雙閉環控制的三電平逆變電路Simulink仿真實驗

李文娟, 王　超, 馮　杰, 周美蘭, 高晗瓔

(哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院, 黑龍江 哈爾濱　150080)

?

雙閉環控制的三電平逆變電路Simulink仿真實驗

李文娟, 王超, 馮杰, 周美蘭, 高晗瓔

(哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院, 黑龍江 哈爾濱150080)

針對開環的三電平逆變電路穩定性差、動態響應慢、帶載能力弱等問題,提出了電壓、電流雙閉環的控制方案。選取二極管箝位式三電平逆變電路作為被控對象,建立其在同步旋轉坐標系下的數學模型,分別對電流環和電壓環進行設計。電流環包括基于d、q軸的電感電流前饋解耦及PI參數的設計;電壓環包括基于d、q軸的電容電壓前饋解耦及控制器參數的設計。在Simulink仿真實驗平臺上,建立了雙閉環控制的三電平逆變電路的仿真模型,分析了突變負載情況下雙閉環控制的逆變輸出電壓和電流的仿真波形。

逆變電路； 仿真實驗； 三電平； 雙閉環控制

電力電子技術是電氣工程及其自動化專業不可或缺的一門專業基礎課,在培養專業人才中占有重要地位。在電力電子電路中,逆變電路的應用非常廣泛,交流電動機調速用的變頻器、不間斷電源、感應加熱電源的核心部分都是逆變電路。因此,逆變電路在教學中具有舉足輕重的地位[1]。

在目前逆變電路的教學中,主要講授半橋逆變電路、單相全橋逆變電路和三相橋式逆變電路[2]。但是,這些電路結構無法滿足高壓、大功率場合的需求,因此,三電平逆變技術得到迅猛發展。為了使學生的知識與現代前沿技術接軌,將三電平逆變電路應用于教學勢在必行。此外,由于閉環控制系統精度高,輸出電壓電流穩定性好、動態響應能力強、受系統參數變化影響小,因此成為逆變電路發展的重要方向。

本文選取二極管箝位式三電平逆變電路作為研究對象,首先建立了三電平逆變電路在dq坐標系的數學模型,進而采用電流內環、電壓外環的雙閉環控制,研究在不同負載突變下逆變電路的輸出波形,從而驗證所設計的三電平逆變電路的穩定性和響應能力。在Matlab/Simulink中搭建仿真模型,借助于仿真波形,幫助學生掌握三電平逆變電路的工作原理和閉環控制思想,并使理論教學與實際應用接軌[3]。

1　三電平逆變電路

1.1三電平逆變電路拓撲結構

二極管箝位式三電平逆變電路是由直流電源E、兩個直流分壓電容C1和C2、三相三電平逆變橋、三相LC濾波器及三相負載組成。其中三相濾波電感值均為L,電感損耗等效為r,三相濾波電容大小為C。三電平逆變電路的原理圖如圖1所示[4],其中,ia、ib、ic分別為三相電感電流,ioa、iob、ioc分別為三相負載電流,ua、ub、uc為三相電容電壓。

圖1　三電平逆變電路的原理圖

相比于普通三相橋式逆變電路,三電平逆變電路具有諧波含量少、電壓應力小、開關損耗低等特點,適用于高壓、大功率場合。

1.2三電平逆變電路數學模型

用三態開關變量Sa、Sb、Sc分別表示各橋臂的三種開關狀態,分別對應著-1、0、1三種狀態[5],則三相輸出的相電壓可以用開關變量和直流輸入電源表示為：

把負載電流作為擾動輸入,取電感電流、電容電壓作為狀態量,電流及電壓方向如圖1所示。根據KCL及KVL可以列出電路的微分方程[6],經過一系列推導可以得到abc三相靜止坐標系下的三電平逆變電路的數學模型為

其中,

三相靜止abc坐標系到兩相旋轉dq坐標系的變換矩陣為:

通過坐標變換,可以得到dq同步旋轉坐標系下的三電平逆變電路數學模型[7],見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

2　三電平逆變電路雙閉環控制系統設計

圖2　三電平逆變電路雙環控制系統框圖

2.1 電流環設計

根據式(1)可知,d、q軸電流存在耦合,因此不能用簡單的負反饋控制。為了降低控制器設計的難度,需要對d、q軸電流進行前饋解耦[11],然后再進行PI調節,解耦方程為

