基于空间矢量的微电源逆变器调制方法研究

马涛

【摘 要】微网中微电源逆变器控制脉冲信号的调制效果直接影响逆变器输出的电气性能。对于逆变器的控制脉冲信号调制，目前较多采用正弦脉宽调制方式和空间矢量调制方式。本文介绍了空间矢量脉宽调制（SVPWM）的基本原理，设计了微电源逆变器控制脉冲信号的生成方案，并对正弦脉宽调制方式和空间矢量调制方式进行了对比分析，最终通过Matlab仿真软件验证了该方案的有效性。

【关键词】微电网；微电源逆变器；脉宽调制；SVPWM

中图分类号： TM744 文献标识码： A 文章编号： 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 空间矢量脉宽调制（SVPWM）

从发电机的角度考虑，交流电机的理想磁通能用一圆形旋转矢量表示。由于电压为磁通的积分，故交流电机的理想磁通产生的感应电压也可以用一圆形旋转矢量表示。若通过调制，将逆变器的输出电压用一圆形旋转矢量表示，即可将其等效为一磁通理想的交流电机，也就实现了其由DC到AC的逆变的功能。如何合成该圆形旋转电压矢量为调制的关键[1-2]，即空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术。

2 SVPWM原理

2.1 扇区和基本矢量

对于三相半桥两电平逆变器，三个桥臂的开关信号分别记为Sa，Sb，Sc。开关信号为1 代表该相上方的开关管导通，下方的开关管关断；开关状态为0 代表该相下方的开关管导通，上方的开关管截止。因此，三个桥臂的开关状态组合一共有8 种：000，001，010，011，100，101，110，111[3-4]。对于每一种开关状态，可以通过图1 来求得三相的电压值UsA，UsB，UsC。

利用式（1）可以得到电压空间矢量，见图2。

Us=■（U■+U■e■+U■e■）（1）

图3中标出了六个非零电压空间矢量的位置，它们将圆周分为六个角度为60°的扇区。本文采用的定义方式见图3。

SVPWM中，将该圆形旋转电压矢量作为参考矢量，将上述六电压矢量作为基本矢量加上000、111，通过算法来合成该时刻的U*。

2.2 扇区的确定

SVPWM的每个参考矢量需要至少两个基本矢量合成。例如图3中，扇区Ⅲ的参考矢量至少需要U4、U6合成。由于零矢量的长度为零，不会对参考矢量的合成造成影响。在U4、U6基础上，可以加入零矢量。零矢量的加入会影响调制的开关频率，加入零矢量的选择将在2.4小节进行阐述。

合成任一参考矢量，首先需要判断该矢量落在哪一扇区，然后即可选择该扇区两侧的参考矢量进行合成。由于参考电压αβ坐标系表示时的扇区判断方法较为简明，通常将电网电压U，U作为SVPWM的输入。具体判断方式，见表1。

2.4 基本矢量作用顺序的确定

根据一个采样周期中开关状态的个数，SVPWM分为五段式和七段式两种模式。一个周期内，七段式的方式存在七个开关状态。其中，首末状态为U0（000），中间的为U7（111）。为了减少开关损耗，应该使每次只有一个开关的状态变化。所以，第二个和第六个开关状态为U1（001）U2（010）U4（100）中的一个；第三四个为U3（011）U5（101）U6（110）中的一个。

以扇区III作一说明：非零参考向量为U4（100）U6（110）。根据以上原则，U4应该在之前开始出现，在结束之后消失。状态变化为000-100-110-111-110-100-000。为了使000和111两个零向量在一个周期内的作用效果相互抵消，它们的作用时间应该相等，均为（Ts-T4-T6）/2。由于七段式模式的对称性，000、111状态在对称轴两侧的持续时间均为（Ts-T4-T6）/4。电压变化（开关状态）图见图4。其他扇区的开关状态也可以由该方法得出[5-6]。

3 仿真验证

3.1 SVPWM的仿真

基于上述原理，使用S函数编写SVPWM的程序，在MATLAB-SIMULINK中搭建仿真模型，实现了空间矢量脉宽调制。仿真参数设置如下：开关频率10KHz，直流电压Ud=800V，三角波峰值5e-5。仿真结果见图5-图6。

可知，SVPWM的开关信号按照顺时针顺序（III- II- VI- IV-V-Ⅰ-III）在扇区中随时间缓慢变化。限于图形尺寸，图6中仅表示出扇区IV到扇区 V变化的过程。

3.2 SVPWM和SPWM的比较分析

为了比较SVPWM和SPWM的特点，取0.02s的时间，使用同样的开关频率1e-4，同样的采样时间1e-6，用SVPWM和SPWM的方法分别进行了调制，结果见图7和图8。

由上述结果可知，SPWM开关动作更频繁，SVPWM能减少开关动作频率，降低调制损耗。从图5的调制波分析：该马鞍波相当于在正弦波的基础上注入3次谐波，降低合成调制波幅值，有利于提高直流电压利用率。注入三次谐波之后，调制波峰值下降了。但SVPWM控制系统较为复杂，增加了设计难度。

4 结论

本文对空间矢量调制方法的原理和步骤进行了介绍，设计了微电源逆变器控制脉冲信号的生成方案。经过理论分析和仿真对比，表明该方案相比SPWM电压利用率更高、转矩脉动更小、噪声更低，输出的波形电流谐波更小，数字化控制更好实现，在合理安排矢量顺序的前提下，可使开关损耗降低。但是，空间矢量调制方法较为复杂，一定程度上增加了系统设计的难度。

【参考文献】

[1]石新春，王毅，孙丽玲.电力电子技术[M].中国电力出版社，2013.

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