一种基于SVPWM的三相逆变器

作者：王高高 李景忠 陈猛 胡辉

来源：《物联网技术》2018年第01期

        摘要：文中提出了一种基于SVPWM（空间矢量脉宽调制）三状态（电感L1电流，电容C电压，电感L2电流）反馈控制的三相逆变器。在Matlab中搭建该逆变器的数学模型，设计出逆变器控制系统。仿真结果表明，在该控制策略下，逆变器对负载电流具有很好的控制性能。

        关键词：三相逆变；SVPWM：反馈控制；Matlab

        中图分类号：TP39；TM501 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）01-0035-03

        0引言

        当前关于三相逆变器的研究主要集中在LC滤波器下的三相电压型逆变器方面，文献[1，2]提出了几种三相电压型逆变器，其特征为逆变器多采用双闭环（电压外环和电流内环）控制策略，控制方法主要为PID控制、重复控制等。

        相对而言，关于恒流源的研究较少。恒流源作为一种能输出稳压、恒频电流的电源，其应用领域非常广阔，且对于某些需要使用恒流源供电的场合，无法使用恒压源替代，因此对恒流逆变的研究十分必要。

        文献[3-5]探究了几种三相逆变电流源模型，其直流侧使用直流电流源或直流电压源串接电抗器供电，以获得直流电。文献[6，7]提出了基于逆变器输出瞬时状态反馈、跟踪的三相电压型逆变器控制策略，本文拟在以上文献研究成果的基础上，提出一种使用直流电压源供电的基于SVPWM的三相逆变器，并对其控制方式、输出特性进行分析。

        1三相逆变器模型

        三相全桥逆变器主电路拓扑如图1所示。其中，Udc为直流侧电压，可选择电感，L1上的电流i1a、i1b、i1c，电容C上的电压uca、ucb、ucc、以及电感LLa、上的电流i2a、i2b、iac、作为状态变量，建立基于LCL型滤波器的三相逆变器在三相静止坐标系下的状态方程，如式（1）所示：

        其中uk（t）为桥臂输出电压，uzk（t）为负载电压，k=a，b，c。

        通过坐标变换得到逆变器在同步旋转坐标系中的状态方程，如式（2）所示：

        其中ud（t）、uq（t）为桥臂输出电压的d、q分量，ucd（t）、ucq（t）为电容电压的d、q分量，i1d（t）、i1q（t）、i2d（t）、i2q（t）分别为电感L1、L2上电流的uzd分量，（t）、uzq（t）分别为负载端电压的d、q分量，ω为基波的角频率。

        由（2）式得到的逆变器系统在dq坐标系下的数学模型如图2所示。可见，系统的d轴和q轴之间引入了耦合，dq轴电流除受控制量ud和uq影响外，还受耦合量ωL1i1q、ωL2i2q、ωCu1i1q和-ωL1i1q、-ωL2i2d、-ωCi1d影响。因此需要对d、q轴进行控制解耦。

        2系统控制方案

        2.1控制解耦

        分别列出d轴和q轴解耦后的控制器输出量为：

        由（3）式可知，解耦将三相逆变器的dq控制等效于两个单相逆变器的分别控制，引入反馈系数，用三状态（电感L1电流，电容C电压，电感L2电流）作为反馈对三相逆变器进行控制。逆变器d轴控制框图如图3所示。

        在闭环情况中，系统的d轴输出响应如式（4）所示：

        2.2 SVPWM控制算法原理

        引入开关状态函数，定义每一桥臂上管开通时为1，下管开通时为0。得到8种开关状态：U0（000）、U1（001）、U2（010）、U3（011）、U4（100）、U5（101）、U6（110）、U7（111），每种状态对应唯一的输出线电压瞬时值矢量，如图4所示。其中0、7为零矢量，其余6种状态为非零矢量，将圆等分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ共6个扇区。三相电压瞬时值可用一个角速度ω=2丌f旋转的空间矢量电压U表示。当U旋转一周时，逆变器可输出一个固定周期的三相正弦波电压，若U落入某一子扇区，则用该子扇区的两个边界矢量和零矢量来合成电压U，得到最佳合成效果。

        如图4所示，0为U相角，设在一个开关周期T内，U按逆时针方向旋转，一个边界矢量U作用时间为Tx，另一边界矢量U作用时间为Ty，零矢量作用时间为T0。则有：

        矢量旋转公式如式（6）所示：

        4仿真分析

        为进一步探究本文提出的逆变器的控制性能优劣，在Matlab中搭建了系统模型并仿真。

        图5～7所示为逆变器带三相对称阻性负载时（单相电阻为0.57Ω），逆变器输出电压uzabc、电流i2abc波形及电流i2aTHD谐波含量分析。

        可以看出，逆变器输出电流波形平滑、幅值稳定，谐波含量很低，仅为0.1%。

        5结语

        建立同步旋转坐标系下的基于SVPWM的三相逆变器模型，设计出逆变器控制系统。仿真结果表明：逆变器在带三相对称阻性负载时，具有良好的输出波形，谐波含量极低，即该系统具有良好的输出特性。

        参考文献

        [1]郭素兵.基于SVPWM三相逆变器的仿真与设计[D].保定：河北大学，2015

        [2]罗军，姚蜀军.三相逆变器的单环与双环控制比较研究[J]电力科学与工程，2014，30（10）：1-5

        [3]申中鸿，杨林，蒋春旭.一种电流源型三相逆变器模型[J]电气自动化，2014，36（5）：12-14

        [4]吴春华，肖鹏，武慧，等.一种新型三相电流型逆变器的研究[J]电工技术学报，2007，22（7）：78-82

        [5]白晶，卢士祺，刘健.电流源型逆变器滑膜控制策略的研究[J].制造业自动化，2014（20）：31-34

        [6]屈克庆，李文旗，叶天凯，等.基于状态反馈的LCL型逆变器解耦控制策略[J].电工技术学报，2016，31（20）：130-138

        [7]刘新民，裴雪军，康勇.三相双模式逆变器无缝切换策略研究[J]通信电源技术，2013，30（5）：1-3

        [8]赵峰，理文祥，葛莲.基于SVPWM控制的逆变器仿真研究[J]电源技术，2012，36（9）：1386-13