逆变器的建模方法

逆变器的建模方法

在电源仿真的世界里，选择合适的软件成为了一门艺术。杨帅锅以丰富的实践经验，为我们分析了六种常用的电源仿真软件的优缺点，以供不同需求的用户参考。接下来，我们将深入探讨这六款软件的特性，帮助用户更好地选择适合自己的工具。

1. PSPICE与SABER：这两款软件在模拟连续系统方面表现出色，拥有极高的精度。然而，它们的运行速度极慢，因此上手难度相对较高。对于专注于芯片设计的用户，PSPICE是一个不错的选择，因为它隶属于Cadence产品系列。

2. PSIM：PSIM软件在处理连续与离散系统方面表现出色，运行速度较快，且建模能力较高。它被广泛应用于国内，用户上手难度较低，是许多初学者的首选。

3. SIMLIPS：作为SPICE核心的简化版本，SIMLIPS在保持PSPICE优点的同时，更加稳定，容易收敛。它能够直接分析开关器件，对于系统分析非常有用。

4. SIMULINK与PLECS：这两个软件的操作方式相似，且在算法和求解器方面进行了优化，使得PLECS在速度上比SIMULINK快至少3倍。它们在分析连续系统方面表现出色，尤其在离散系统分析方面有明显优势。

在选择软件时，上手难度是一个重要的考量因素。对于初学者来说，PSIM可能是最佳选择。而对于希望深入研究模拟领域的用户，SIMLIPS或SIMULINK/PLECS可能更加适合。如果你对嵌入式物联网感兴趣，建议深入学习PLECS，以获得更深入的理论基础。

在使用PLECS搭建逆变器仿真模型时，我们可以按照以下步骤进行操作：新建文件，搭建功率等级模型，创建PWM方波，连接模型，并通过示波器观察波形。接下来，调整求解器参数，配置正弦波，设置调制比，并实现闭环控制。通过这些操作，我们可以实现逆变器模型的搭建与调试，为实际样机的开发奠定理论基础。

RT Box教程205： 虚拟原型（ RT Box:Virtual Prototyping）

在PLECS RT Box上构建简单电压源逆变器（VSI）的教程旨在深化您对实时仿真应用的理解。本教程侧重于应用先前学习的优化技术，以实现三相VSI系统的闭环控制。您将使用虚拟原型控制器和设备在通过环回电缆连接的单独RT Box上运行的设置。

本教程的目标是让您能够运用前面教程练习的概念，以便在实时仿真应用程序中使用这些工具。在开始之前，请确保您拥有RT Box和PLECS编码器许可证，并了解基本RT Box操作和用法。设计本教程使用两（2）个RT Box和两（2）条环回电缆来完成，环回电缆驱动来自RT Box输出的RT Box模拟和数字输入。

虚拟样机概念在开发HIL和RCP模型时被用来评估实时平台的性能，作为连接任何控制或电源硬件前的中间阶段。虚拟样机设置中，一个RT Box将为转换器建模，另一个RT Box将为控制器建模，然后连接RT Box的I/O，形成一个完整的闭环系统，两个单元之间交换测量和控制信号。

通过虚拟样机设置，您可以获得更多的信心继续进行HIL或RCP测试。

在模型优化部分，您将把之前开发的开环VSI模型转换为适合实时仿真的模型。您将把模型分成工厂和控制器系统，这些系统可以离线运行，也可以实时部署到虚拟原型环境中。您将为设备和控制器创建两个独立的子系统，给这些子系统贴上相应的标签。在顶层示意图中，子系统之间连接控制信号。

接下来，您需要在“Controller”子系统中添加一个模拟输入组件，测量VSI输出电流，并将模拟输入结果连接到子系统内的示波器。保持控制器处于开环状态，检查离线模拟的结果。

问题：您应该观察到平衡的三相正弦电感电流范围，这些结果基于PWM输出模块的正弦输入信号。电流和PWM波形应与您在初始“RT Box教程2：在PLECS RT Box上构建简单VSI”练习中观察到的波形相似。更改模型的结构不应影响结果。

