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2007年第5期14基于SPWM 调制的2种 电压型四象限变流器比较与仿真宋文胜 张 雷 冯晓云（西南交通大学电气工程学院，成都 610031）摘要 在分析单相两电平和三电平四象限变流器工作原理的基础上，建立了基于理想开关函数的数学模型，介绍了其SPWM 调制原理。
通过计算机仿真对这两种变流器进行了对比，得出三电平四象限变流器是一种性能更优的AC-DC 变换装置。
关键词：四象限变流器；预测电流控制；SPWMComparison Two Voltage-source 4-quadrant Converter and theirSimulation Based on SPWM ModulationSong Wensheng Zhang Lei Feng Xiaoyun（School of Engineering Southwest Jiao Tong University, Chengdu 610031）Abstract Based on analyzing single phase two-level and three-level 4-quadrant converter’s principle, the mathematic model of ideal switch function is established, the principle of SPWM is introduced. The two converters is compared, we can come to the conclusion that three-level 4-quadrant converter is a excellent AC-DC device.Key words ：4-quadrant converter ；predictive current control ；SPWM1 引言随着电力电子技术的快速发展与成熟，高功率因数的AC/DC 变换装置已在铁路牵引传动系统得到广泛应用。
第4卷中国舰船研究第4卷第5期2009年10月中国舰船研究Chinese Journal of Ship Research Vol .4No.5Oct.2009收稿日期:2008-09-03作者简介:朱承邦(1963-,男,高级工程师。
研究方向:雷达应用1引言现代科技发展日新月异,各类电气设备对电源的品质要求也越来越高。
逆变供电作为一种有效的电力供应形式,已广泛应用于生产生活的各个领域。
为了不断改善逆变器输出性能,人们发展出了多种逆变器控制方法,常见的有:电压瞬时值控制、电流滞环控制、电流预测控制、鲁棒控制[1]、重复控制[2,3]、滑模控制[4]及SPWM 电流控制等。
就各种逆变器控制策略的特点来看,基于SPWM 的电压电流双环逆变器控制是一种较好的控制方法[5,6]。
本文针对电压电流双环逆变器控制模型,设计了电流内环和电压外环的控制参数,对设计的双环控制逆变器模型进行了仿真分析,分析结果基于SPWM 控制的电压、电流双环逆变器建模及其仿真朱承邦1李乐2王晓鹏21大连船舶重工集团有限公司军事代表室,辽宁大连1160052中国舰船研究设计中心,湖北武汉430064摘要:基于SPWM 的电压电流双环逆变器控制相对其他逆变器控制策略具有一定优越性,但其控制器参数设计却是一个重点和难点。
针对逆变器的SPWM 电压电流双环控制策略,建立了系统的控制模型,设计了电流内环和电压外环的控制器参数,并根据经典控制理论的判据,分别对控制器电流内环和电压外环参数进行了理论验证。
最后根据设计的控制器参数,对SPWM 电压电流双环控制系统模型进行了仿真分析,结果表明,系统设计合理,效果满意。
关键词:SPWM ;逆变器;电压电流双环;仿真中图分类号:TM743文献标志码:A文章编号:1673-3185(200905-54-05Modeling and Si mulation of Voltage and Current Double Loop Control Based on SPWM InvertersZhu Cheng-bang 1Li Le 2Wang Xiao -p eng 21The Naval Representative Office ,Dalian Shipbuilding Heavy Industry Co.,Dalian 116005,China2China Ship Development and Design Cent er ,Wuhan 430064,ChinaAbstract :Comparing with other inverters control strategy ,voltage and current double loop control based on