數(shù)字化電源逆變電路仿真分析

許青，陳立東，劉磊

（國網(wǎng)遼寧省電力有限公司阜新供電公司，遼寧 阜新 123000）

數(shù)字化電源逆變電路仿真分析

許青，陳立東，劉磊

（國網(wǎng)遼寧省電力有限公司阜新供電公司，遼寧 阜新 123000）

數(shù)字化電源克服傳統(tǒng)電源的結(jié)構(gòu)復雜、穩(wěn)定性差等缺點，實現(xiàn)了數(shù)字和模擬技術(shù)的融合，提供了很強的適應性與靈活性，具備直接監(jiān)視、處理并適應系統(tǒng)條件的能力，能夠滿足不同場合對電源需求。在對PWM控制技術(shù)、PWM脈沖與正弦脈沖的作用效果分析的基礎(chǔ)上，利用MANTLAB軟件Simulink仿真平臺調(diào)用各個功能子模塊建立數(shù)字化電源逆變電路仿真系統(tǒng)，設置仿真參數(shù)對相電壓進行諧波分析。

MATLAB；逆變電路；FFT；仿真

0 引言

由于數(shù)字化技術(shù)具有響應速度快、穩(wěn)定性好、控制精度高等優(yōu)點，所以數(shù)字化產(chǎn)品已經(jīng)遍布工業(yè)、礦山、醫(yī)療、航空等國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。傳統(tǒng)電源通常采用電阻、運算放大器、電容等電力電子器件組成，具有電路結(jié)構(gòu)復雜可靠性差、硬連接方式限制系統(tǒng)升級維護、功能單一不易實現(xiàn)復雜控制算法等缺點，同時，輸出信號失真嚴重，抗干擾能力差，輸出波形與理想波形具有較大偏差。因此，開展數(shù)字化電源技術(shù)的研究對于增強系統(tǒng)可靠性、提高系統(tǒng)抗干擾能力和輸出波形的精確度具有十分重要的意義。

1 PWM技術(shù)

PWM控制技術(shù)是利用微處理器的數(shù)字輸出特性對開關(guān)器件的導通和關(guān)斷進行合理控制，在控制信號的輸出端得到一系列電壓幅值相同而信號寬度不同 的按照特定需求規(guī)律變化的脈沖信號。在控制學上有一個重要原理：沖量相等大小、波形不相同的窄脈沖變量作用于慣性系統(tǒng)時，只要它們的沖量（面積），即變量對時間的積分相等，其作用效果相同，即不論沖量為何種表現(xiàn)形式，只要是沖量等效的脈沖作用在慣性系統(tǒng)上，其輸出響應是基本相同的。如圖1（a）、（b）、（c）為三個形狀不同面積相同的窄脈沖，其中1（a）為矩形脈沖，圖1（b）為三角形脈沖，圖1（c）為正弦半波脈沖，當它們分別加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時，其輸出響應基本相同。

圖1 形狀不同而沖量相等的窄脈沖Fig. 1 Different shapes and impulse equal narrow pulse

圖2 PWM脈沖與正弦半波Fig. 2 PWM pulse and sine half-wave

圖2（a）為正弦半波信號，將其分成寬度相等的n等份，每個寬度為π/n，但每份的幅值不同，且頂部為曲線而不是水平的直線，各個等份的幅值按照正弦規(guī)律變化。將圖2（a）的脈沖用等幅不等寬的相同數(shù)量矩形脈沖替代，矩形脈沖如圖2（b）所示。從圖可見：矩形脈沖序列滿足其面積與相應的正弦部分的面積相等，且矩形脈沖的幅值相同，寬度按照正弦規(guī)律變化，也就是PWM脈沖。根據(jù)上述沖量等效原理PWM脈沖作用的結(jié)果和正弦波的作用結(jié)果是相同的。