您的目标是使模型与参考模型“virtual_prototyping_1.plecs”相同。

在控制器的实现部分，您将为VSI系统实现一个闭环控制器。复制现有的控制器块，并将其粘贴到“control”子系统中。连接恒定块至DQ控制器的“iq*”和“id*”输入，q轴电流为300 A，d轴电流为0 A。双击DQ控制器组件以查看子系统参数，选择参数并估算Kp和Ki增益的合理值。执行离线模拟以检查不同参数值的系统响应。

问题：在线运行此模型还需要哪些修改和更改？答案：必须启用"Plant"和"Controller"子系统以生成代码。必须选择模拟步长并将其输入"Coder Options + General "编码器选项+常规菜单。RT Box通道分配和模拟输入输出电压范围应对齐。关键步骤包括确定模拟信号的缩放和偏移因子，以及将峰值电感电流调整到RT Box模拟输出电压范围内。同时，控制器子系统中模拟输入组件测量的电流需要进行缩放和偏移，以表示电路中的实际电流。

目标是使模型与参考模型“virtual_prototyping_2.plecs”相同。

虚拟样机部署阶段涉及设计一个完整的闭环系统进行离线仿真，之后几乎可以进行实时部署。在为RT Box生成代码之前，选择离散化步长并考虑模拟信号缩放至关重要。通过离线仿真设计后，您可以实施完整的实时虚拟样机设置，评估三相VSI系统的闭环控制。

问题：在模型中应用设置的合理比例因子是什么？答案：在开环运动中，观察到峰值电流为±376 a，调制指数为1.0。默认模拟输出电压范围为±10 V。将峰值电流四舍五入至400 A，并在输出电压箝位之前考虑两个裕度的因素，可以确定模拟输出的比例因子为10 V/（2·400 A）或0.0125。为了简化偏移设置，将RT Box目标的模拟输入范围更改为±10 V。对于零偏移值和±10 V模拟输入范围，模拟输入比例值只是模拟输出比例因子的倒数。

为每个子系统指定步长并生成代码。在顶层示意图的适当位置添加范围，以比较正常模式和CodeGen模式的结果。合适的离散化步长通常从5µs开始，这相当于每个切换周期20个模拟时间步。保持PWM Capture组件的“Averaging interval”平均间隔设置为所选择的离散化步长。在“Plant”和“Controller”子系统中添加额外的范围，以便在实时仿真期间观察重要的量（例如电流、PWM信号等）。您可能希望运行模型并保存脱机跟踪，以便与实时结果进行比较。

在单独的RT Box上运行每个子系统，并检查执行时间。将PWM Capture组件的“Averaging interval”设置为所选择的离散化步长。使用DSub电缆连接相应的数字和模拟I/O端口。启动两个RT Box的外部模式，并在范围中检查结果。最后，使用参考模型“virtual_prototyping_3.plecs”为目标。

在结论部分，您现在已经在虚拟原型环境中完成了三相VSI的完整闭环控制。通过优化PLECS模型以进行实时仿真，学习了关键概念，包括子循环平均、混合电源模块、CodeGen仿真和步长选择。这些技能为将这些工具应用于未来的实时仿真应用程序奠定了基础。

PLECS 应用示例（77）：三相T型逆变器（Three-Phase T-Type Inverter）

本文展示了一款用于并网应用的三相T型逆变器，采用Wolfspeed SiC MOSFET。图1显示了电路图，演示了如何选择器件、控制器参数和调制方法以影响逆变器的热性能。模型研究了逆变器在不同运行条件下的性能，确保系统安全高效运行。

T型逆变器类似于三电平中点箝位（NPC）逆变器，提供改进的谐波性能，同时减少零件数量和外部开关器件的导通损耗。本示例展示了一个22 kVA额定功率的T型逆变器，将800 V直流母线转换为三相60 Hz、480 V（线路，rms）配电。