SPWM inverters are superior in capabilities though the controller parameters design is significant and difficult.In this paper ,the system controlmodel has been constructed in term s of inverters of SPWM voltage and current double loop control strategy ,and the current inner loop and voltage outer loop controller parameters design has been proposed with theoretical validation of classic control theory criterion.T he SPWM voltage and current double loop control system model simulation provided with designed controller parameters show s that the system design is reasonable and the effect is satisfying.Key words :SPWM ;inverter ;voltage and current double loop ;simulation第5期证明了系统参数设计的合理性。
收稿日期:2000-07-10 修订日期:2000-08-18]电器电工技术]SPWM 电压型逆变电路谐波仿真分析万健如,林志强,杨 帆,禹华军(天津大学,天津 300072)摘 要:根据SPW M 基本原理,应用M AT LAB 软件及其电气模块库,建立逆变电路及其负载感应电机模型,针对影响逆变电路输出电压频谱分布的主要因素进行仿真分析,对仿真结果进行比较,得出其频谱分布的规律性结论。
根据结论,通过设计加装滤波器来抑制逆变电路输出谐波,并加以仿真比较,得到了较好的滤波效果。
关 键 词:SPW M;谐波分析;逆变电路中图分类号:T M921.51 文献标识码:A 文章编号:1001-4551(2000)06-0050-04H armonic Simulation and Analysis of V oltage -sourced SPWM I nverterW AN Jian 2ru ,LI N Zhi 2qiang ,Y ANGfan ,Y U Hua 2jun(Tianjin Univer sity ,Tianjin 300072)Abstract :By the principle of SPW M ,the inverter and m ortor m odel based on the P ower System Blockette in M AT LAB s oftware is established.The rule of harm onic spectrum distribution and the trends toward which harm onics vary with inverter parameters have been given after the quantitative harm onic analysis of inverter output wave.At last ,a sim ple practical and effective filter is de 2signed to eliminate the ham ornics and verified by the simulating results.K ey w ords :SPW M;harm onic analysis ;inverter1 引 言随着PW M 技术的发展,调速性能得到很大提高,变频器应用越来越广泛,但逆变电路输出侧产生的高次谐波对其负载和周围电气装置会产生很大负面影响。