根據(jù)圖2可知：可以利用PWM脈沖信號去代替正弦波信號或其他所需要的信號。將PWM脈沖信號的波形進行濾除高次諧波（經(jīng)過電容和電感組成的LC濾波電路），可以得到輸出信號可調(diào)的標準正弦波信號。PWM控制主要分為單極性PWM和雙極性PWM兩種控制類型，兩者的控制原理都是沖量等效理論，單極性PWM控制波形為單方向變化，雙極性PWM控制波形為正負兩個方向變化。在PWM控制過程中，輸出波形的諧波含量與脈沖信號的頻率成正比，即PWM波形頻率越高，輸出波形的諧波含量越少。在實際應用過程中采用高頻PWM控制，使用較小的濾波電感和濾波電容就可以實現(xiàn)濾波的的需求，可以減小濾波電感和濾波電容的體積，進而減小逆變電源的整體體積，實現(xiàn)設備小型化和智能化。

2 數(shù)字化電源

2.1 數(shù)字化電源結(jié)構(gòu)

數(shù)字化電源是指利用數(shù)字信號處理器（DSP）的O/I端口通過軟件程序?qū)﹄娫催M行柔性控制，滿足不同應用場合的應用需求，達到數(shù)字化電源一機多用的效果。數(shù)字化電源由整流單元、逆變單元、濾波單元、采樣單元和控制單元組成，其中整流單元用于將電網(wǎng)220V交流電轉(zhuǎn)換成直流電；逆變單元有功率器件和換成電路構(gòu)成，根據(jù)控制單元的脈沖指令控制功率器件的導通順序，輸出電壓和幅值可以根據(jù)需求調(diào)節(jié)的交流電；濾波單元用于濾出逆變后的交流電中的雜質(zhì)，提高輸出電壓的精度和可靠性；采樣單元有高精度傳感器和信號處理電路組成，用于采集數(shù)字換電源的電壓、電流、溫度等參數(shù)，為控制單元提供原始數(shù)據(jù)；控制單元是整個數(shù)字化電源的核心，用于控制指令發(fā)送、傳感器數(shù)據(jù)采集及運算處理，同時具有故障檢測和保護作用。數(shù)字化電源結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

2.2 逆變電路

由于電網(wǎng)為三相的，從配電負載平衡角度考慮，較大容量的逆變系統(tǒng)都采用三相結(jié)構(gòu)。三相電壓型橋式電路應用比較廣泛，電路原理圖如圖4所示，主要由直流電源和三組橋臂組成，負載為星型連接方式，采用三三通的控制方式。當功率開關(guān)管V1導通時，A點與直流電源DC的正極相連接，當功率開關(guān)管V4導通時，A點與直流電源DC的負極相連接，B、C點的電位根據(jù)對應橋臂的功率開關(guān)管的狀態(tài)決定的。各個橋臂上下兩個功率開關(guān)管的驅(qū)動脈沖互補，均為占空比為50%的方波信號，即每個開關(guān)管導通時間為180°。

圖3 數(shù)字化電源結(jié)構(gòu)框圖Fig. 3 Digital power structure diagram

圖4 三相電壓型橋式電路原理圖Fig. 4 Three-phase voltage type bridge circuit principle diagram

3 逆變電路仿真分析

MATLAB軟件是一種集仿真、分析、可視化及算法開發(fā)的多功能軟件。simulink是基于MANLAB框圖設計環(huán)境的子模塊，在該仿真環(huán)境中不需要大量的程序編寫，通過簡單的鼠標操作能夠?qū)崿F(xiàn)復雜系統(tǒng)的建模、動態(tài)仿真和結(jié)果分析。在MATLAB軟件Simulink仿真平臺中調(diào)用直流電壓源、帶緩沖電路的IGBT橋式逆變電路、RLC負載阻抗、信號發(fā)生模塊、信號合成模塊等功能模塊和顯示模塊（示波器），并對各個仿真模塊的參數(shù)進行合理設置，建立數(shù)字化電源逆變電路仿真模型，仿真圖如圖5所示。

