一种新型的单相逆变电源控制方法

一种新型的单相逆变电源控制方法张建辉（华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌３３００１３）摘要：针对目前单相逆变电源常规控制方法的不足，提出了一种新型的基于电压空间矢量脉宽调制（ＳＶＰＷＭ）技术的控制方法，并采用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件完成了系统建模，对其进行了理论分析和仿真试验，结果验证了方案的可行性和优越性。

关键词：逆变器；控制方法；空间矢量脉宽调制中图分类号：ＴＰ２７３文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－０６７９（２００８）０２－００７７－０４常用的逆变电源控制方法有正弦脉宽调制（ＳＰＷＭ）、特定谐波消除（ＳＨＥＰＷＭ）和电压空间矢量脉宽调制（ＳＶＰＷＭ）［１］。

ＳＨＥＰＷＭ只能消去指定的谐波分量，并没彻底改善电压波形，且计算工作量大，不利于实时控制。

ＳＰＷＭ容易实现对电压的控制，控制线性度好，但电压利用率低。

采用一般的线性调制方法时，输出的电压基波幅值最大值仅为母线直流电压的一半。

在同等的开关频率下，它的开关损耗也较大。

ＳＶＰＷＭ是２０世纪８０年代中期由日本学者在交流电机调速中提出，由磁通轨迹控制思想发展而来的，其物理概念清晰，电压利用率高，低次谐波含量少，开关损耗小，算法简单适合数字化控制方案实现。

ＳＶＰＷＭ在各类三相逆变电路中得到了广泛应用，但在单相逆变电路中尚不多见。

结合三相ＳＶＰＷＭ技术的基本原理，将三相ＳＶＰＷＭ技术中的各种研究成果移植于单相ＳＶＰＷＭ技术中［２］，从而可以对单相逆变电路产生较好的控制效果。

１单相逆变器电压空间矢量分析单相逆变电源常采用如图１所示的全桥逆变电路。

逆变器工作时桥臂的上下开关元件在任一时刻不能同时导通，不考虑死区则上下桥臂的开关呈互逆状态，因此可以用两个上桥臂的功率器件的开关状态来描述逆变器的工作状态。

为便于研究计算，将逆变桥功率器件开关由理想两位置开关Ｋａ和及Ｋｂ代替，其电路模型如图１所示［３］。

图１中每个开关有１和０两种状态。

“１”表示开关与上部触点接触，即上桥臂ＩＧＢＴ导通；“０”表示开关与下部触点接触，即下桥臂ＩＧＢＴ导通。

由此可知Ｋａ和Ｋｂ的组合总共有４种状态，用自然二进制编码的方法将这４个开关状态下输出的电压记为矢量ν０、ν１、ν２和ν３，逆变器功率器件开关状态和输出电压矢量对照表如表１所示。

电压矢量ν＝［Ｖａｂ］在一维空间内形成４个离散的电压空间矢量，如图２所示。

可以看到矢量ν１和ν２在ｘ轴上，矢量ν０和ν３在原点位置。

———————————————————［收稿日期］２００８－０４－０９［基金项目］国家自然科学基金资助项目（５０５７７０２５）［作者简介］张建辉（１９７９－），男，河南郾城人，讲师，硕士。

表１功率器件开关状态与输出电压矢量对照表图１单相全桥逆变电路模型苏州科技学院学报（工程技术版）第２１卷第２期Ｊ．ｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＳｕｚｈｏｕＶｏｌ．２１Ｎｏ．２２００８年６月（ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）Ｊｕｎ．２００８２００８年苏州科技学院学报（工程技术版）用同样的方法来分析单相正弦电源，令ｕ＝Ｕｍｓｉｎ!ｔ（１）则单相电源矢量ｕ＝［ｕ］在一维空间的矢量如图３所示，ｕ的模随时间ｔ按正弦规律变化。

图２逆变器输出电压空间矢量图３正弦电源电压空间矢量显然，逆变器的输出状态在ｖ０～ｖ３间不断切换，按照平均电压相等的原则，通过控制逆变器电压空间矢量作用时间就可以合成等效的正弦波电源矢量了。

