基于改进型正弦脉宽调制算法的单相逆变器输出电压和波形控制

胡赛纯，潘 健，李稳国，熊 洁，杨天宇



基于改进型正弦脉宽调制算法的单相逆变器输出电压和波形控制

胡赛纯1，潘 健2，李稳国1，熊 洁1，杨天宇1

(1. 湖南城市学院信息与电子工程学院，湖南 益阳 413000；2. 西安通信学院基础部，西安 710106)

尽管SPWM调制能获得较好的正弦波，但其谐波问题仍然不可忽视，就单相逆变器输出电压和波形控制问题在SPWM调制的基础上进行了一些改进研究﹒采用了在基波正弦调制参考波中附加一个三次谐波分量的方法，采用matlab/simulink对传统SPWM控制下的单相逆变输出和改进型算法分别进行了仿真比较，结果表明，采用改进SPWM控制算法对单相逆变器输出进行调制时，基波电压输出明显增大，输出电压总的谐波畸变率明显降低﹒该改进方法对单相逆变器输出电压和波形控制有一定的实际价值﹒

改进型SPWM；单相逆变器；调制；仿真

为了解决能源问题，近年来我国建立了大量的大型风力、光伏电站等分布式电源﹒这些分布式电源入网时必须引入大量并网逆变器装置﹒这些逆变器装置的接入会给配电网的电能质量、安全稳定运行等带来巨大的冲击﹒人们希望逆变器的输出能够得到有效和灵活的控制[1-2]﹒因此，对逆变器的电压输出和波形控制进行研究是很有实际意义的﹒在风力、光伏电站等分布式电源入网逆变时，常采用PWM调制方式对开关管进行控制，在PWM调制方法中，目前常采用的方法有方波调制、正弦波调制、SVPWM调制等[3-4]﹒由于正弦波调制（SPWM调制）能获得较好的正弦波，在逆变器电压输出和波形控制的工程实际中用的更为广泛，但其谐波问题仍然不可忽视[5]﹒本文就单相逆变器输出电压和波形控制问题在SPWM调制的基础上进行一些改进研究﹒

1 正弦脉宽调制

2 改进型正弦脉宽调制

SPWM控制输出波形很好，但需较高的开关频率且直流电压利用率不高，输出基波电压幅值1m≤D﹒增大调制参考电压rm，即增大调制系数M可增大基波输出电压1，但M值不能超过1，否则就不能实现正弦脉宽调制，输出电压中的谐波会增加﹒为了实现SPWM，调制波r的绝对值在任何时刻都应小于三角载波幅值Um﹒增大调制波r的幅值rm可以增加输出半周内各驱动脉冲的宽度，从而增加各处对应的输出电压脉冲宽度，增大输出电压，但中间处的脉冲宽度变化不显著[8]﹒为此，可采用改进方法﹒

3 仿真及结果分析

对传统SPWM控制下的单相逆变输出进行仿真，仿真电路图及参数设置见文献[9]，得到的输出波形图见图1，对其进行FFT分析得其频谱图见图2﹒从图2可看出输出交流电压基波幅值为150.4 V，总的谐波畸变率(THD)为263.75%﹒

图1 SPWM控制下单相全桥逆变输出波形图

图2 SPWM控制下谐波分析图

将SPWM控制方式进行改进，得改进型正弦脉宽调制信号产生仿真图见图3﹒图中“Clock”为时钟模块、“Repeating Sequence”为三角载波信号产生模块、“Boolean”和“double”为数据类型转换模块，“Trigonometric Function”为三角函数模块、“Out1”为输出接口模块、“Logical Operator”为逻辑运算、“Relational Operator”为关系运算、“Data Type Conversion”为数据类型转换、“Gain”为增益模块、“Product”为求积运算模块、“Constant”为产生常数信号模块、“add”为加法模块﹒SPWM控制下改进型的单相全桥逆变仿真图见图4﹒

图3 改进型SPWM信号产生仿真图

图4 改进型SPWM控制下单相全桥逆变仿真图

图4中“Subsystem2”是将图3进行封装所得，“Scope”为示波器、“Current Measurement”为电流测量、“Series RLC Branch”为负载、“DC Voltage Source”为直流电源、“powergui”为电力图形用户界面、“Universal Bridge”为逆变通用桥、“Multimeter”为测量模块，仿真时将其参数设置为：M取1、载波频率750 Hz、调制信号频率50 Hz，仿真波形见图5，FFT分析得频谱图见图6，可以看出输出交流电压基波幅值为242.9 V，其输出交流电压总的谐波畸变率(THD)为143.1%﹒