SVPWM与SPWM比较仿真研究张成;王心坚;衣鹏;孙泽昌【摘要】分析比较了SVPWM与SPWM的基本思想、实现原理和调制函数,并在Matlab/Simulink 中建立交流调速系统进行比较仿真.理论分析和仿真结果表明,两者既有区别又有联系.相比于传统SPWM,SVPWM直流电压利用率提高15.47％；相同条件下,SVPWM可获得更低的转矩波动,更低的电压谐波畸变率,在电机空间内形成更接近圆形的旋转磁场.SVPWM实质上是基于空间矢量、对在三相正弦波中注入了零序分量的调制波进行规则采样的一种变型SPWM.%In this paper, analysis and comparison of the basic idea, implementation principle as well as modulation function of space vector PWM (SVPWM) and SPWM are presented. And a model of AC speed regulating system is built in Matlab/ Simulink environment in order to conduct a comparative simulation. The theoretical analysis and simulation result demonstrate differences between SVPWM and SPWM as well as their connections. Compared with conventional SPWM, SVPWM gains a 15. 47% increase in DC voltage utilization ratio. Given the same condition, SVPWM yields lower torque ripple,lower total harmonic distortion of output voltage as well as a rotating magnetic field closer to a circular in motor space. SVPWM is essentially a variant of SPWM whose modulation wave is derived by adding a zero-sequence component to that of SPWM.【期刊名称】《机械与电子》【年(卷),期】2013(000)001【总页数】5页(P3-7)【关键词】SVPWM;SPWM;比较仿真;脉宽调制【作者】张成;王心坚;衣鹏;孙泽昌【作者单位】同济大学新能源汽车工程中心,上海201804;同济大学新能源汽车工程中心,上海201804;同济大学新能源汽车工程中心,上海201804;同济大学新能源汽车工程中心,上海201804【正文语种】中文【中图分类】TN787.20 引言采用脉宽调制（PWM）技术是变频器抑制谐波的主要措施［1-2］。
SPWM波控制逆变器双闭环PID调节器的建模与仿真随着电力行业的快速发展，逆变器的应用越来越广泛，逆变器的好坏会直接影响整个系统的逆变性能和带载能力。
逆变器的控制目标是提高逆变器输出电压的稳态和动态性能，稳态性能主要是指输出电压的稳态精度和提高带不平衡负载的能力；动态性能主要是指输出电压的THD(Total Hannonic Distortion) 和负载突变时的动态响应水平。
在这些指标中对输出电压的THD 要求比较高，对于三相逆变器，一般要求阻性负载满载时THD 小于2%,非线性满载(整流性负载)的THD 小于5%.这些指标与逆变器的控制策略息息相关。
文中主要介绍如何建立电压双环SPWM 逆变器的数学模型，并采用电压有效值外环和电压瞬时值内环进行控制。
针对UPS 单模块10 kVA 单相电压型SPWM 逆变器进行建模仿真。
通过仿真，验证了控制思路的正确性以及存该控制策略下的逆变器所具有的鲁棒性强，动态响应快，THD 低等优点。
并以仿真为先导，将其思想移植到具体开发中，达到预期效果。
1 三电平逆变器单相控制模型的建立带LC 滤波器的单相逆变器的主电路结构如图1 所示。
图1 中L 为输出滤波电感，C 为滤波电容，T1,T2,T3,T4 分别是用来驱动IGBT 的三电平的SPWM 波，U0 为输出负载两端的电压。
在建立控制系统的仿真模型时，需要采集负载两端的电压与实际要求的电乐值做比较，然后通过调节器可以得到所需要调节的值。
在此仿真模型中，驱动波形采用的是三电平的SPWM 波形，具体的产生原理在这不做详细描述。
在Matlah 的Simlink 库中SPWM 波的产生如图2 所示，这里调制比设为0.8。
图1 三电平逆变器单相主电路图2 四相SPWM 产生电路。
SPWM变频调速系统的MATLAB仿真1.1系统仿真综述在采用电力半导体器件对电动机进行交流调速的分析研究中，计算机仿真技术已经显示出了它的巨大优越性。
MATLAB/SIMULINK环境是一种优秀的系统仿真软件，使用它可以大大提高系统仿真和CAD的效率和可靠性。
本设计的特点是用MATLAB对基于SPWM控制的交流异步电动机变频调速系统进行仿真分析。
系统仿真模型主要由整流器、滤波器、逆变器、电动机模型以及SPWM控制器几部分组成，对实际系统的分析与研究十分有帮助。
本文根据电力电子器件的开关原理、PWM调制方式的动作过程和自动控制理论，结合具体的电路拓扑结构并基于多信息融合思想，构建计算机仿真方案，在通过分析比较仿真波形、仪表的显示结果和存储示波器的记录，检验数学模型、电路拓扑结构、调节器方式和主要元器件参数是否正确，修改设计方案，逐步达到预期的目的。