由图２和图３可知，如果ｕ＞Ｖｄｃ则无法合成等效的正弦电源矢量，由此可定义调制比Ｍ为期望输出正弦电压幅值与逆变器输出电压矢量模之比，如式（２）所示。

Ｍ＝Ｕｍ／Ｖｄｃ≤１（２）２单相电压空间矢量调制的算法与实现观察上述４个电压空间矢量可以发现ｖ０、ｖ３对应的逆变器输出电压为零，将其记为零矢量，ｖ１、ｖ２记为非零矢量。

零矢量虽然对正弦波幅值的合成没有影响，但是，通过合理分布零矢量作用时间序列可以减少开关器件状态切换次数，降低开关损耗以及器件频繁开关所引起的谐波。

在一个载波周期内，根据ｖｉ－ａｖ选取非零矢量：当ｖｉ－ａｖ∈［－Ｕｍ，０）时，取ｖ１；当ｖｉ－ａｖ∈［０，Ｕｍ］时，取ｖ２。

按照一个ＰＷＭ载波周期内期望平均电压与逆变器实际输出电压平均值相等的矢量合成原则，非零矢量作用时间Ｔｃ可由式（３）求得。

Ｔｃ＝（ｖｉ＿ａｖ／Ｖｄｃ）Ｔｐｅｒｉｏｄ（３）式中：Ｖｄｃ为直流母线电压值，Ｔｐｅｒｉｏｄ为ＰＷＭ载波周期。

零矢量作用时间Ｔ０可由式（４）求得：Ｔ０＝Ｔｐｅｒｉｏｄ－Ｔｃ（４）各矢量作用时间确定后还需进一步确定零矢量，根据零矢量的选择和非零矢量作用时间的分配可得到不同的调制方式。

调制方式不同，其对应的功率器件开关次数和输出电源所含谐波都有所不同。

调制模式Ｉ见图４，这种模式在一个ＰＷＭ周期内平均分配两个零矢量，每个零矢量作用时间为Ｔ０／２，按开关状态变化最少的原则分布零矢量与非零矢量。

在此模式下每个开关器件在一个ＰＷＭ载波周期内要动作两次。

调制模式ＩＩ如图５所示，这种模式固定选取零矢量ｖ０，可看到与模式Ｉ相比，任一ＰＷＭ周期内总有一相桥臂不动作，开关动作总次数减少了一半。

７８第２期张建辉：一种新型的单相逆变电源控制方法３仿真试验基于上述分析，采用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件对单相逆变器系统进行建模。

系统仿真参数为：逆变器直流输入电压Ｖｄｃ＝４００Ｖ，参考正弦工频电压幅值为Ｖ＿ｒｅｆ＝２２０Ｖ，ＰＷＭ载波频率ｆ＝２０ｋＨｚ，滤波电感Ｌｆ＝２ｍＨ，滤波电容Ｃｆ＝１０ｕＦ，负载电阻Ｒ＝２０Ω。