(3)

根據式(3)設計了圖3所示的電流環解耦控制圖,引入電流反饋和電壓前饋后,可以有效地消除耦合及電壓影響。

圖3　電流環解耦控制圖

由于d、q軸電流具有對稱性,因此PI控制器的參數可以取定相同值,現只需對d軸電流分量進行分析。圖4為d軸電流閉環控制結構圖,其中KPWM為三電平逆變橋的等效增益,Ts為電流環采樣周期。

可得到d軸電流閉環的閉環傳遞函數為

圖4　d軸電流閉環控制結構圖

圖5　d軸電流閉環控制簡化圖

按照典型的I型系統設計,參數ξ取0.707時,系統性能最好。為了抵消電流控制傳遞函數的極點,取τI=L/r。因此根據系統實際需要,將具體參數代入,即可得到kP、kI,則kP=10、kI=50。

2.2電壓環設計

由式(2)可知,電壓也存在著耦合,因此也需要解耦。電壓環設計與電流環相似,電壓控制系統解耦方程為:

電壓環解耦控制如圖6所示,經過解耦及PI調節后,實現d、q軸電壓的獨立控制。

圖6　電壓環解耦控制圖

d、q軸電壓分量同樣具有對稱性。以d軸電壓為例,得出d軸電壓環控制的結構圖(見圖7),其中包括電壓采樣延遲環節、PI控制環節、電流環的傳遞函數[13]。為了分析方便,忽略負載電流io d的擾動,并將電流環近似等效為一階慣性環節,從而與電壓采樣的延遲環節合并。合并后的小時間常數用Tp表示,Tv為PI調節器參數,得到簡化的d軸電壓閉環控制結構圖,如圖8所示。

圖7　d軸電壓閉環控制的結構圖

圖8　d軸電壓閉環控制的簡化結構圖

可以求出d軸電壓閉環的開環傳遞函數為

電壓閉環主要以抗干擾能力為目標,因此采用典型的II型系統進行設計。電壓中頻寬h=Tv/Tp,一般取h=5,又由II型系統參數關系可得:

根據本文具體參數,經計算,最終電壓環的PI控制器選取kPv=1,kIv=100。

3　仿真及結果分析

3.1仿真模型的建立

在Simulink中建立三相三電平逆變電路的仿真模型(見圖9),主要包括三電平逆變電路拓撲模塊、三相LC濾波器模塊、三相交流負載模塊、abc/dq變換及反變換模塊、雙閉環的控制模塊以及PWM發生器模塊。其中,abc/dq變換模塊包括三相電感電流、三相電容電壓、三相負載電流的坐標變換,共3個坐標變換,進而得到dq坐標系的直流分量,便于PI調節,實現無靜差跟蹤。雙閉環控制模塊包括電流內環和電壓外環控制,分別對一種負載狀態突變為另一種負載狀態進行仿真。在仿真模型中選取表1所示仿真參數。

表1 三電平逆變電路仿真參數

圖9　三相三電平逆變電路雙閉環控制系統仿真模型

3.2仿真結果分析

為了驗證基于dq軸解耦的雙閉環控制方法的正確性,首先將純阻性負載由20 Ω在0.06 s時突變為40 Ω,輸出三相電壓波形如圖10(a)所示。在0.06 s時突變后,b相電壓正峰值明顯增大,c相電壓負峰值有所提升,但是接近0.07 s時,三相快速達到穩定的狀態。輸出的三相負載電流波形如圖10(b)所示,雖然突變時刻明顯波動較大,但能夠快速恢復穩定。同時給出線電壓輸出波形如圖10(c)所示,線電壓為五電平,符合三電平逆變電路的特點。

圖10　在0.06 s時刻負載突變的電壓及電流波形

為了更好地驗證所設計的雙閉環控制系統的正確性,在0.04 s時將負載由100 Ω的純阻性負載突變為0.01 H的感性負載,在0.08 s時再突變為0.001 F的容性負載,輸出電壓及電流波形如圖11所示。

圖11　在0.04 s和0.08 s負載突變的電壓及電流波形

由圖11可見,在0.04 s及0.08 s的負載突變時刻,電壓幅值有略微變化,整體波動不明顯,電流波形不到半個工頻即可快速穩定。仿真波形進一步證明了基于dq軸解耦的雙閉環控制系統具有快速動態響應能力和良好的穩定性。

