数字化电源逆变电路仿真分析

许青，陈立东，刘磊

（国网辽宁省电力有限公司阜新供电公司，辽宁 阜新 123000）

数字化电源逆变电路仿真分析

许青，陈立东，刘磊

（国网辽宁省电力有限公司阜新供电公司，辽宁 阜新 123000）

数字化电源克服传统电源的结构复杂、稳定性差等缺点，实现了数字和模拟技术的融合，提供了很强的适应性与灵活性，具备直接监视、处理并适应系统条件的能力，能够满足不同场合对电源需求。在对PWM控制技术、PWM脉冲与正弦脉冲的作用效果分析的基础上，利用MANTLAB软件Simulink仿真平台调用各个功能子模块建立数字化电源逆变电路仿真系统，设置仿真参数对相电压进行谐波分析。

MATLAB；逆变电路；FFT；仿真

0 引言

由于数字化技术具有响应速度快、稳定性好、控制精度高等优点，所以数字化产品已经遍布工业、矿山、医疗、航空等国民经济的各个领域。传统电源通常采用电阻、运算放大器、电容等电力电子器件组成，具有电路结构复杂可靠性差、硬连接方式限制系统升级维护、功能单一不易实现复杂控制算法等缺点，同时，输出信号失真严重，抗干扰能力差，输出波形与理想波形具有较大偏差。因此，开展数字化电源技术的研究对于增强系统可靠性、提高系统抗干扰能力和输出波形的精确度具有十分重要的意义。

1 PWM技术

PWM控制技术是利用微处理器的数字输出特性对开关器件的导通和关断进行合理控制，在控制信号的输出端得到一系列电压幅值相同而信号宽度不同 的按照特定需求规律变化的脉冲信号。在控制学上有一个重要原理：冲量相等大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量（面积），即变量对时间的积分相等，其作用效果相同，即不论冲量为何种表现形式，只要是冲量等效的脉冲作用在惯性系统上，其输出响应是基本相同的。如图1（a）、（b）、（c）为三个形状不同面积相同的窄脉冲，其中1（a）为矩形脉冲，图1（b）为三角形脉冲，图1（c）为正弦半波脉冲，当它们分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。

图1 形状不同而冲量相等的窄脉冲Fig. 1 Different shapes and impulse equal narrow pulse

图2 PWM脉冲与正弦半波Fig. 2 PWM pulse and sine half-wave

图2（a）为正弦半波信号，将其分成宽度相等的n等份，每个宽度为π/n，但每份的幅值不同，且顶部为曲线而不是水平的直线，各个等份的幅值按照正弦规律变化。将图2（a）的脉冲用等幅不等宽的相同数量矩形脉冲替代，矩形脉冲如图2（b）所示。从图可见：矩形脉冲序列满足其面积与相应的正弦部分的面积相等，且矩形脉冲的幅值相同，宽度按照正弦规律变化，也就是PWM脉冲。根据上述冲量等效原理PWM脉冲作用的结果和正弦波的作用结果是相同的。

根据图2可知：可以利用PWM脉冲信号去代替正弦波信号或其他所需要的信号。将PWM脉冲信号的波形进行滤除高次谐波（经过电容和电感组成的LC滤波电路），可以得到输出信号可调的标准正弦波信号。PWM控制主要分为单极性PWM和双极性PWM两种控制类型，两者的控制原理都是冲量等效理论，单极性PWM控制波形为单方向变化，双极性PWM控制波形为正负两个方向变化。在PWM控制过程中，输出波形的谐波含量与脉冲信号的频率成正比，即PWM波形频率越高，输出波形的谐波含量越少。在实际应用过程中采用高频PWM控制，使用较小的滤波电感和滤波电容就可以实现滤波的的需求，可以减小滤波电感和滤波电容的体积，进而减小逆变电源的整体体积，实现设备小型化和智能化。

2 数字化电源

2.1 数字化电源结构

数字化电源是指利用数字信号处理器（DSP）的O/I端口通过软件程序对电源进行柔性控制，满足不同应用场合的应用需求，达到数字化电源一机多用的效果。数字化电源由整流单元、逆变单元、滤波单元、采样单元和控制单元组成，其中整流单元用于将电网220V交流电转换成直流电；逆变单元有功率器件和换成电路构成，根据控制单元的脉冲指令控制功率器件的导通顺序，输出电压和幅值可以根据需求调节的交流电；滤波单元用于滤出逆变后的交流电中的杂质，提高输出电压的精度和可靠性；采样单元有高精度传感器和信号处理电路组成，用于采集数字换电源的电压、电流、温度等参数，为控制单元提供原始数据；控制单元是整个数字化电源的核心，用于控制指令发送、传感器数据采集及运算处理，同时具有故障检测和保护作用。数字化电源结构框图如图3所示。

