值大于普通，在输入直流电压不稳定场合具有较好的应用前景，输入直流电压跌落时具有度越系统故障的能力。
本文介绍了的拓扑结构，详细分析了其基本工作原理及其传统直通分段脉宽调制的实现方法，提出了一种新型的调制的直通时间分配方法，该方法可以使系统在直流输入电压跌落严重时仍可以正常工作，度越系统故障的能力提高。通过仿真平台搭建仿真模型，仿真结果表明，该新型调制方法能够实现的升压控制，零矢量的最大利用率提高到，证明了新型的正确性与可行性，且输入直流电压跌落时系统度越故障能力较普通段式和段式增强。
张伦健男硕士，研究方向为电力电子与电力传动。
丁新平，钱照明，崔彬等.基于模糊的源逆变器直流链升压电路控制.中国电机工程学报，，.
彭方正，房绪鹏，顾斌等.源变换器.电工技术学报.
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张崇巍，张兴.整流器及其控制.北京：机械工业出版社，.
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z源逆变器中svpwm技术实现的研究
study on a modified space vector pwm technique based on z-source inverter.pdf
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文档介绍：
够.F扫欢一扫∑≤⑧蔰调制方法,并给出开关信号调制图,说明了直通调制比⑸挂蜃覤与参考电压幅度间的约束关系。仿真结果ZSIDBmodulation(sI)techlique茨姹淦髦蠸技术实现的研究譬萄潮舞囊套通往屯潦技术iIlinatesZSep25!L_!P7M鷓0言文章编号:.——肌性和有效性。PWM低于直流侧输入电压,所以一般在直流源和逆变器之间要求插入一个额外的—升压变换器,使得在交流侧得到更高的电压。茨姹淦运用其特性,通过控制直通状态的时间大小,就可以实现理论上任意倍数Z抗网络的存在使得同一桥臂的主电路开关管可以同时开通蓖,提高了逆变器运行的可靠性。Z不改变有效空间矢量作用时间的情况下,在零矢量中插入直通状态,就可以提升直流侧电压。本文详细阐SVPWM的实现问题;分析了直通时间蜕贡妒墓叵担琙B后搭建仿真电路,仿真结果验证了该调制方法的正确Z1ZGGL1kXC=GL=bZ两种基本工作状态。下面简单说明一下两种基本工作状态‘:年盏淼期李庭远,郑建勇,尤望,张先飞洗笱У缙こ萄г海漳暇SVPI()Z(ZSI)ZZSI证实了该调刺方法的正确性和有效性。TM464AJunZHAB(Departmt,⒊;2()()906-AA052421)作者简介:李庭远,男,江西赣州人,硕士研究生,主要研究方向:电力电子;郑建勇,男,江苏南京人,教授,博士生导师,主要研究尤錾,男,江苏南京人,讲师,博士研究生,主要研究(1980-)电力电子。1Z(a)(b)2琘xiaIfei210()96China)AbstractAmdifiedrlize甌篢,—wordssource籦方向:电力电子;Ting-yuanZHEN琒騛癱瑃proposedlethods,一一“U2+IUⅲ甀
aUL=2UcUoUoBU0必:够:够Uc=Uo7/\一。\形∥‰/Ⅲz∑坩T1sin()=sin()』魄,魄i式中,猄调制系数,且佰塑v+V2+u+由于非直通零矢量砜和直通矢量%对%的合成不产生影响:即等等贸鯧每ⅥN哪¨’/sin7rTT1T2T=+T2++]通毪电潦技术叽一阢.一玑一咙Ui=Uo砈和基于吹腟分作为直通时间瓦,—为新的传统零矢量111图为直通状态下系统等效电路。此时逆变122与传统逆变器工作状态一样,此时由等效电路得:躑。出,将式代人,有a为戗。流侧的峰值电压丢。SVPWM下管开通为D姹淦饔个桥臂,因此共有种开关状态~。每种状态对应唯一的交流侧线其中蛈为零矢量,!ǖ⑽S行噶俊个有660JUTU的作用时间分别为蚑狶—为零Vf=y1+Ksin()(5)(6)VSVPwM下开关管控制信号不再互补,构造直通状态。和传统啾龋诓挥跋煊行У缪故噶縑,、%的作用桥上、下桥臂短路,这种情况在传统逆变器中是不允许的。但是由于逆变桥前端有醋杩雇绱嬖冢琙源中电感上的电流不能突变,有效地保护了逆变桥开关器件。假设一个开关周期的时间为蓖ㄊ奔湮猅V蓖ǖ髦票,由等效电路得在直通状态下图为非直通状态下系统等效电路。该状态在系统工作稳定的情况下,原理上一个开关周期TZ0由于逆变桥等效工作在这两种状态下,逆变桥直0式中,猌源升压因子。(4)D(D&05)逆变桥臂上功率开关管所承受的电压应力为逆变桥直(SPWM1547)量相同情况下开关器件工作频率低,开关损耗小等优[2]21SVPwM318对于任意给定参考矢量,均可利用与该矢量相邻的两个基本空间电压矢量合成得到。举个例子,Ko)假设参考矢量驮谏惹鳬中渌扇区分析类似油贾锌闯鲇敫檬噶肯嗔诘幕究占涫噶课猇,矢量作用时间。根据平行四边形等效合成原理,有VVe删LT2咭弧ⅲ二咝护一的基于腟调制ZZ调制方法里同一桥臂上、下开关管的控制信号是互补的,为了将刂朴τ玫酱鳽源的逆变器中,SVPWMT1RSVPWM此时,V年盏淼期3—÷一∥,琕No5K()12猧7i
南≤南魏一赢一蟄籅B二一鼍旆伽砜zsV1时间匦胄∮赥掖嬖谠际叵担旱纫×詈≥态的时刻,但是插入直通状态的时间大小与一丢出现过调制现象;当等时,丁告,丁态持续时间都为挚。直通状态只占用了零矢量的时期中插入直通时间瓦的大小直接影响逆变桥直流侧00SPwM1)=通德电潦技术茎查茎望堕互窒!!i+u(sVPWM)(径5眑虸仁保琓,ù笥诳9刂芷赥,等时,,存在用来插入直通状以‘”~‘_{om(1)!川QQ22!是在未过调制情况下,参考电压矢量幅值所能取到的IVref应当注意的是,为了保证输出线电压为正弦,参考1)0优≤等。此时逆变器输出线电压的峰值为:右弧猵通过调整插入直通状态的时间长短,就可以调整瓷挂蜃覤的大小,从而得到相应大小的直流侧但从时序图中可以看出,在单个开关周期中直通一致。錾惹目9厥毙蚣。3SvPwM不是严格的互补,交错信号共高哂行的肘刻B电压的波形情况、相电流波形为正弦输出,输207V(1砜要求。TT2SVPWMZ3SVPWMV0To[4]根据公式茫琙源升压因子电压的轨迹应当为一个圆,且不能出现过调制的情况。假设参考电压矢量偷姆滴S以基本空基于腟开关时序图隽嗽诘扇区时,基于腟SVPWM6yKL。有效矢量,的作用时间长短和原来一样,这样就保证了合成的电压矢量的准确性。4期中只开、关一次。各桥臂在一个开关周期中各有两-2F电压的大小,电压。ZSIMatIab对该调制方法进行仿真。仿真是通过修MatlabSVPWM2()SVPWM换的时刻,让逆变桥上下两管的控制信号交错,而A号。图U鱿低撤抡婺P屯迹显示相李庭远等:B33.璶帕卟d\、i4”!璴¨旧吲爿l&弧二JLiLj{i篿jL4《.々:、、’、t::
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