目录手把手教你学 Simulink——基于 SPWM 调制的单相双向 DC-AC 逆变器仿真一、总体系统框图二、SPWM 原理2.1 基本思路2.2 调制比与谐波2.3 典型参数三、关键整体参数四、Simulink 建模 Step-by-StepStep ① —— 直流源Step ② —— 单相全桥逆变器主电路Step ③ —— SPWM 发生器Step ④ —— 死区插入Step ⑤ —— LC / LCL 滤波器Step ⑥ —— 锁相环PLL并网时用Step ⑦ —— 控制环路两种方案方案 A电流内环PR 控制器并网推荐方案 B电压外环 电流内环离网 / 并网均可Step ⑧ —— 双向控制整流 / 逆变切换Step ⑨ —— 仿真工况五、典型结果判读✅ 稳态逆变并网i_ac* 0✅ 整流模式i_ac* 0✅ 双向切换动态六、SPWM 双向逆变常见坑七、工程注意八、结论手把手教你学 Simulink——基于 SPWM 调制的单相双向 DC-AC 逆变器仿真一、总体系统框图┌─────────────┐ │ DC Source │ (直流源 / 电池 / 光伏) │ Vdc 400V │ └─────┬───────┘ │ ▼ ┌──────────────────────────┐ │ 单相全桥逆变器 (H桥) │ ← SPWM 调制 │ S1~S4 死区 │ └─────┬────────────────────┘ │ v_inv (高频脉冲) ▼ ┌──────────────────────────┐ │ LCL / L 滤波器 │ ← 滤除开关纹波 │ L1, C, L2 (或单 L) │ └─────┬────────────────────┘ │ v_ac ▼ ┌──────────────────────────┐ │ 电网 / 负载 │ ← 220V 50Hz │ (并网 / 离网可切换) │ └──────────────────────────┘ ▲ │ 电流采样 i_ac │ 电压采样 v_ac ┌─────┴────────────────────┐ │ SPWM 控制环路 │ │ · 电压外环 (并网/离网) │ │ · 电流内环 (PR / PI) │ │ · 锁相环 PLL (并网用) │ │ · 双极性 / 单极性 SPWM │ └──────────────────────────┘✅ 双向含义电流可正可负 → 功率可双向流动整流 / 逆变✅ SPWM正弦波与三角载波比较生成占空比按正弦规律变化的 PWM 波二、SPWM 原理2.1 基本思路┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ │ │ │ │ │ │ │ │ ← 正弦调制波 v_sin ─────┘ └──┘ └──┘ └──┘ └──── ╱│╲ ╱│╲ ╱│╲ ╱│╲ ← 三角载波 v_tri ╱ │ ╲╱ │ ╲╱ │ ╲ ╱ │ ╲ │ ╲ ╱ │ ╲ │ ╲ 比较规则 v_sin v_tri → 上管导通 (输出 Vdc/2) v_sin v_tri → 下管导通 (输出 -Vdc/2) → 输出脉冲宽度按正弦规律变化 → 经 LC 滤波后得到正弦电压2.2 调制比与谐波参数公式 / 说明典型值调制比 MM V_sm / V_tri (≤1)0.8~0.95载波比 NN f_carrier / f_sine100~200开关频率f_carrier10~20 kHz基波幅值V_1 ≈ M · Vdc/2—主要谐波集中在 f_carrier 附近—单极性 SPWM输出在 0 与 Vdc 间切换谐波更小双极性 SPWM输出在 Vdc 与 -Vdc 间切换实现简单2.3 典型参数参数值直流母线 Vdc400 V交流输出额定220 Vrms / 50 Hz载波频率 f_carrier10 kHz调制比 M0.85死区时间2~3 μs三、关键整体参数模块参数直流源​Vdc 400 V电池或稳压源全桥​4× IGBT/MOSFET带反并联二极管滤波电感 L1​2~5 mH滤波电容 C​10~22 μF滤波电感 L2​1~2 mHLCL 时或单 L 模式电网电压​220 Vrms, 50 Hz单相电流 PI内环​Kp 0.5~2, Ki 50~200电压 PI外环​Kp 0.5~1, Ki 5~20PR 控制器​Kp 0.5, Kr 100~300, ω_c 5死区​2~3 μs开关频率​10 kHzTs_power​1e-6 sTs_ctrl​50~100 μs四、Simulink 建模 Step-by-StepStep ① —— 直流源推荐使用DC Voltage SourceSimscape Electrical┌──────────────┐ │ DC Voltage │ Vdc 400 V │ Source │ └──────────────┘ 若模拟电池可用Battery​ 模块参数按电芯规格填写Step ② —— 单相全桥逆变器主电路S1 ─┬─── 输出 Vdc ────┬┘ │ S3 ─┴─── 输出 - │ S2 / S4 互补开关导通条件S1v_sin v_tri正半周主S2S1 互补 死区S3v_sin v_tri负半周主S4S3 互补 死区⚠️必须加死区用Dead Time模块防止同一桥臂直通Step ③ —— SPWM 发生器┌─────────────┐ ┌──────────────┐ │ Sine Wave │ │ Triangle │ │ f50Hz │ │ Wave │ │ V_ampM │────▶│ f10kHz │──┐ └─────────────┘ └──────────────┘ │ ▼ ┌──────────┐ │ Relational│──▶ PWM1 (S1) │ Operator │──▶ PWM2 (S2,反相) └──────────┘调制波v_sin M · sin(2π·50·t) 载波 三角波幅值 ±1频率 10 kHz 比较 PWM (v_sin v_tri) ? 