4　結語

三電平逆變電路采用電壓電流雙閉環控制方案具有更好的抗負載擾動能力。通過仿真波形可以直觀地看出:三相三電平逆變電路在雙閉環控制方案下,輸出電壓和電流波形效果非常好,動態響應速度快、抗負載干擾能力強,驗證了控制方案的正確性。將Simulink仿真融入三電平逆變電路實驗教學中,不僅可以使學生對逆變電路的原理有了深入的理解,還增強了學生的仿真實驗能力。這種理論與實踐相結合的教學模式能有效提高教學質量。

References)

[1] 李文娟,劉銅振,張經緯,等.單閉環單相PWM逆變系統的Saber仿真實驗[J].實驗技術與管理,2015,32(8):109-111.

[2] 林磊,鄒云屏,鐘和清,等.二極管箝位型三電平逆變器控制系統研究[J].中國電機工程學報,2005,25(15):35-37.

[3] 李文娟,程靜思,黃懷翀,等.Simplorer在電力電子電路仿真實驗中的應用[J].實驗技術與管理,2014,31(11):111-113,120.

[4] 金紅元,鄒云屏,林磊,等.三電平PWM整流器雙環控制技術及中點電壓平衡控制技術的研究[J].中國電機工程學報,2006,26(20):66-67.

[5] 茆美琴,喻莉,徐斌,等.單相電流型逆變器的d-q控制及仿真研究[J].系統仿真學報,2011,23(12):2727-2731.

[6] 林濤,王彥章.雙閉環逆變器控制策略仿真研究[J].電子科技,2014,27(7):120-123.

[7] 鮑陳磊,阮新波,王學華,等.基于PI調節器和電容電流反饋有源阻尼的LCL型并網逆變器閉環參數設計[J].中國電機工程學報,2012,32(25):133-142.

[8] Prabhakaran K K,Shyam K S,Manoj K N.Three level diode clamped inverter for field oriented control of induction motor[C]//Information and Communication(ICCPEIC).2013:115-118.

[9] 李鑫,姚勇濤,張逸成,等.采用電容電流內環的逆變器雙閉環控制研究[J].電氣傳動,2008,38(2):23-25.

[10] 謝芬,魯杰,潘麗.基于Simulink庫仿真的單相逆變電源調節器設計[J].電子設計工程,2012,20(10):22-25.

[11] 雷亞雄,李建文,李永剛.基于準PR調節器電流雙閉環LCL三相并網逆變器控制[J].電力系統保護與控制,2014,42(12):45-49.

[12] 文小琴,畢淑娥,游林儒.基于Matlab的電力電子技術仿真平臺設計[J].電氣電子教學學報,2014,36(4):105-106,110.

[13] 張珍珍,許春雨.三電平NPC型逆變器中點電位穩壓器的設計[J].電氣傳動,2014,44(12):26-29.

Simulink simulation experiment of three-level inverter circuit with double closed-loop control

Li Wenjuan,Wang Chao,Feng Jie, Zhou Meilan, Gao Hanying

(College of Electrical and Electronic Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China)

Aiming at the problems of open-loop three-level inverter circuit poor stability,slow dynamic response,weak carrying capacity, the voltage-current double closed-loop control scheme is proposed. The diode-clamped three-level inverter circuit is regarded as the controlled object. The math model of inverter circuit on two-phase synchronous rotating coordinates is established. The designs of current loop and voltage loop are carried out respectively. The current loop includes the inductance current feed-forward decoupling based ondqaxis and the design of corresponding PI parameters. Voltage loop includes the capacitance voltage feed-forward decoupling based ondqaxis and the design of controller parameters. The simulation model of three-level inverter circuit with double closed-loop control is built in the Simulink simulation platform. The waveforms of the output voltage and current of the double closed-loop control under the condition mutation loads are analyzed.

inverter circuit; simulation experiment； three-level; double closed-loop control

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.028

虛擬仿真技術探索與實踐

2016-04-20

黑龍江省學位與研究生教育教學改革資助項目(JGXM_HLJ_2015060)

李文娟(1968—),女,黑龍江哈爾濱,博士,教授,主要研究方向為電力電子裝置與系統、成像質量評價.

TM464

A

1002-4956(2016)10-0110-05