本文用仿真调速系统控制一台三相异步电动机。
系统工作过程是：首先通过电网中获得三相对称交流电，然后经过三相不可控整流和SPWM控制方式下的逆变器为电动机提供电源。
电动机在三相逆变电源的控制下产生电磁转矩带动负载工作。
在本系统中，三相桥式逆变电路的基本工作方式采用的是导电方式，同一相(即同一半桥)上下两个臂交替导电，这样，在任意瞬间，将有3个桥臂同时导通。
在控制电路中，采用的是正弦波脉宽调制法(SPWM)，即三角形载波信号和三相对称的正弦波参考信号相比较，在交点处发出三相脉冲调制信号，去驱动逆变器主回路的各IGBT的基极，当改变参考信号的幅值时，相电位脉冲的脉宽随之改变，从而改变了主回路基波相电压的大小。
当改变参考信号的频率时，输出电压的频率随之改变。
如果同时改变参考电压的幅值和频率，就可以实现变频调速系统u/f＝常数的要求。
这种调制方式的特点是在半个周期内，脉冲间中心线等距，脉冲等幅、调宽，各脉冲面积之和与正弦波下的面积成正比。
在SPWM方式中，经常要用到调制系数M(M＝调制波幅值/载波幅值)。
武汉理工大学《电力装置与系统》课程设计说明书摘要分析单相电压型PWM整流电路(功率因素校正电路)的工作原理和工作模式, 功率因数校正（PFC）技术诞生与20世纪80年代，它采用的是高频开关工作方式，具有体积小，重量轻，效率高，输入功率因素（PF）接近１的优点，采用PWM进行控制,其中控制方法采用的是电流滞环比较法，因硬件电路简单，属于实时控制，电流响应快，对负载的适应性强，由于不需要载波，所以输出电压不含特定频率的谐波分量，另外，这种控制方式，有利于提高电压利用率选择适当的工作模式和工作时序,可使PWM整流电路的输出直流电压得到有效的稳定值。
同时也调节了交流侧电流的大小和相位,实现能量在交流侧和直流侧的双向流动,并使变流装置获得良好的功率因数。
最后建立其Matlab的仿真模型,验证了设计的正确性。
关键词：单相电压型，PWM整流，功率因素校正，电流滞环比较法，Matlab仿真武汉理工大学《电力装置与系统》课程设计说明书目录1 PWM控制技术 (2)1.1 PWM简介 (2)1.2 PWM控制原理和应用 (2)1.2.1 PWM控制的基本原理 (2)1.2.2 PWM计算法和调制法 (4)1.2.3规则采样法 (6)1.2.4 PWM跟踪控制技术 (7)2 功率因素校正技术 (8)2.1功率因数(PF)的定义 (9)2.2功率因数校正 (9)2.3功率因数校正实现方法 (10)2.4提高功率因数的几种方法 (11)2.4.1提高自然因数的方法 (11)2.4.2人工补偿法 (11)3 Matlab 仿真实验 (11)3.1电路的工作原理 (11)3.2实验要求 (14)3.3Matlab仿真步骤和波形 (14)3.3.1选取器件 (14)3.3.2设置各器件的仿真参数 (15)3.3.3运行和调试 (15)3.4仿真结论 (17)4总结与体会 (17)参考文献......................................................................................................................................1 6武汉理工大学《电力装置与系统》课程设计说明书1PWM 控制技术1.1 PWM 简介PWM 的全称是Pulse Width Modulation （脉冲宽度调制），它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。
2007年第5期14基于SPWM 调制的2种 电压型四象限变流器比较与仿真宋文胜 张 雷 冯晓云（西南交通大学电气工程学院，成都 610031）摘要 在分析单相两电平和三电平四象限变流器工作原理的基础上，建立了基于理想开关函数的数学模型，介绍了其SPWM 调制原理。
通过计算机仿真对这两种变流器进行了对比，得出三电平四象限变流器是一种性能更优的AC-DC 变换装置。