2.2 逆变电路

由于电网为三相的，从配电负载平衡角度考虑，较大容量的逆变系统都采用三相结构。三相电压型桥式电路应用比较广泛，电路原理图如图4所示，主要由直流电源和三组桥臂组成，负载为星型连接方式，采用三三通的控制方式。当功率开关管V1导通时，A点与直流电源DC的正极相连接，当功率开关管V4导通时，A点与直流电源DC的负极相连接，B、C点的电位根据对应桥臂的功率开关管的状态决定的。各个桥臂上下两个功率开关管的驱动脉冲互补，均为占空比为50%的方波信号，即每个开关管导通时间为180°。

图3 数字化电源结构框图Fig. 3 Digital power structure diagram

图4 三相电压型桥式电路原理图Fig. 4 Three-phase voltage type bridge circuit principle diagram

3 逆变电路仿真分析

MATLAB软件是一种集仿真、分析、可视化及算法开发的多功能软件。simulink是基于MANLAB框图设计环境的子模块，在该仿真环境中不需要大量的程序编写，通过简单的鼠标操作能够实现复杂系统的建模、动态仿真和结果分析。在MATLAB软件Simulink仿真平台中调用直流电压源、带缓冲电路的IGBT桥式逆变电路、RLC负载阻抗、信号发生模块、信号合成模块等功能模块和显示模块（示波器），并对各个仿真模块的参数进行合理设置，建立数字化电源逆变电路仿真模型，仿真图如图5所示。

数字化电源逆变电路仿真模型中，直流电压源的电压为500V。负载RLC模块额定电压为400V，额定频率为50kHz，有功为1kW，感性无功为100Var，容性无功设置为0。信号发生模块选用6组，幅值设置为1，周期为0.02s，占空比为50%，6个模块各个依次滞后0.02/6s。此外，利用simpowersystems提供的“powergui”，实现对波形的FFT分析。仿真周期设置为0.1s，采样时间设置为离散采样模式，时间为10-5s.运行后得到相电流如图6所示，相电流的输出波形与负载相关。

数字化电源逆变电路在仿真运行前设置示波器参数，将数据保存到工作区。仿真运行后启动FFT分析功能，将相电压作为FFT分析对象，设置起始时间为0.04s，分析周期数为2，基波频率为50Hz，分析结果如图7所示。从图可知：输出的交流电压不含3的整数倍次谐波，只含有更高阶次的奇数谐波，n次谐波幅值为基波幅值的1/n。

图5 三相方波逆变电路仿真模型Fig. 5 Three-phase square wave inverter circuit simulation model

图6 三相方波逆变电路相电流波形Fig. 6 Three-phase square wave inverter circuit phase current waveform

4 结论

数字化电源技术是建立在数字信号处理器、电力电子学、控制理论和PWM调频技术等学科基础上，研究关于电源理论和设计方法的综合性学科，其应用贯穿于工业生产及社会生活中的各个环节。逆变电路是数字化电源中的重要组成部分，实现将直流电转变成频率可调的交流电。通过对PWM脉冲信号作用效果和正弦波信号作用效果的相似性比较，建立数字化电源逆变电路仿真模型，并对相电压仿真结果进行FFT分析，表明仿真模型建立的合理性和有效性，为数字化电源逆变电路相关产品的设计奠定基础。

图7 三相方波逆变电路相电压FFT分析Fig. 7 Three-phase FFT phase voltage square wave inverter circuit analysis

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Simulation and Analysis on Digital Power Inverter Circuit

XU Qing, CHEN Li-dong, LIU Lei
(State Grid Liaoning Electric Power Co., Ltd. Fuxin Power Supply Company, Fuxin Liaoning 123000)

Digital power to overcome the traditional power of complicated structure, poor stability shortcomings, realize the integration of digital and analog technology, provides a very strong adaptability and fexibility, with direct monitoring, process, and the ability to adapt to the system conditions, can satisfy the demand for power supply different occasions.On the PWM control technology, PWM pulse with sine pulse based on the analysis of the effect of using MANTLAB software Simulink platform invoke each functional sub-modules based digital power inverter circuit simulation system, set up the simulation parameters on the phase voltage harmonic analysis.

MATLAB; Inverter Circuit; FFT; Simulation

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.12.012

:XU Qing, CHEN Li-dong, LIU Lei. Simulation and Analysis on Digital power Inverter Circuit[J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(12) : 64-68.

许青（1966-），男，工程师，主要从事变电运维与检修管理工作；陈立东（1986-），男，工程师，主要从事变电设备状态管理工作；刘磊（1986-），女，工程师，主要从事变电一次设计工作

本文引用格式：许青，陈立东，刘磊.数字化电源逆变电路仿真分析[J]. 新型工业化，2016，6（12）：64-68.