數(shù)字化電源逆變電路仿真模型中，直流電壓源的電壓為500V。負載RLC模塊額定電壓為400V，額定頻率為50kHz，有功為1kW，感性無功為100Var，容性無功設置為0。信號發(fā)生模塊選用6組，幅值設置為1，周期為0.02s，占空比為50%，6個模塊各個依次滯后0.02/6s。此外，利用simpowersystems提供的“powergui”，實現(xiàn)對波形的FFT分析。仿真周期設置為0.1s，采樣時間設置為離散采樣模式，時間為10-5s.運行后得到相電流如圖6所示，相電流的輸出波形與負載相關(guān)。

數(shù)字化電源逆變電路在仿真運行前設置示波器參數(shù)，將數(shù)據(jù)保存到工作區(qū)。仿真運行后啟動FFT分析功能，將相電壓作為FFT分析對象，設置起始時間為0.04s，分析周期數(shù)為2，基波頻率為50Hz，分析結(jié)果如圖7所示。從圖可知：輸出的交流電壓不含3的整數(shù)倍次諧波，只含有更高階次的奇數(shù)諧波，n次諧波幅值為基波幅值的1/n。

圖5 三相方波逆變電路仿真模型Fig. 5 Three-phase square wave inverter circuit simulation model

圖6 三相方波逆變電路相電流波形Fig. 6 Three-phase square wave inverter circuit phase current waveform

4 結(jié)論

數(shù)字化電源技術(shù)是建立在數(shù)字信號處理器、電力電子學、控制理論和PWM調(diào)頻技術(shù)等學科基礎(chǔ)上，研究關(guān)于電源理論和設計方法的綜合性學科，其應用貫穿于工業(yè)生產(chǎn)及社會生活中的各個環(huán)節(jié)。逆變電路是數(shù)字化電源中的重要組成部分，實現(xiàn)將直流電轉(zhuǎn)變成頻率可調(diào)的交流電。通過對PWM脈沖信號作用效果和正弦波信號作用效果的相似性比較，建立數(shù)字化電源逆變電路仿真模型，并對相電壓仿真結(jié)果進行FFT分析，表明仿真模型建立的合理性和有效性，為數(shù)字化電源逆變電路相關(guān)產(chǎn)品的設計奠定基礎(chǔ)。

圖7 三相方波逆變電路相電壓FFT分析Fig. 7 Three-phase FFT phase voltage square wave inverter circuit analysis

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Simulation and Analysis on Digital Power Inverter Circuit

XU Qing, CHEN Li-dong, LIU Lei
(State Grid Liaoning Electric Power Co., Ltd. Fuxin Power Supply Company, Fuxin Liaoning 123000)

Digital power to overcome the traditional power of complicated structure, poor stability shortcomings, realize the integration of digital and analog technology, provides a very strong adaptability and fexibility, with direct monitoring, process, and the ability to adapt to the system conditions, can satisfy the demand for power supply different occasions.On the PWM control technology, PWM pulse with sine pulse based on the analysis of the effect of using MANTLAB software Simulink platform invoke each functional sub-modules based digital power inverter circuit simulation system, set up the simulation parameters on the phase voltage harmonic analysis.

MATLAB; Inverter Circuit; FFT; Simulation

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.12.012

:XU Qing, CHEN Li-dong, LIU Lei. Simulation and Analysis on Digital power Inverter Circuit[J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(12) : 64-68.

許青（1966-），男，工程師，主要從事變電運維與檢修管理工作；陳立東（1986-），男，工程師，主要從事變電設備狀態(tài)管理工作；劉磊（1986-），女，工程師，主要從事變電一次設計工作

本文引用格式：許青，陳立東，劉磊.數(shù)字化電源逆變電路仿真分析[J]. 新型工業(yè)化，2016，6（12）：64-68.