一种基于SPWM控制的逆变器设计与仿真

杨静伟，卢 刚，李声晋，张玉峰，周 勇

(西北工业大学，陕西西安710072)

0引 言

近年来，随着生产生活中对电源质量要求的不断提升，逆变器的使用越来越广泛。通常把直流电变成交流电的过程叫做逆变，完成逆变功能的电路称为逆变电路。逆变技术的应用大大提高了电能的使用效率以及电源的质量，因此对于节约能源等方面有着重要的意义。传统的逆变器系统常采用三相三线制，但是这种逆变器只能给平衡负载供电，在带不平衡负载逆变器中越来越多地采用了三相四线制，其主要区别在于三相四线制系统通过不同的方式做出了零点O，作为第四条线。根据引入中点的形式不同，可以分成分裂电容式和三相四桥臂两种如图1所示。

在分裂电容式逆变拓扑结构中，有两个分裂电容作为引出中点的主要器件，即直流母线上的两个分裂电容的中点与三相四线制的中线连接，通过分裂电容来调节中线上的电流，这样输出端的电流就势必要流过直流部分的电容。虽然这种拓扑机构相对其他四桥臂拓扑机构简单，但是由于中线部分的电流要通过直流电容，所以直流侧的电容的选择成为这种拓扑结构的瓶颈，同时，由于交流电中带有较大的谐波，也对分裂电容提出了更高的要求。

图1 逆变器拓扑结构

三相四桥臂的拓扑结构主要是在逆变拓扑结构中再增加一对开关管，通过这对开关管增加一对桥臂，这种拓扑结构抛开了分裂电容式对电容的高要求，不再受分裂电容的制约，但是通常是通过空间矢量调制方案进行控制，这样大大加重了逆变器控制方案的复杂程度。无论是分裂电容式三桥臂还是四桥臂式的逆变器拓扑结构，都是通过引出中线来调节负载端不平衡的电流。

针对上述情况，本文主要在三桥臂的基础上，增加Boost升压电路，作为第四桥臂，引用上述四桥臂的中线回路方法，既克服了四桥臂控制复杂度的问题，又改进了三桥臂控制。

1建立系统仿真模型

为了验证双闭环控制四桥臂逆变器对不平衡负载的控制，运用MATLAB对四桥臂逆变器电路，进行仿真。

1．1 Boost电路

Boost变换电路，也称升压式变换电路，是一种输出电压高于输入电压的直流变换电路。其中开关管的驱动电压为PWM信号，因此本系统采用这种Boost PWM DC/DC变换器组成的逆变器，将会较简单地实现升压逆变。Buck-Boost基本电路通常用于DC/DC变换，通过调节开关占空比，可以控制输出电压高于或者低于其输入电压，这里先对Buck-Boost基本电路的工作原理进行分析。

Buck-Boost基本电路如图2所示。

图2 Buck-Boost基本电路

其具体工作情况如下:当开关管VT1开通，此时二极管VD1是反向偏置截止的，则电感L1中的电流iL1上升，直流输入侧电源Ud向电感注入能量;当VT1关断，则由于电感L1的自感电动势作用，电感中的能量为负载供能并且向电容C1中转移，电感电流iL1下降。在一个周期内，电感两端电压UL1在VT1开通时为 -Ud，而在 VT1关断时，UL1=Uo1，显然在一个周期内，UL1=0，则输入输出电压和VT1开关占空比时间的关系如下:

式中:Uo1为电路的输出电压的平均值;Ud为电路的输入电压;D为控制占空比。

对于本系统仿真的逆变器要求，采用Boost的两个开关管作为第四桥臂，如图3所示。本系统为了解决电流反向流通，在IGBT开关管上并联有反向的二极管，这样功率可以双向流动而不会造成电流反向流动的现象。其仿真模块如图3所示。

图3 Boost升压电路仿真模块

1．2 SPWM调制信号的仿真

用参考正弦波Us与频率为fc的三角载波Uc进行比较，得到两路控制信号，如图4所示。信号vge1和信号vge2用以驱动同一桥臂的开关管。正弦波大于三角波的部分，输出为正脉冲，小于部分，输出负脉冲。在开关切换时，负载端电压极性非正即负，电流变化率较大，对外部干扰较强。负载端电压脉冲列是由不同宽度调制的正负直流电压组成。