1 : 0✅ 用Sine Wave​ Repeating Sequence三角波 Relational Operator✅ 或用PWM Generator (2-Level)​ 模块直接生成Step ④ —— 死区插入PWM_raw ──▶ Dead Time (2~3 μs) ──▶ PWM_S1/S2/S3/S4Step ⑤ —— LC / LCL 滤波器单 L 滤波简单推荐入门v_inv ─── L1 (3mH) ───┬─── v_ac ──▶ 电网 │ C (15μF) │ GNDLCL 滤波性能更好v_inv ─── L1 ─── C ─── L2 ─── v_acStep ⑥ —— 锁相环PLL并网时用单相 PLL 常用SRF-PLL同步参考坐标系v_ac ──▶ 正交信号生成(SOGI/延迟法) ──▶ v_α, v_β │ ──▶ dq 变换 ──▶ v_q │ v_q ──▶ PI ──▶ θ ──▶ sin/cos✅ 用 Simscape Electrical 的PLL (Single Phase)​ 模块Step ⑦ —— 控制环路两种方案方案 A电流内环PR 控制器并网推荐i_ac* ──▶ ┌──────┐ ──▶ v_inv_ref │ PR │ i_ac ──▶ └──────┘PR 传递函数 Kp Kr · s / (s² ω₀²) 离散实现在 MATLAB Function 中 e i_ref - i_ac v Kp·e Kr·(sin(ω₀t)·∫e·sin(ω₀t) dt − cos(ω₀t)·∫e·cos(ω₀t) dt)方案 B电压外环 电流内环离网 / 并网均可V_ac* ──▶ PI_v ──▶ i_ac* ──▶ PI_i ──▶ v_inv_ref ▲ ▲ │ │ V_ac_fbk i_ac_fbkStep ⑧ —— 双向控制整流 / 逆变切换i_ac* 的符号决定功率方向 i_ac* 0 → 有功输出逆变馈入电网 i_ac* 0 → 有功吸收整流从电网取电✅ 通过给定i_d*的正负即可实现双向Step ⑨ —— 仿真工况时间事件0 ~ 0.05 s软启动调制比 M 从 0 渐变到 0.850.05 ~ 0.2 s稳态并网逆变i_ac* 00.2 s切换为整流模式i_ac* 反向0.35 s恢复逆变模式 0.4 s观察双向切换动态Scope 观测v_inv桥臂输出电压PWM 脉冲v_ac滤波后正弦电压i_ac并网电流正弦与电网同频v_dc直流母线电压五、典型结果判读✅ 稳态逆变并网i_ac* 0项目预期v_ac≈ 220 Vrms正弦THD 5%i_ac正弦与 v_ac 同相单位功率因数v_dc≈ 400 V轻微 100Hz 纹波开关纹波集中在 10 kHz 附近被 LC 滤除✅ 整流模式i_ac* 0项目预期i_ac正弦与 v_ac反相吸收有功v_dc母线电压维持或上升能量回馈功率因数≈ -1单位功率因数整流✅ 双向切换动态指标预期切换超调 10%恢复时间 50 ms电流畸变切换瞬间短暂畸变后恢复六、SPWM 双向逆变常见坑现象原因Fix桥臂直通炸管死区未加或太短加 2~3 μs 死区输出正弦畸变调制比 M 1过调制M 限制在 0.85~0.95并网电流畸变PR 参数不当 / 无电网前馈调 Kr加 v_g 前馈v_dc 跌落逆变输出功率 直流源能力限制 i_ac* 幅值启动冲击电流无软启动M 从 0 渐变ramp 30~50ms谐波大载波比 N 太小N ≥ 100f_carrier ≥ 10kHz整流时 v_dc 失控上升无直流电压闭环加 v_dc 外环限幅并网不同步PLL 未锁相检查 SOGI / PLL 参数七、工程注意✅ SPWM vs SVPWM单相单相通常用 SPWM无空间矢量概念三相才用 SVPWM 提升直流利用率✅ 单极性 vs 双极性单极性谐波小、效率高但需 4 路独立驱动双极性驱动简单但开关损耗和纹波较大✅ 双向 PCS储能变流器典型流程电池 DC ──▶ 全桥 SPWM ──▶ LCL 滤波 │ PLL 锁相并网 PR/PI 电流控制 │ 功率方向由 i_ac* 符号决定 │ 并网单位功率因数 / 无功可调 离网电压外环稳压✅ 孤岛检测并网必备主动频移法AFD被动检测过/欠压、过/欠频✅ 保护功能过流保护软件限幅 硬件比较器直流过压保护防反灌继电器八、结论✅ 你已完成✅ 搭建了单相全桥 SPWM 逆变器主电路✅ 实现了SPWM 调制正弦波 vs 三角载波✅ 完成了LC/LCL 滤波设计✅ 实现了并网电流控制PR / PI✅ 掌握了双向功率控制逆变 ↔ 整流✅ 理解了死区、软启动、PLL​ 等工程要点