关键词：四象限变流器；预测电流控制；SPWMComparison Two Voltage-source 4-quadrant Converter and theirSimulation Based on SPWM ModulationSong Wensheng Zhang Lei Feng Xiaoyun（School of Engineering Southwest Jiao Tong University, Chengdu 610031）Abstract Based on analyzing single phase two-level and three-level 4-quadrant converter’s principle, the mathematic model of ideal switch function is established, the principle of SPWM is introduced. The two converters is compared, we can come to the conclusion that three-level 4-quadrant converter is a excellent AC-DC device.Key words ：4-quadrant converter ；predictive current control ；SPWM1 引言随着电力电子技术的快速发展与成熟，高功率因数的AC/DC 变换装置已在铁路牵引传动系统得到广泛应用。
我国电气化铁路采用单相工频交流25kV 供电，所以电力机车传动系统（交-直-交）均采用单相变流器。
我国电力机车先后经历了二极管不控整流、相控整流、全控四象限整流三个阶段。
目前，我国电力机车均采用单相两电平四象限变流器[1][2][3][4]作为其交-直变换器。
随着经济的快速增长，我国铁路已经先后进行了五次大提速，2007年4月18日，铁道部将进行第六次提速，大功率和高速列车的研制已成为我国铁路工作者的重要课题。
由于两电平四象变流器的开关器件所承受电压应力较大，不适合大功率场合。
多电平变流器具有开关器件电压应力小，对电网产生谐波很小等优点，成为了电力电子行业研究的热点问题。
本文以单相两电平四象限变流器和三电平二极管钳位四象限变流器[5][6][7]（NPC ）为例，介绍了它们的SPWM 调制原理，采用Matlab/Simulink 进行了计算机仿真， 并详细分析了其各自的优缺点。
2 四象限变流器工作原理及其数学模型单相四象限变流器的两电平和三电平主电路图如图1所示。
为了便于分析，定义理想开关函数A S 和B S ，两电平电路如式（1）和（2）所示，三电平电路如式（3）和式（4）所示。
⎩⎨⎧=导通导通a a A S S S 2101 （1） ⎩⎨⎧=导通导通b b S S S 21B 01 （2）⎪⎩⎪⎨⎧−=导通和导通和导通和a a a a a a A S S S S S S S 433221101 （3）⎪⎩⎪⎨⎧−=导通和导通和导通和b b b b b b S S S S S S S 433221B 101 （4）则这两种变流器均可以用理想开关等效，其等效电路如图2所示。
2007年第5期15（a ）两电平（b ）三电平图1 单相四象限变流器主电路图（a ）两电平（b ）三电平图2 单相四象限变流器开关等效电路对于两电平四象限变流器，其输入端电压ab U 如式（5）所示，对于三电平四象限变流器，假设两电容21C C =，且两电容上的电压21u u =，则ab U 如式（6）所示。
dc B A ab U S S U )(−= （5）)(dc B A ab U S S U −= （6） 由式（5）和（6）可知，当电容1C 、1C 和d C 所承受电压相同，开关器件的额定功率相同时， 三电平结构的变流器的直流侧电压能够比两电平提高一倍。
在相同的直流侧电压需求的情况下，与两电平相比，三电平结构的变流器的开关器件所承受的电压应力减小一半。
这也就是三电平和多电平结构的变流器适合大功率传动系统的原因。
根据式（5）和（6），系统的瞬时等值电路如图3所示，通过不同的控制方法适当调节ab U 的大小和相位，就能控制输入电流的相位以控制系统功率因数，同时控制输入电流的大小以控制传入功率变换的能量，也就控制了直流侧输出电压。
因此，通常采用电压外环和电流内环相结合的双闭环控制方式。
则此等值电路的电压矢量平衡方程为：→→→→++=ab s ss U i R dti d L U （7）图3 四象限变流器瞬时等值电路根据图2所示，分别对其等效电路采用基尔霍夫定律可得到这两种主电路的数学模型。
两电平结构的变流器数学模型如式（8）所示，三电平结构的变流器如式（9）所示。
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧−−−=−−−=L L dc s B A dc d dc B A s s s R e U i S S dt dU C U S S R i u dt di L )()( （8） ⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧−−−−−=−−+−+=−−−=L L dc s A A B B L L dc s B B A A dcB A s s s R e U i S S S S dt duC R e U i S S S S dt du C U S S Ri u dtdi L 2)1()1(2)1()1(2)(2211（9）2007年第5期163 SPWM 调制原理两电平四象限变流器调制方式如图4（a ）所示。