图4 SPWM产生原理

用MATLAB软件对SPWM调制信号的仿真，主要由正弦波产生模块和三角波产生模块如图5、图6所示。正弦波产生模块产生三路正弦波，相位相差120°，再根据上述SPWM产生原理对信号进行处理，得到频率为15 kHz的SPWM。

1．3三相四桥臂逆变器拓扑结构仿真

图7 三相四桥臂拓扑结构仿真图

本文的逆变器采用分裂电容三相四线制拓扑结构，它有结构简单、功率器件较少等特点。利用电源输入端的两个串联电容的中点，作为三相输出的共地端，可构成三相四线制的输出，如图7所示。这时，为了防止中点电位的偏移，一方面增大串联电容的电容值，同时解决当功率较大时或者缺相情况下，电容存在偏压的问题，本文所设计逆变器采用较大容量的电容作为分裂电容。

1．3双闭环控制四桥臂逆变器系统模型

对以上各模块进行整合与联立，利用MATLAB软件对三相逆变器进行系统仿真，其整体结构图如图8所示。基本结构主要分为SPWM产生模块、Boost控制模块、Boost及逆变器拓扑模块、滤波及负载模块。

图8 MATLAB仿真整体结构图

2闭环PID控制

逆变器运行工况比较复杂，具有非线性、时变性和不确定性等特点。其工作工况主要受负载的影响，为了保证电压不被负载拉低，采用PID闭环控制策略，适时调整占空比。其工作原理如图9所示。

图9 双闭环控制策略图

目前，PID控制在控制系统中应用比较广泛，本系统中PID闭环控制主要是对积分系数TI、微分系数TD、比例系数Kp的选择，这些系数选择主要是由系统自身特性和要求来决定，特别是考虑考系统的稳定性、快速响应性以及静态误差等因素。

假设系统的指令值为c(t)，实际输出值为y(t)。则偏差值为e(t)=c(t)-y(t)。

逆变系统PID闭环控制输出特性可以总结:

根据kp、ki、kd对系统调速控制器输出特性的影响，分别建立校正原则。

(1)kp的校正原则

增大比例系数kp能减小稳态误差，提高调节精度，提高响应速度。但kp过大，会使调节过程产生较大超调，甚至导致系统不稳定;kp过小会降低调节精度，减慢响应速度，延长调节时间。

(2)ki的校正原则

积分调节主要用于消除控制静差。但是由于系统的非线性因素，使得调节过程中会产生积分饱和(过积分)，引起较大超调。

(3)kd的校正原则

微分调节能针对系统的变化趋势提前给出控制信号。kd值过大，调节过程会超前，使调节时间过长;kd值过小，调节过程会滞后，导致超调值增大。

3仿真结果

SPWM仿真波形如图10所示。

图10 单周期SPWM仿真图

Boost升压控制PID仿真波形如图11所示。

图11 Boost升压控制PID仿真波形

平衡负载时，负载电流波形图如图12所示。

图12 平衡负载工况下三相的电流波形

不平衡负载下，负载电流波形图如图13所示。

图13 不平衡负载工况下三相的电流波形

三相负载大小及对应的三相电流值如表1所示。

表1 三相负载及对应电流值

PID控制下指令和反馈的跟随性波形如图14所示，图中可以看出指令和反馈的值跟随性较好。

图14 PID控制指令与反馈跟随

4结 论

本文建立了基于SPWM的三相四桥臂逆变器惯性系统的仿真模型，并通过双闭环控制策略可以得出以下结论:

(1)采用的三相四桥臂拓扑结构，能够较好的处理三相不平衡负载的工况。

(2)通过Boost升压电路能够较好的提升逆变器母线电压，提高逆变器的电压驱动能力。

(3)通过双闭环控制策略，能够根据工况对输出电压进行实时调整，得到稳定的输出电压，指令和反馈具有较好的跟随性。

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