基于空間矢量的微電源逆變器調(diào)制方法研究

馬濤

【摘 要】微網(wǎng)中微電源逆變器控制脈沖信號的調(diào)制效果直接影響逆變器輸出的電氣性能。對于逆變器的控制脈沖信號調(diào)制，目前較多采用正弦脈寬調(diào)制方式和空間矢量調(diào)制方式。本文介紹了空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）的基本原理，設(shè)計了微電源逆變器控制脈沖信號的生成方案，并對正弦脈寬調(diào)制方式和空間矢量調(diào)制方式進行了對比分析，最終通過Matlab仿真軟件驗證了該方案的有效性。

【關(guān)鍵詞】微電網(wǎng)；微電源逆變器；脈寬調(diào)制；SVPWM

中圖分類號： TM744 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）25-0247-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.25.113

【Abstract】In the micro grid，the modulation effect of micro-power inverter control pulse signal directly affects the output electrical performance of the inverter.For the modulation method of inverter，sine pulse width modulation and space vector modulation method are the more applied methods.This paper introduces the basic principle of space vector pulse width modulation（SVPWM），designs the generation scheme of micro-power inverter control pulse signal，and compares and analyzes the sinusoidal pulse width modulation and space vector modulation， finally verifies the effectiveness of the scheme through the simulation software Matlab.

【Key words】Micro grid；Micro-power inverter；Pulse width modulation；SVPWM

1 空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）

從發(fā)電機的角度考慮，交流電機的理想磁通能用一圓形旋轉(zhuǎn)矢量表示。由于電壓為磁通的積分，故交流電機的理想磁通產(chǎn)生的感應(yīng)電壓也可以用一圓形旋轉(zhuǎn)矢量表示。若通過調(diào)制，將逆變器的輸出電壓用一圓形旋轉(zhuǎn)矢量表示，即可將其等效為一磁通理想的交流電機，也就實現(xiàn)了其由DC到AC的逆變的功能。如何合成該圓形旋轉(zhuǎn)電壓矢量為調(diào)制的關(guān)鍵[1-2]，即空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)。

2 SVPWM原理

2.1 扇區(qū)和基本矢量

對于三相半橋兩電平逆變器，三個橋臂的開關(guān)信號分別記為Sa，Sb，Sc。開關(guān)信號為1 代表該相上方的開關(guān)管導(dǎo)通，下方的開關(guān)管關(guān)斷；開關(guān)狀態(tài)為0 代表該相下方的開關(guān)管導(dǎo)通，上方的開關(guān)管截止。因此，三個橋臂的開關(guān)狀態(tài)組合一共有8 種：000，001，010，011，100，101，110，111[3-4]。對于每一種開關(guān)狀態(tài)，可以通過圖1 來求得三相的電壓值UsA，UsB，UsC。

利用式（1）可以得到電壓空間矢量，見圖2。

Us=■（U■+U■e■+U■e■）（1）

圖3中標出了六個非零電壓空間矢量的位置，它們將圓周分為六個角度為60°的扇區(qū)。本文采用的定義方式見圖3。

SVPWM中，將該圓形旋轉(zhuǎn)電壓矢量作為參考矢量，將上述六電壓矢量作為基本矢量加上000、111，通過算法來合成該時刻的U*。

2.2 扇區(qū)的確定

SVPWM的每個參考矢量需要至少兩個基本矢量合成。例如圖3中，扇區(qū)Ⅲ的參考矢量至少需要U4、U6合成。由于零矢量的長度為零，不會對參考矢量的合成造成影響。在U4、U6基礎(chǔ)上，可以加入零矢量。零矢量的加入會影響調(diào)制的開關(guān)頻率，加入零矢量的選擇將在2.4小節(jié)進行闡述。

合成任一參考矢量，首先需要判斷該矢量落在哪一扇區(qū)，然后即可選擇該扇區(qū)兩側(cè)的參考矢量進行合成。由于參考電壓αβ坐標系表示時的扇區(qū)判斷方法較為簡明，通常將電網(wǎng)電壓U，U作為SVPWM的輸入。具體判斷方式，見表1。

2.4 基本矢量作用順序的確定

根據(jù)一個采樣周期中開關(guān)狀態(tài)的個數(shù)，SVPWM分為五段式和七段式兩種模式。一個周期內(nèi)，七段式的方式存在七個開關(guān)狀態(tài)。其中，首末狀態(tài)為U0（000），中間的為U7（111）。為了減少開關(guān)損耗，應(yīng)該使每次只有一個開關(guān)的狀態(tài)變化。所以，第二個和第六個開關(guān)狀態(tài)為U1（001）U2（010）U4（100）中的一個；第三四個為U3（011）U5（101）U6（110）中的一個。

以扇區(qū)III作一說明：非零參考向量為U4（100）U6（110）。根據(jù)以上原則，U4應(yīng)該在之前開始出現(xiàn)，在結(jié)束之后消失。狀態(tài)變化為000-100-110-111-110-100-000。為了使000和111兩個零向量在一個周期內(nèi)的作用效果相互抵消，它們的作用時間應(yīng)該相等，均為（Ts-T4-T6）/2。由于七段式模式的對稱性，000、111狀態(tài)在對稱軸兩側(cè)的持續(xù)時間均為（Ts-T4-T6）/4。電壓變化（開關(guān)狀態(tài)）圖見圖4。其他扇區(qū)的開關(guān)狀態(tài)也可以由該方法得出[5-6]。

3 仿真驗證

3.1 SVPWM的仿真

基于上述原理，使用S函數(shù)編寫SVPWM的程序，在MATLAB-SIMULINK中搭建仿真模型，實現(xiàn)了空間矢量脈寬調(diào)制。仿真參數(shù)設(shè)置如下：開關(guān)頻率10KHz，直流電壓Ud=800V，三角波峰值5e-5。仿真結(jié)果見圖5-圖6。

可知，SVPWM的開關(guān)信號按照順時針順序（III- II- VI- IV-V-Ⅰ-III）在扇區(qū)中隨時間緩慢變化。限于圖形尺寸，圖6中僅表示出扇區(qū)IV到扇區(qū) V變化的過程。

3.2 SVPWM和SPWM的比較分析

為了比較SVPWM和SPWM的特點，取0.02s的時間，使用同樣的開關(guān)頻率1e-4，同樣的采樣時間1e-6，用SVPWM和SPWM的方法分別進行了調(diào)制，結(jié)果見圖7和圖8。

由上述結(jié)果可知，SPWM開關(guān)動作更頻繁，SVPWM能減少開關(guān)動作頻率，降低調(diào)制損耗。從圖5的調(diào)制波分析：該馬鞍波相當于在正弦波的基礎(chǔ)上注入3次諧波，降低合成調(diào)制波幅值，有利于提高直流電壓利用率。注入三次諧波之后，調(diào)制波峰值下降了。但SVPWM控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，增加了設(shè)計難度。

4 結(jié)論

本文對空間矢量調(diào)制方法的原理和步驟進行了介紹，設(shè)計了微電源逆變器控制脈沖信號的生成方案。經(jīng)過理論分析和仿真對比，表明該方案相比SPWM電壓利用率更高、轉(zhuǎn)矩脈動更小、噪聲更低，輸出的波形電流諧波更小，數(shù)字化控制更好實現(xiàn)，在合理安排矢量順序的前提下，可使開關(guān)損耗降低。但是，空間矢量調(diào)制方法較為復(fù)雜，一定程度上增加了系統(tǒng)設(shè)計的難度。

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