当a 相（开关管a S 1，a S 2所在桥臂）调制波a u 大于载波ca u 时，PWM 信号A S 为1，否则A S 为0；b 相与a 相调制方式形同， b 相调制波cb u 与a 相调制波ca u 相位相差180°，b 相载波与a 相载波相同。
（a ）两电平SPWM 调制示意图（b ）三电平SPWM 调制示意图图4 四象限变流器SPWM 调制示意图三电平四象限变流器调制方式如图4（b ）所示。
依据a 相调制波a u （开关管a S 1，a S 2，a S 3，a S 4所在桥臂的电压指令）、正侧载波ca u （上）和负侧载波ca u （下）（三角波）的大小关系（表1），生成三电平PWM 信号A S 的+1、0、-1信号 。
b 相调制波b u 与a 相相差1800相位，其与b 相载波cb u 之间的关系与上述关系相同，为减少高次谐波，b 相载波需要偏离a 相载波180ﾟ相位。
表1 三电平变流器a 相调制波和PWM 载波的比较（PWM 信号生成）大小关系 u a >u ca （上） >u ca （下） u ca （上）> u a >u ca （下）u ca （上）>u ca （下）>u a PWM 信号S A ＝+1S A ＝0S A ＝-14 控制策略调制信号ab u 的产生主要有间接电流控制、瞬态电流控制和预测电流控制三种常见控制方法。
4.1 间接电流控制间接电流控制又称“幅相控制”，间接电流控制具体的数学公式如式（10）所示。
⎪⎩⎪⎨⎧−−=−+−=∫tL I t R I t u t u dtU U T U U K I s s s ab dc ref i dc ref p Nωωωcos sin )()()(1)(*****（10） 其中，p K 和i T 为PI 调节器的参数，*ref U 为中间直流侧电压给定值，*s I 为网侧电流的给定值。
ω为网侧电压角频率。
4.2 瞬态直接电流控制根据四象限变流器的控制原理，采用瞬态直接电流控制方案，可以对四象限变流器进行控制，其具体的数学公式如式（11）所示。
⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧−−+−=+==−+−=∫)](sin [ )cos sin ()()()(1)(****2*1**2***1t i t I G t LI t R I t u t u I I I U U I I dt U U T U U K I s ss s s ab s s s s dc dc s dc ref i dc ref p sωωωω （11） 其中，G 为比例放大系数，dc I 为中间直流环节电流。
为了减轻中间直流环节电压PI 调节器的负荷，改善PI 调节器的动态响应，用中间直流环节的电流dc I 来计算给定电流的有效分量*2s I 并将它和*1s I 相加，共同作为网侧电流的给定值*s I 。
将式（11）与式（7）相比较，瞬态电流控制需要反馈网侧电感电流s i ，前馈了一个)](sin [*t i t I G s s −ω环节，这样可以弥补间接电流控制中直流侧电压稳定慢、动态响应差、对系统参数变化不能很快作出调整等缺点。
4.3 预测直接电流控制其控制策略为经过一个PWM 开关周期s T ，使实际电流与指令电流相等。
即在任一PWM 开关周期（s k k T t t +、）内，电流必须满足式（12）。
)()(*k s s k s t i T t i =+ （12） 则预测电流控制策略的具体数学表达式如式（13）所示。
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧−−−=−+−=∫]sin )(sin [)()()(1)(*****t R I t i t I T L t u t u dt U U T U U K I s s s s s ab dc ref i dc ref p s ωω（13） 间接电流控制的动态特性差，一般较少采用，而瞬态电流控制和预测电流控制动的态特性较好。
本文采用预测电流控制作为两电平和三电平四象限变流器的控制策略。
2007年第5期 175 仿真结果取开关周期T s =1ms ，网侧电压s u 的有效值为V 1471，直流侧电压V 2700*=dc u 。
网侧漏感3mH =L ，直流侧电容μF 400021===C C C d ，负载Ω=20L R 。
加入LC 二次滤波环节，滤波环节的参数为：0.84mH '2=L , 3000μ'2=C F 。
图5（a ）为牵引工况下两电平结构的波形，图5（b ）为牵引工况下的三电平结构波形。
图6（a ）为牵引向再生工况下两电平结构的波形，图6（b ）为牵引向再生工况下三电平结构的波形。
