电压型逆变器SPWM控制仿真建模与分析

在MATLAB/SIMULINK仿真软件中可以很方便地建立如下模型，对SPWM进行仿真。

图9-10 SPWM仿真模型

图9-10巧妙地利用了SIMULINK分立模块，方便地实现了三相SPWM仿真，只需要简单地将图9-4中的常数0修改为三角波即可。Sine Wave正弦波输出模块的参数对话框如图9-11所示，通过相位一栏中的设置可以直接使其输出三个正弦波。Repeating Sequence周期序列输出模块参数对话框如图9-12所示，通过设置三角载波的最大点与最小点的坐标及其时间点就可以直接输出三角波形。有的仿真程序采用了方波积分获得三角波的方法，如果仿真步长较小的话，三角波精度还是可以的；但如果步长较大的话，那么该方法输出的三角波就不如图9-10中的方法好。

图9-11 正弦波输出模块设置

图9-12 周期序列输出模块设置

正弦波形与三角波形比较（Sum）后，可以经过Switch模块将两个预先设定的常数（0、1）分别输出。但是采用图9-10的方法更为简便——采用Relay继电器，继电器模块的参数设置如图9-13所示。图中的eps是一个常数，它是MATLAB内定的一个最小的浮点正数，仿真中可以当作0看待（但是在分母为一个趋近于0的场合中有着独特的作用）。

继电器输出的是三相PWM波形，利用Demux可以分解为三个独立的信号，然后连接到一个Scope输出模块，双击该模块在其Parameters中设置属性如图9-14所示（坐标轴个数设置成三个）；如果数据量很大的话，那么还需要在Data History中将数据存储空间放大，以便能够在仿真结束时可以观察到完整的仿真波形。

图9-13 继电器模块设置

图9-14 观察器模块设置

此外，在SIMULINK仿真参数对话框中也需要进行适当的设置，如图9-15所示。由于系统需要仿真频率为1000Hz的三角波，系统仿真的最大步长设置为三角波周期的1/20，这样才能够得到比较准确的结果；否则如果设置过大的话（有时auto也会出问题），根本得不到正确的三角波，最后的SPWM波形也就不正确了。图9-16给出了图9-10程序仿真的结果。

图9-15 仿真参数——算法器设置对话框

图9-17给出了电压型逆变器分别采用SPWM控制和方波控制时输出相电压的谐波分量。可以看出图9-17b中方波模式下相电压含有大量的低次谐波，高次谐波电压相对较少。图a中SPWM模式控制下相电压的低次谐波减小很多，而位于载波频率附近的高次谐波相对较多。不过对于电动机等感性负载，负载的高次谐波电流的幅值远不如高次谐波电压那么高。

图9-16 三相SPWM仿真结果

(www.xing528.com)

图9-17 SPWM与方波模式输出电压谐波对比

a）SPWM控制模式 b）方波控制模式

9.2.3中已经给出了SPWM控制下电压型逆变器输出基波电压幅值特点，下面对其进行仿真分析，为此建立如图9-18所示的仿真程序。这里仅对一相电压进行分析，图9-18中输出三角波的重复序列（Repeating Sequence）模块的参数设置如图9-19a所示，正弦模块的参数设置如图9-19b所示，可以看出期望输出正弦波频率为50Hz，电压调制比为uam，载波比为21。为了方便分析，继电器模块模拟了逆变器一相桥臂的功能，其参数设置如图9-20a所示。从SIMULINK库浏览器中SimPowerSystems子库中Extra Library的Measurements中找到傅里叶分析（Fourier）模块，参数设置如图9-20b所示，这里采用它来进行50Hz基波电压分量的仿真计算。将傅里叶分析的基波分量结果保存到工作空间需要使用SIMULINK库中sink子库中的To Workspace模块，其参数设置如图9-21所示，这里仅仅需要保存最后一个稳态值，因此在limit data points to last^一栏中设置为1，变量名称为uph，数据格式为数组（这里不需要时间信息）。经过上述的设置后，在SPWM的线性区域，下式应该成立。

uph=uam （9-3）

图9-18 针对基波进行傅里叶分析的SIMULINK程序

图9-19 三角波模块与正弦波模块的参数设置

图9-20 继电器模块与傅里叶分析模块的参数设置

图9-21 工作空间变量保存设置

而在方波区域（当uam值非常大的时候），那么uph应该稳定在式9-4给出的值。

2U_d/π≈1.2732 （9-4）

为了使得程序可以自动完成不同uam值下的uph仿真计算，在MATLAB的文本编辑器中可以输入下述程序并保存为脚本文件。

执行该脚本文件，在MATLAB工作空间中就会出现相关变量，采用指令plot（uam1，uph1）即可得到SPWM技术中，输出基波电压幅值与调制比之间的关系图，如图9-22所示。

图9-22 SPWM中输出基波电压幅值与调制比之间的关系图

可以发现，在线性工作区域内，uph与uam基本完全相等——这就表明了uam对uph的线性控制作用；当uam大于1以后，SPWM控制逆变器的输出电压增加逐渐缓慢，进入了饱和区域，当其值约为13.4的时候，uph基本达到了最大值，即方波模式输出的1.2732。