模型配置了三种不同开关类型的SiC MOSFET，分别具有不同的额定电压、额定电流和RdsOn值，用于评估其热性能。每个器件都被建模为具有定制掩模配置的子系统，包括MOSFET和体二极管，以及热模型。组件掩模参数包括导通电阻和体二极管正向电压，以确定电流流过路径，影响开关损耗。

控制器采用解耦的同步参考系电流控制器，用于生成dq电压参考，通过独立的PI调节器将逆变器输出电流调节至设定点。PI控制器包括去耦前馈项，使用简单的同步参考帧锁相环（PLL）测量电压参考相位角，然后转换为三相电压参考，馈送到调制器，用户可选择不同的调制方案。

调制器组件实现不同的调制方法，如SPWM、SVPWM、THIPWM、THZSPWM和DPWM，以比较其对半导体损耗的影响。例如，DPWM在单位功率因数下的损耗最低，但当功率因数角接近0.5时，SPWM和SVPWM方法显示出较高的损耗。

通过操纵控制器设置、调制方案、开关频率、死区时间、控制器增益以及分析设备类型、并联设备数量和外部冷却或散热器的影响，可以试验控制器设置并分析系统级电气规格。参数扫描是确定设计决策如何在一系列操作条件下影响转换器性能的有效方法。

该模型突出显示了PLECS的热建模能力，并可以作为研究控制器设计对其他拓扑结构效率影响的例子。

阻抗建模、验证扫频法光伏并网逆变器扫频与稳定性分析(包含锁相环电流环)（Simulink仿真实现）

并网逆变器序阻抗扫描与稳定性分析，结合锁相环与电流环，是新能源变流器研究的重要部分。本文旨在介绍一种基于Simulink仿真的光伏并网逆变器扫频与稳定性分析方法。

首先，概述了逆变器序阻抗扫描的关键步骤，包括阻抗建模与验证，以及扫频法的应用。通过设置扫描范围与点数，可以准确评估逆变器在不同电网条件下的性能。程序附带详尽注释，确保代码清晰易懂，包含阻抗建模与扫频两个部分。

进一步，提供了在线讲解，演示如何高效使用仿真程序，一次可扫描五个点，实测30个点仅需2到5分钟。仿真结果包括Nyquist奈奎斯特曲线，为分析提供直观数据支持。

稳定性分析采用序阻抗方法，理论与仿真结果一致。然而，在考虑电网阻抗影响的电流环路分析（dq阻抗）时，遇到特定问题。例如，当电网阻抗为10mH时，仿真显示不稳定现象，序阻抗判定同样不稳定。详细分析结果如下。

