论文部分内容阅读
摘要：如今伴随着分布式电网的迅速发展，并网逆变器作为供电部门与电网连接的核心环节，其研究和使用也愈发的重要，其性能也直接决定了发电系统并网的质量。本文介绍了一种基于MATLAB软件搭建三相逆变器仿真的实验过程，其中主要包含了对主电路工作原理的分析、控制电路的设计与调整、以及对最终的输出效果的分析。
关键字：MATLAB、三相逆变、SPWM调制、并网
0 引言
本项目主要利用MATLAB软件中的Simulink元件库和SimPowerSystems元件库中的元件。设计中，我们能结合自身需求调用其中相应功能的模块或函数，用搭积木的方式，将各模块按要求以框图流程的形式连接起来，构成所需的控制系统模型；然后利用其中的测量与显示等模块便可以测量电路各环节的电路参数[1]。
主要结合电力电子技术、自动控制原理等科目所学知识，设计搭建了一个可实现并网的三相逆变电路模型。其中主要应用了SPWM脉宽调制技术、PI控制器的实际应用、三相逆变主电路工作原理等重点知识。
1 系统拓扑结构
为了满足并网要求主电路选为三相桥式电压型逆变电路；为了实现谐波含量低，相位偏差小等逆变要求选用SPWM脉宽调制技术；为了减小系统的静差达到较好的稳定输出效果选用PI调节器作为反馈环节的信号处理器[2]。
控制电路的设计思路是采用各相对各相，输入期望值相间相位互差120°的方式来进行控制。即对于A相而言，仅采集其负载支路的相电流来与电网标准的正弦信号相比较得偏差ΔI信号；对其进一步处理产生两路相位完全互补的PWM触发信号，来控制逆变桥中A相对应的上下两开关管的导通与关断。B、C作相应处理[3]。其具体工作流程如图1所示。
其中各环节的参数及工作要求如表1所示：
2 系统工作原理
主电路换相方式为纵向换流，开关顺序如表2所示。由于是采用的IGBT全控型器件故其控制方式为脉宽触发的斩控式[2]。
根据上述分析建立其数学模型，取6、1、2三管导通分析为例，其简化电路如图2：
由回路电流法相关知识可得；
通过整理化简可得此时电路的状态方程为：
而其他5个状态的结果与其相似，仅是各系数矩阵的参数做出相应地调整即可[2]。
3 控制电路分析
3.1 PI控制器
PI控制器可根据给定值与实际输出值相比对得到偏差量，通过比例和积分环节的线性组合得到控制量，用于对被控对象进行控制，实现信号的跟踪。其数学模型为：
其中，Kp为比例常数，KI为积分常数。
只要Kp、KI设置合理，既能满足响应快速性的要求，又能达到输出无静差。
根据上述分析在设计该环节时，主要是需要对KP、KI参数进行整定。整定的依据：在开环系统的基础上搭建好闭环系统模型，观察经反馈处理后的调制信号ΔI的幅值与三角载波（SPWM调制的载波）之间的大小关系来确定。即当三相的ΔI均落在载波之内则说明PI参数设置比较合理，若其明显超出了载波的幅值范围，则不合理，就需要适当地减小KP参数来降低其幅值[4]。
3.2 SPWM脉宽调制环节
SPWM控制基于面积等效原理，用脉宽按正弦变化的PWM波来控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与调制波在面积上等效；当载波的频率足够高时，可近似等效；通过改变调制波的频率和幅值就可以调节逆变电路输出电压的频率和幅值[4]。采样和比较原理如图3所示：
根据上述分析该环节主要需确定调制波的参数。其波形、频率、相位等参数应满足并网要求。
调制波幅值的确定，可先通过搭建开环系统，给各开关管输入相应地脉冲触发信号（其频率为5kHz，而占空比可通过试凑法确定），使系统能输出较理想的三相电流信号，记录其幅值大小，然后将其乘以0.8作为调制波的幅值[4]。
4 仿真模型与结果分析
4.1 仿真模型
根據前面的理论分析，在Simulink中搭建其仿真模型如图4所示，部分参数已标注在图中。
其中，4个子系统模块分别为1个三相电流调制的PWM脉冲发生环节， 3个A、B、C三相的PI控制环节。其仿真模型分别如图5和图6所示。再利用示波器分别观察A、B、C三相的相电流以及A相的相电流与相电压的变化曲线。