３．１各单相ＳＶＰＷＭ调制方式仿真分析不同的ＳＶＰＷＭ调制方式所产生的逆变器输出电压谐波分布也不尽相同。

基于上述两种调制模式，利用Ｍａｔｌａｂ／Ｐｏｗｅｒｇｕｉ模块可方便地对信号进行ＦＦＴ分析。

采用调制模式Ｉ的逆变器输出电压ｕａｂ（ｔ）频谱分析如图６所示，可以看到其首次谐波发生在两倍ＰＷＭ载频左右，即４０ｋＨｚ左右。

采用调制模式ＩＩ的逆变器输出电压ｕａｂ（ｔ）频谱分析如图７所示，其首次谐波发生在ＰＷＭ载频左右，即２０ｋＨｚ左右。

由仿真结果可以看出调制模式Ｉ的谐波含量较少，因此本文最终采用调制模式Ｉ实现单相ＳＶＰＷＭ控制。

３．２负载电压仿真结果用电负载种类繁多，对逆变电源负载来说最恶劣的负载便是非线性负载，如整流性负载。

这是因为带非线性负载后负载中流过的电流并非正弦波而是发生了畸变，这个发生了畸变的电流会影响输出电压的正弦度，使输出电压波形发生畸变。

仿真时使用单相整流桥作为非线性负载，观察负载电压波形是否符合要求，仿真波形如图８所示。

由仿真波形可以看到负载波形十分理想，经测算其ＴＨＤ含量约为３．５％左右。

在实际使用中负载时常会发生变化因此有必要考查输出电源在负载变化时的动态变化情况，负载动态变化时负载电压电流仿真波形如图９所示。

当ｔ＝０．０２５ｓ时并联增加１个２０Ω负载电阻，当ｔ＝０．０５５ｓ时去掉这个新增负载电阻。

由仿真波形可以看到其动态响应过程还是非常迅速的，输出电压很快回到给定值。

７９２００８年苏州科技学院学报（工程技术版）４结语仿真实验结果表明ＳＶＰＷＭ技术更为灵活、算法更易于数字化实现，将其应用于单相逆变电源中是切实可行的。

且提出的调制模式Ｉ谐波含量较少，在线性负载、非线性负载和负载切换状态下系统输出电压波形质量良好，幅值稳定，ＴＨＤ含量少。

这些相对于其它控制方法有明显的优点，从而验证了该控制方案的可行性和优越性。

参考文献：［１］宋平岗．变速风力发电系统变流与优化控制研究［Ｄ］．成都：西南交通大学，２００６．［２］易龙强，戴瑜兴．ＳＶＰＷＭ技术在单相逆变电源中的应用［Ｊ］．电工技术学报，２００７，（９）：１１２－１１３．［３］许莹莹，宋平岗，张建辉．一种新型的风机变流器控制方法［Ｊ］．苏州科技学院学报：工程技术版，２００７，２１（４）：７０－７１．ＡＮｅｗＣｏｎｔｒｏｌｂｙＳｉｎｇｌｅ－ＰｈａｓｅＩｎｖｅｒｔｅｒＰｏｗｅｒＺＨＡＮＧＪｉａｎ－ｈｕｉ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＥａｓｔＣｈｉｎａＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ３３００１３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｅｔｏｔｈｅｄｅｆｅｃｔｓｉｎｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｓｏｆｓｉｎｇｌｅｉｎｖｅｒｔｅｒｐｏｗｅｒ，ｔｈｅｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓａｎｅｗｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｖｏｌｔａｇｅｓｐａｃｅ－ｖｅｃｔｏｒｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ．ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｍｏｄｅｌｓａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅＳｉｍｕｌｉｎｋｏｆＭａｔｌａｂ，ａｎｄｔｈｅｔｈｅｏｒｙａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｒｅａｌｓｏｍａｄｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｅｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙａｎｄａｄｖａｎｔａｇｅｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄ；ｓｐａｃｅ－ｖｅｃｔｏｒｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（上接第７１页）ＰｒｏｐｅｒｔｙＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＴｒａｃｉｎｇＡｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆＯｄｏｒＳｏｕｒｃｅｂｙＭｏｂｉｌｅＲｏｂｏｔＴＡＮＧＢｏ，ＷＡＮＧＪｉａｎ，ＪＩＪｉａｎ－ｌａｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＵＳＴＳ，Ｓｕｚｈｏｕ２１５０１１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐａｐｅｒｓｉｍｕｌａｔｅｓｔｈｅｈｅｘ－ｐａｔｈｔｒａｃｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｔｈｅｍｏｂｉｌｅｒｏｂｏｔｔｏｓｅａｒｃｈｆｏｒｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｏｄｏｒｓｏｕｒｃｅｗｉｔｈｓｉｎｇｌｅｇａｓｓｅｎｓｏｒｓ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｕｎｄｅｒｖａｒｉｏｕｓａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｈａｖｅｂｅｅｎｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｐａｐｅｒａｌｓｏｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ａｎｄｃｏｎｆｉｒｍｓｔｈｅｋｅｙｐｏｉｎｔｓａｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｃｔｉｖｅｏｌｆａｃｔｉｏｎ；ｏｄｏｒｓｏｕｒｃｅ；ｔｒａｃｉｎｇ；ａｌｇｏｒｉｔｈｍ!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!８０。