运行结果显示，特定条件下逆变器稳定性受到挑战。针对此现象，后续研究可深入探讨电流环路设计与优化，以提高逆变器在弱电网条件下的稳定性能。

参考文献部分，引用了李杨和伍文华的研究，进一步支持本文分析方法的理论基础与应用价值。文章中提及的引用会确保准确性与合法性。

最后，为确保学术诚信，引用来源均注明出处或引用为参考文献。如发现任何不妥之处，请随时联系作者，以便及时修正。

SVPWM的一点理解

如何理解SVPWM的问题，一直是很多人心中的疑团。然而如果你是做电机控制的，这始终是个无法回避的话题。本文尝试从基于载波的SVPWM的角度进行阐述。

三相逆变器拓扑结构如下：

基于倒推的方法进行理解。已知svpwm的电压利用率可达1，使用svpwm的调制方式，线电压的幅值可达Udc。假设：Udc=1；选择载波范围为[0,1]。为了防止进入过调制区域，必须保证调制波范围为[0,1]。基于载波的调制方式，画一个简图，理论上，调制输出的端电压波形应该和调制波波形相同（幅值及相位均相等）。因此，为了不进入过调制，端电压的幅值也需要被限制在[0,1]。当线电压幅值为Udc时，相电压的幅值应该为[公式]。当线电压Uab,Uac,Ubc幅值为1，那么Uan，Ubn，Ucn幅值应该为[公式]，如下图所示。三相的端电压与相电压的关系为：[公式]、[公式]、[公式]。将公式相加，可得[公式]；相减，可得线电压为：[公式]、[公式]、[公式]。可知，Uno的选择不影响线电压的大小，你可以根据需要去选择其大小。若取星结点电压为[公式]，端电压，相电压及星结点电压可用下图曲线表示。上图中端电压Uao/Ubo/Uco超过了1。前面提到，为了防止进入过调制，端电压Uao/Ubo/Uco的大小必须小于1。因此，上述星结点电压的选择并不合适。为了满足Uan，Ubn，Ucn幅值为[公式]，且使端电压Uao/Ubo/Uco不大于1，该如何选择星结点电压Uno呢？如果能够想办法选择出合适的星结点电压，让超过1的波峰被削掉，如下图所示。此时，端电压波形Uao/Ubo/Uco，即调制波波形，按照上述思路，你肯定可以想到其他的星结点选择方式。

这里为了清楚显示结果，将模型信号流做如下处理，当然这样并不符合MAAB建模规范。由仿真结果得知，母线电压为0.998，约为1；相电压幅值为0.5762，约为[公式]。调制波及载波波形如下图所示。

基于载波的调制方式，如下图所示。首先给出如下公式，调制信号为[公式]。端电压为[公式]。上述公式成立的前提是不能进入过调制区域。对于spwm而言，[公式] 如载波在[-1,1]之间， [公式] 均为幅值为1的正弦调制波形，那么根据上述公式可得，端电压幅值及相电压幅值均应该为E/2。可知上述结论与常识相符合。假设[公式]，[公式]，[公式]，m为调制比，m<=1时，为线性调制。则根据公式(1)和公式(2)，可知[公式]、[公式]、[公式]。由上述公式可得线电压：[公式]、[公式]、[公式]。可知，[公式]不影响线电压，因此称其为零序电压分量。当[公式]时，那么线电压为E，则电压利用率达到了1。但是，此时必须选择合适的[公式]，防止调制波超过载波幅值1（防止进入过调制）。这里直接给结论，如下[公式]的一种选择，可等价于SVPWM：[公式]、[公式]、[公式]。但是，基于载波调制方式和基于空间矢量调制实现的SVPWM等价与否，能否给出证明呢？我们知道，基于空间矢量的svpwm中施加的T0=T7=(1-T1-T2)/2。上述问题变成了，已知零序电压为[公式]，如何证明T0=T7=(1-T1-T2)/2？第一扇区的空间向量调制，如下图所示。由上图，基于伏秒等效原理(面积等效,即电压波形和时间轴围成的面积)可得：[公式]、[公式]、[公式]。基于上述公式组(3)及公式(1)可得：[公式]、[公式]。基于公式组(1)，三个公式左边右边相加，可得[公式]。将公式(4)带入上式可得，基于空间向量调制等效的零序分量为[公式]。且根据公式组(3)，左边右边相减，可得：[公式]、[公式]。基于上述公式可得：[公式]、[公式]、[公式]。扇区分布及三相电压大小关系如下图所示。那么在第一扇区，[公式]和[公式]可表示为：[公式]、[公式]。基于已知条件的零序电压为[公式]，代入[公式]和[公式]可推出：[公式]。假设公式(6)和(7)相等，可得：[公式]化简后可得：[公式]。又由于[公式]，则可得：[公式]。证明完毕。可知只要合理选择零序分量及零矢量的作用时间，基于载波的方式和空间向量等效。

PLECS应用范例（77）：三相T型逆变器（Three-Phase T-Type Inverter）

本演示介绍了一种三相T型逆变器，用于部署Wolfspeed SiC MOSFET的并网应用。T型逆变器类似于三电平中性点箝位（NPC）逆变器，因为它在0V时增加了额外的输出电压电平，从而比标准的两电平逆变器提供了更好的谐波性能。T型逆变器的优点是减少了部分计数和减少了外部开关器件的传导损耗，但缺点是阻断电压降低。演示模型显示了一个额定值为22 kVA的T型逆变器示例，该逆变器将800 V直流母线转换为三相60 Hz、480 V（均方根）配电，用于工业应用。