仿真模型中各元件的参数及其路径如表3所示：
4.2 仿真结果
1）、当Kp=1/40，KI=1/3.3时，仿真结果如图6至9所示。三相电流波形接近于正弦波，含有少量谐波分量即波形畸变；各次谐波所占比重均小于0.1%；带有0.78%直流分量；总谐波成分比例0.32%。输出电流与电网电压在相位上基本重合，且系统调节时间较短。调制波基本都落在三角载波的幅值之内， PI调节器设计合理。
2）、当Kp=1/11，KI=1/3.3时，仿真结果如图10至11所示。调制波信号幅值明显高于三角载波，失去了调制可能性；电流波形畸变严重；谐波含量为4.47%，较情况一明显增加。
4.3 结论
基本能达到并网输出的效果， PI调节器参数设计范围：Kp在0.025左右，KI在0.303左右时输出的效果最佳。
5 总结
本文对三相电压型逆变电路的控制电路进行了分析与设计，基本实现电网并网。主要利用了PI控制、SPWM脉宽调制等控制手段，设计出了单闭环的无静差控制系统，并在MATLAB软件上进行了仿真验证，找出了系统仍存在的不足，提出了相应地改善办法。
参考文献：
[1]祝龙记等。三相逆变电路SPWM控制理论和仿真相结合的教学实例探究[J]。中国电力教育，2014：65-91
[2]王兆安，刘进军等。电力电子技术[B]。机械工业出版社，2012：108-126
[3]陈中等。基于MATALB的电力电子技术和交直流调速系统仿真[B]。清华大学出版社，2014：124-128
[4]万振东，王艺博，蔡国伟等，三相四线制逆变器并网电流复合控制策略[J]，电力电子技术，2018，52（7），65，67.
[5]袁龙，郭强，三相LCC并网逆变器的参数设计方法与控制策略[J].电力电子技术，2018，52（8），101-103.
[6]姜雅飞，基于电网电压正余弦变换的三相变流器控制策略[J]，电气传动，201808-09。
[7]谭翠兰，陈启宏，张立炎等，三相四桥臂并网逆变器的无差拍重复控制[J]，2018，42（9），143-145.
课外开放实验校级重点项目，课题编号是KSZ17150
关键字：MATLAB、三相逆变、SPWM调制、并网
0 引言
本项目主要利用MATLAB软件中的Simulink元件库和SimPowerSystems元件库中的元件。设计中，我们能结合自身需求调用其中相应功能的模块或函数，用搭积木的方式，将各模块按要求以框图流程的形式连接起来，构成所需的控制系统模型；然后利用其中的测量与显示等模块便可以测量电路各环节的电路参数[1]。
主要结合电力电子技术、自动控制原理等科目所学知识，设计搭建了一个可实现并网的三相逆变电路模型。其中主要应用了SPWM脉宽调制技术、PI控制器的实际应用、三相逆变主电路工作原理等重点知识。
1 系统拓扑结构
为了满足并网要求主电路选为三相桥式电压型逆变电路；为了实现谐波含量低，相位偏差小等逆变要求选用SPWM脉宽调制技术；为了减小系统的静差达到较好的稳定输出效果选用PI调节器作为反馈环节的信号处理器[2]。
控制电路的设计思路是采用各相对各相，输入期望值相间相位互差120°的方式来进行控制。即对于A相而言，仅采集其负载支路的相电流来与电网标准的正弦信号相比较得偏差ΔI信号；对其进一步处理产生两路相位完全互补的PWM触发信号，来控制逆变桥中A相对应的上下两开关管的导通与关断。B、C作相应处理[3]。其具体工作流程如图1所示。
其中各环节的参数及工作要求如表1所示：
2 系统工作原理
主电路换相方式为纵向换流，开关顺序如表2所示。由于是采用的IGBT全控型器件故其控制方式为脉宽触发的斩控式[2]。
根据上述分析建立其数学模型，取6、1、2三管导通分析为例，其简化电路如图2：
由回路电流法相关知识可得；
通过整理化简可得此时电路的状态方程为：
而其他5个状态的结果与其相似，仅是各系数矩阵的参数做出相应地调整即可[2]。
3 控制电路分析
3.1 PI控制器
