基于SVPWM的可逆逆变器双向控制仿真模型

资 源 简 介

该项目构建了一个高性能的空间矢量控制可逆逆变器仿真系统，能够在整流状态与逆变状态之间灵活切换，实现能量的双向流动。系统的核心功能基于SVPWM控制算法，通过精确计算八个基本电压矢量的切换序列与作用时间，合成目标电压矢量，相较于传统的SPWM技术，能够使电动机获得更接近圆形的旋转磁场，具有更高的直流侧电压利用率以及更低的电磁干扰噪声。在控制逻辑上，系统采用了经典的电压外环与电流内环双闭环架构，电压环负责维持母线电压稳定或控制输出幅度，电流环则通过Clark与Park坐标变换将交流分量转换为直流分量进行解耦控

详 情 说 明

基于空间矢量控制（SVPWM）的可逆逆变器仿真系统

本项目提供了一个在MATLAB环境下实现的基于空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术的可逆逆变器仿真系统。该系统不仅模拟了电力电子变换器的动态特性，还深入展示了双闭环控制架构在处理电能双向流动时的优越性能，适用于新能源并网、电机驱动及制动能量回馈等研究方向。

项目介绍

本仿真系统旨在通过数学建模与数值计算，揭示SVPWM控制算法在可逆逆变器中的核心作用。模型模拟了一个连接三相交流电网与直流母线的能量转换桥梁，能够在逆变状态（直流向交流供电）与整流/回馈状态（交流向直流回馈）之间平滑切换。系统通过高频率的采样和控制计算，实现了对母线电压的稳定控制以及对输出电流的高精度正弦化调节。

功能特性

1. 双向能量流动模拟：通过动态调整电流指令，系统能够演示从0.25秒时刻起由逆变工况向能量回馈工况的平滑过渡。
2. 高性能矢量控制：采用Clark与Park坐标变换，将三相交流量解耦为直流分量进行控制，极大地提高了动态响应灵活性。
3. 精确的SVPWM算法：实现了完整的七段式驱动波形计算，包括扇区判断、基本矢量作用时间映射以及归一化时间限制。
4. 解耦控制逻辑：在电流环中引入了前馈解耦补偿，消除了定子/滤波电感耦合对系统稳定性的影响。
5. 全面可视化分析：系统自动生成电流时域波形、母线电压跟踪曲线、电流轨迹圆、功率交换图以及基于FFT的谐波畸变率（THD）分析。

使用方法

1. 确保安装了MATLAB环境（建议R2018b及以上版本）。
2. 将仿真主文件放置在MATLAB工作路径下。
3. 执行主程序函数，系统将自动开始离散化迭代计算。
4. 仿真结束后，系统会自动弹出六个维度的分析图表，并在命令行窗口输出稳态电压值与电流THD百分比。
5. 用户可以根据需要修改脚本开头的参数设定，如滤波电感、载波频率或PI调节器增益，以观察不同物理约束下的系统表现。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB (无需额外的Simulink工具箱，基于纯脚本实现的数值仿真)。
2. 硬件要求：标准PC即可，仿真运行耗时通常在数秒内。

仿真程序实现逻辑说明

仿真核心基于一阶欧拉数值积分法，对电力电子系统的连续状态方程进行离散化求解。

1. 参数与变量初始化

系统设定采样频率为10kHz，PWM载波频率为5kHz。定义了三相滤波电感（5mH）、滤波电阻（0.1Ω）以及支撑电容（2000μF）。初始化了用于电压外环和电流内环的PI控制参数及积分器状态。

1. 坐标变换逻辑

在每一个控制周期内，系统首先获取三相电流的瞬时值。通过Clark变换将电流投影至静止alpha-beta坐标系，并在此过程中应用了修正后的幅值不变系数。随后通过Park变换，结合实时锁相旋转角度，将电流转换为同步旋转dq坐标系下的直流量。

1. 双闭环控制架构

电压外环：对比母线电压反馈值与700V参考值，经过PI调节器输出d轴电流基准，用于维持能量平衡。 动态切换逻辑：当仿真时间超过0.25秒时，系统会强制将d轴电流参考值设定为负数（-15A），模拟系统进入整流/回馈状态。 电流内环：针对d轴和q轴分别进行PI控制。为了实现完全解耦，计算中加入了由滤波电感引起的耦合项补偿和电网电压前馈项，生成最终的dq轴参考电压。

1. SVPWM模块实现

扇区判定：利用参考电压在alpha-beta轴上的投影，通过中间变量V1, V2, V3的符号组合判断当前电压矢量所处的扇区（1-6）。 矢量时间计算：计算基本电压矢量T1、T2的作用时间，并根据直流母线电压的实时波动进行动态归一化处理。采用七段式对称SVPWM模式计算三相桥臂的占空比。

1. 物理工厂模型模拟

系统根据生成的PWM指令模拟逆变器桥臂的开关动作。逆变器输出电压由直流电压与开关状态共同决定。通过求解电感电压方程更新三相电流，利用功率平衡原理（交流侧输入功率与直流负载功率之差）更新电容电压，从而完成一个闭环的系统状态递推。

关键算法与实现细节分析

1. 前馈解耦控制

在电流环中，使用了 w_grid * L_filter * current 项进行交叉解耦。这一步是确保d轴（有功）和q轴（无功）能够独立调节的关键，避免了交流系统各相之间的互相干扰。

1. 能量交换功率计算

程序实时计算 P = va_inv*ia + vb_inv*ib + vc_inv*ic。该指标直观反映了逆变器与电网之间的瞬时能量交换情况，正值代表逆变，负值代表能量回馈。

1. SVPWM扇区映射优化

代码采用了一种基于位运算逻辑的扇区判断方法（1, 2, 4权重相加），并配合专门的映射向量将数学扇区转换为物理扇区，提高了控制程序的执行效率。

1. 谐波与性能指标

在结果可视化部分，系统截取了稳态阶段的电流数据进行快速傅里叶变换（FFT）。通过对比基波幅值与高频谐波分量，计算出总谐波畸变率（THD），用于评估SVPWM驱动下的电能质量。该指标直接反映了SVPWM相比于SPWM在电压利用率和纹波控制上的优势。