图5 改进型SPWM控制下单相全桥逆变输出波形

图6 改进型SPWM控制下谐波分析图

将这两种情况进行对比分析发现，利用改进SPWM控制算法对单相逆变器输出进行调制时，得到的基波电压为242.9 V，而传统SPWM控制下得到的基波电压只有150.4 V，可以看出输出基波电压明显增大；总谐波畸变率(THD)为143.1%，而传统SPWM控制下得到的谐波畸变率(THD)为263.75%，由此可以看出总的谐波畸变率明显降低了﹒

4 结语

本文利用SPWM算法对单相全桥逆变控制问题进行了一些研究，文中主要是在产生SPWM信号时将由单一的正弦波调制信号改进为含有基波和3次谐波调制信号，然后将改进的SPWM对逆变输出进行控制，获得了较好的效果﹒这种改进算法明显提高了输出电压的基波数值和总的谐波畸变率(THD)，但所带来的问题是使输出电压中增加了频率较低、数值较大的3次谐波，如何在此基础上去除这些谐波，这将是下一步值得继续研究的问题﹒

[1]余乐咏, 张小妍, 范明, 等. SPWM控制算法的Matlab仿真和失真度分析[J]. 航空发动机, 2016, 42(5): 32-37

[2]贺为婷, 程启建. SPWM波形生成算法的研究与仿真[J]. 电子设计工程, 2016, 24(23): 85-88

[3]杨静伟, 卢刚, 李声晋, 等. 一种基于SPWM控制的逆变器设计与仿真[J]. 微特电机, 2012, 40(9): 63-65

[4]胡赛纯. SPWM单相逆变电路的谐波分析[J]. 通信电源技术, 2011, 28(3): 45-47

[5]李加升, 杨金辉, 肖卫初. 基于神经网络内模的岸电电源波形控制[J]. 高电压技术, 2012, 38(11): 3033-3040

[6]徐顺刚, 许建平, 曹太强. SPWM逆变电源输出谐波分析及抑制方法研究[J]. 电子科技大学学报, 2010, 39(5): 701-705

[7]柳凌, 钱祥忠. 基于Matlab的三相桥式SPWM逆变器建模与仿真[J]. 电子设计工程, 2014, 22(14): 139-141.

[8]董彦敏, 谭智力, 姜钰梁. 改进的正弦脉宽调制控制算法综述[J]. 电源技术, 2012(5): 764-767.

[9]熊军华, 王亭岭. 三种SPWM波形生成算法的分析与实现[J].微计算机信息, 2008, 24(19): 307-309.

(责任编校：龚伦峰)

Output Voltage and Waveform Control of Single Phase Inverter Based on Improved Sine Pulse Width Modulation Algorithm

HU Saichun1, PAN Jian2, LI Wenguo1, XIONG Jie1, YANG Tianyu1

(1. College of Information and Electronic Engineering, Hunan City University, Yiyang, Hunan 413000, China; 2. Xi’an Communication Institute, Xi’an, Shaanxi 710106, China)

Although the SPWM modulation can obtain a good sine wave, the harmonic problem can not be ignored. The improvement of output voltage and waveform control of single-phase inverter based on SPWM modulation is studied. The addition of a three harmonic component method in fundamental sine wave modulation reference, Matlab / simulink is used to simulate the traditional SPWM single-phase inverter output and the improved algorithm. The results show that the use of improved SPWM control algorithm for modulation of the inverter output, the output fundamental voltage increases obviously and the output voltage harmonics the total distortion rate decreases significantly. The improved method has some practical value for the output voltage and waveform control of single-phase inverter.

improved SPWM; single phase inverter; modulation; simulation

TM935.21

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.04.0015

1672–7304(2017)03–0068–03

2017-05-04

湖南省自然科学基金项目(2017JJ2023)；湖南省教育厅科研项目(17C0297)

胡赛纯(1969- )，女，湖南桃江人，副教授，硕士，主要从事电能质量与逆变电源研究．E-mail: 649087292@qq.com