PI控制器可根据给定值与实际输出值相比对得到偏差量，通过比例和积分环节的线性组合得到控制量，用于对被控对象进行控制，实现信号的跟踪。其数学模型为：
其中，Kp为比例常数，KI为积分常数。
只要Kp、KI设置合理，既能满足响应快速性的要求，又能达到输出无静差。
根据上述分析在设计该环节时，主要是需要对KP、KI参数进行整定。整定的依据：在开环系统的基础上搭建好闭环系统模型，观察经反馈处理后的调制信号ΔI的幅值与三角载波（SPWM调制的载波）之间的大小关系来确定。即当三相的ΔI均落在载波之内则说明PI参数设置比较合理，若其明显超出了载波的幅值范围，则不合理，就需要适当地减小KP参数来降低其幅值[4]。
3.2 SPWM脉宽调制环节
SPWM控制基于面积等效原理，用脉宽按正弦变化的PWM波来控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与调制波在面积上等效；当载波的频率足够高时，可近似等效；通过改变调制波的频率和幅值就可以调节逆变电路输出电压的频率和幅值[4]。采样和比较原理如图3所示：
根据上述分析该环节主要需确定调制波的参数。其波形、频率、相位等参数应满足并网要求。
调制波幅值的确定，可先通过搭建开环系统，给各开关管输入相应地脉冲触发信号（其频率为5kHz，而占空比可通过试凑法确定），使系统能输出较理想的三相电流信号，记录其幅值大小，然后将其乘以0.8作为调制波的幅值[4]。
4 仿真模型与结果分析
4.1 仿真模型
根據前面的理论分析，在Simulink中搭建其仿真模型如图4所示，部分参数已标注在图中。
其中，4个子系统模块分别为1个三相电流调制的PWM脉冲发生环节， 3个A、B、C三相的PI控制环节。其仿真模型分别如图5和图6所示。再利用示波器分别观察A、B、C三相的相电流以及A相的相电流与相电压的变化曲线。
仿真模型中各元件的参数及其路径如表3所示：
4.2 仿真结果
1）、当Kp=1/40，KI=1/3.3时，仿真结果如图6至9所示。三相电流波形接近于正弦波，含有少量谐波分量即波形畸变；各次谐波所占比重均小于0.1%；带有0.78%直流分量；总谐波成分比例0.32%。输出电流与电网电压在相位上基本重合，且系统调节时间较短。调制波基本都落在三角载波的幅值之内， PI调节器设计合理。
2）、当Kp=1/11，KI=1/3.3时，仿真结果如图10至11所示。调制波信号幅值明显高于三角载波，失去了调制可能性；电流波形畸变严重；谐波含量为4.47%，较情况一明显增加。
4.3 结论
基本能达到并网输出的效果， PI调节器参数设计范围：Kp在0.025左右，KI在0.303左右时输出的效果最佳。
5 总结
本文对三相电压型逆变电路的控制电路进行了分析与设计，基本实现电网并网。主要利用了PI控制、SPWM脉宽调制等控制手段，设计出了单闭环的无静差控制系统，并在MATLAB软件上进行了仿真验证，找出了系统仍存在的不足，提出了相应地改善办法。
参考文献：
[1]祝龙记等。三相逆变电路SPWM控制理论和仿真相结合的教学实例探究[J]。中国电力教育，2014：65-91
[2]王兆安，刘进军等。电力电子技术[B]。机械工业出版社，2012：108-126
[3]陈中等。基于MATALB的电力电子技术和交直流调速系统仿真[B]。清华大学出版社，2014：124-128
[4]万振东，王艺博，蔡国伟等，三相四线制逆变器并网电流复合控制策略[J]，电力电子技术，2018，52（7），65，67.
[5]袁龙，郭强，三相LCC并网逆变器的参数设计方法与控制策略[J].电力电子技术，2018，52（8），101-103.
[6]姜雅飞，基于电网电压正余弦变换的三相变流器控制策略[J]，电气传动，201808-09。
[7]谭翠兰，陈启宏，张立炎等，三相四桥臂并网逆变器的无差拍重复控制[J]，2018，42（9），143-145.
课外开放实验校级重点项目，课题编号是KSZ17150