T型逆变器的热性能受到设备选择、控制器参数和调制方法的影响。在演示模型中，所有12个器件均配置为演示不同Wolfspeed SiC MOSFET的热损耗性能。每个半导体器件被建模为具有定制掩模配置的子系统，每个都有自己的热模型。设备断言（Device Assertions）会检查设备在安全操作区域内的运行情况，并生成警告。

控制器实现的高级示意图如图4所示。图5所示的去耦合同步参考框架电流控制器用于为调制器生成dq电压参考，调制器则将变频器的输出电流调节到所需的设定点。控制器包括直接电流和正交电流的PI调节器，电压参考的相位角由一个简单的同步参考框架锁相环（PLL）测量得到。使用PLL的角度输出，电压参考值被转换为三相电压参考值，并送入一个调制器。调制器的实现可以采用不同的调制方法，包括经典的正弦脉宽调制（SPWM）、空间矢量PWM（SVPWM）、三次谐波注入PWM（THIPWM）、三次谐波零序PWM（THZSPWM）和不连续PWM（DPWM）。

使用提供的模型运行仿真，可以观察到每个相支路的PWM信号、输出交流电流、设备S11和S12的信号以及系统的计算损耗。参数扫描是确定设计决策如何在一系列操作条件下影响变换器性能的有效方法。通过操纵调制方案、开关频率、停滞时间、控制器设定点和控制器增益，可以试验控制器设置。此外，还可以分析设备类型、并联设备的数量以及外部冷却或更大散热器的影响。所有这些设置都会影响损耗行为和系统效率。如果设备在安全操作区域外运行，模拟窗口的右下角将出现一个警告图标，以确定违反了哪些操作标准。

模型重点介绍了用于工业配电网应用的三相T型逆变器。通过简单的设备和控制器设计，突出了PLECS的热建模能力。此模型可用作研究控制器设计对其他拓扑效率影响的示例。

1.1永磁同步电机——矢量控制（FOC）

永磁同步电机（PMSM）的矢量控制，主要目标是通过控制逆变器输出电压，得到相应的转速。矢量控制核心在于Clark变换与Park变换，这两变换分别将三相定子电流分解为励磁分量和转矩分量，对于表贴式永磁同步电机，主要控制励磁，也会影响转矩。

一、三相PMSM坐标变换：

Clark变换和Park变换是坐标系之间的转换方式。Clark变换将自然坐标系ABC坐标转换到静止坐标系[公式]，Park变换则相反。Clark变换的坐标变换矩阵为[公式]，反Clark变换矩阵为[公式]。Park变换中，坐标变换矩阵为[公式]，反Park变换矩阵为[公式]。基于此变换，得到自然坐标系ABC到同步旋转坐标系[formula] 的关系。

二、PMSM数学建模：

基于Park变换的数学模型中，定子电压方程、磁链方程可得到电磁转矩方程，以及几个关键的关系式。

三、三相空间矢量：

三相空间矢量技术采用逆变器空间电压矢量切换，通过该技术可获得准圆形旋转磁场，达到改善控制性能、减少谐波、提高电压利用率、降低电机转矩脉动的目的。空间矢量合成的方法将逆变器三相输出的标量转换为矢量，其运动轨迹如下图所示。

四、SVPWM算法实现：

实现三相空间矢量变换的技术，即SVPWM算法，首先需判断电压空间矢量的扇区，确定合成矢量使用的基矢量。计算各矢量作用时间，最后确定矢量切换点。

五、基于PI调节器的PMSM矢量控制仿真：

基于给定参数，通过simulink建立电机模型，设定仿真条件，结果显示转速、转矩及三相定子电流波形。

结语：

以上内容涉及的理论知识源自《现代永磁同步电机控制原理及MATLAB仿真》一书。如有需求，可前往闲鱼购买电子版及仿真模型。欢迎在评论区就永磁同步电机知识进行友好交流。

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