基于Matlab_Simulink的正弦波逆变电路仿真研究

信息系统工程 │ 2010.6.20

ACADEMIC RESEARCH 学术研究

0 引言

在电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等设计过程中，Simulink中间的电力系统模拟模块集( SimPowerSystems)大大提高了设计效率，缩短了设计周期。M a t l a b / Simulink电力电子电路系统研究和应用提供了理想的工具。

小型风力发电系统的应用越来越广泛。逆变技术是风力发电系统中一项极其关键的技术。它承担了将直流电转换为交流电直接供应负载的任务。本文选择了1万W通过理论分析、参数计算和模型模拟，研究正弦波逆变器输出电压的稳定性。

1 逆变电路的拓扑结构

电压源逆变电路的拓扑结构主要有两种：一种是单向电压源高频环节逆变电路；另一种是双向电压源高频环节逆变电路。双向电压源高频环节逆变电路适用于需要双向功率流的逆变场合。这种逆变器存在于使用传统用中PWM周波变换器换流过程中漏感能引起的电压过冲现象通常需要缓冲电路或有源电压夹位电路来吸收储存在漏感中的能量，使变换效率不理想，增加了电路的复杂性。本文采用单向电压源高频环节逆变器结构，如图1所示。在直流电源和逆变器之间增加一级高频电气隔离直流变换器，利用高频变压器实现电压比调节和电气隔离，节省了大型重型工频输出变压器，降低了音频噪声，显著提高了逆变器的特性。

如图2所示。前置DC/DC变换级电路采用双管正激变换电路。该双管单端正激电路比单管正激电路多采用开关管，但其主功率管承受的电压降低了一倍，变压器失去了磁通复位绕组。要克服推挽电路必须对称性好的要求。与全桥变换电路相比，全桥变换器功率装置较多，控制和驱动复杂，变压器铁芯直流偏磁，桥臂直通。

后置DC/AC逆变电路采用电压型全桥逆变电路，电压型单相全桥逆变电路，其全控开关装置，V5、V七同时通、断；V6、V8同时通、断；输出电压有效值为：0.9VD。V5和V7为一对，V6和V8为另一对。成对桥臂同时导通，交替导通180度。输出电压和电流的振幅是半桥电路输出振幅的两倍。克服了半桥电路直流侧串联电容的电压平衡。

2 建立模拟模型

2.1 控制策略

前置DC/DC双管正激调压电路采用PWM控制模式，通过输出端的反馈调压电路采样输出电压信号，并与给定信号进行比较。当输出电压降低时，反馈电压降低，控制芯片的输出脉冲占空比增加，从而增加调压电路的输出电压。反之亦然。

基于Matlab/Simulink正弦波逆变电路模拟研究

邬大雷

(内蒙古化工职业学院 呼和浩特，内蒙古 010010)

摘要：使用Mtlab/Simulink模型库中的Sim-power-systems 通过理论计算和模拟结果，构建正弦波逆变电路模型，建立正弦波逆变技术的设计理念和控制策略，对提高风力发电系统的性能和优化可靠性具有重要的现实意义。

关键词：逆变；DC/DC变换；仿真

后置DC/AC 采用全桥逆变电路SPWM 由控制芯片生成的控制模式SPWM 控制信号控制IGBT 控制过程中保持调制比不变。

2.2 仿真模型

模拟电路模型如图3所示。其中，直流输入电压为48V；单极LC设置输入滤波器，使输入电流稳定，和谐波降低到允许值。输入滤波器具有双重功能，不仅可以抑制直流电源的瞬变，还可以抑制逆变器或直流变换器对直流电源的瞬变和噪声。谐波次数越高，相应电源侧谐波次数的重量越小，可降低电源侧谐波电流：（1）增加脉动直流电流基波的角频率，即逆变器或直流变换器的开关角频率；（2）增加滤波电感L、滤波电容C减小LC输入滤波器谐振角频率；(3)增加输入电源内阻；(4)输出功率相同时，提高逆变器或直流变换器的比例，降低脉动直流电流的振幅。

由公式：=(2-3)

取直流升压电路的工作频率为10kHz，电感量为5H，电容量为2200F，则：

=2f=2×3.14×104 rad/s =1/=9534.6 rad/s

满足条件。直流升压电路的工作频率为10kHz，D为0.45.变压器变比为0.068；不可控整流电路的输出电压不是恒定的直流电压，除了直流平均值外，还含有谐波电压。因此，必须连接到整流电路的输出端和负载LC滤波器。滤波电感L的重量、体积相对于电容要大得多，因此通常取较小的L和较大的C组成LC滤波器。

L2=0.5H

C2≥2·TS/R=2×1111/104×3152=2.2F取10F；

全桥逆变电路的调制比为0.6.单相正弦波逆变器的输出功率为PO=1000W，输出电压U=220V，频率为50Hz。当输出电压基波频率为50时Hz过滤器的截止频率fc通常在100Hz—400Hz 左右。取300Hz。

负载电阻RL=U2/P=2202/1111=43.56R取1/2 RL=21.78

L3≥R/2fc=21.78/(2×3.14×300)=11.56mH

C3≥1/2fcR =1/(2×3.14×300×21.78)=24.37F 电感取65 mH，电容取80F；负载为等效额定负载。

2.3 模拟结果及分析

阻性负载、感性负载和容性负载的模拟实验分别根据负载性质进行。阻性负载R为48.4.感性负载的阻抗角由小到大分别取值；容性负载的阻抗角由小到大分别取值。模拟实验结果的输出电压值FFT分析的变化趋势及分析THD如图4和图5所示： (下转36页)

图1 高频单向电压源逆变器结构

图2 逆变电路原理图