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基于PI校正器的可逆PWM變換器的仿真分析
寶金1,張 呼 和2
(1.包頭師范學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014030;2.包頭輕工學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014030)
摘要:在介紹PWM變換器工作原理的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了基于PI校正器的PWM變換器控制系統(tǒng),結(jié)合簡化SVPWM調(diào)制方式,實(shí)現(xiàn)了高功率運(yùn)行和能量雙向流動。使用Matlab/Simulink對其進(jìn)行了建模及仿真分析,結(jié)果驗(yàn)證了控制方法的可行性和有效性。
關(guān)鍵詞:可逆PWM整流器;SVPWM;PI控制;仿真
從長遠(yuǎn)看,以可再生能源為主的能源布局將成為未來的發(fā)展方向。電力電子變換器作為風(fēng)力發(fā)電與電網(wǎng)的接口,作用是非常重要的,不僅對風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制,也向電網(wǎng)輸送優(yōu)良電能,還要完成故障穿越等功能[5]。網(wǎng)側(cè)變換器在風(fēng)電系統(tǒng)中扮演著很重要角色。三相PWM變換器擁有網(wǎng)側(cè)電流諧波小、容許能量雙向流動、并網(wǎng)功率因數(shù)可控等優(yōu)點(diǎn),近幾年被廣泛應(yīng)用于并網(wǎng)發(fā)電等場合。本文研究了基于PI校正器的三相可逆PWM變換器的控制系統(tǒng),結(jié)合簡化SVPWM調(diào)制方式,完成了能量雙向流動和功率因數(shù)“1”運(yùn)行。使用Matlab/Simulink對其進(jìn)行了建模及仿真分析,結(jié)果驗(yàn)證了本控制方法的有效性和可行性。
1基本工作原理及數(shù)學(xué)模型
1.1三相PWM變換器結(jié)構(gòu)及工作原理
三相PWM變換器最基本的工作原理是在控制直流側(cè)電壓Udc穩(wěn)定的基礎(chǔ)上,在交流側(cè)獲得可調(diào)的功率因數(shù)。通常,三相PWM變換器有四種基本工作方式:整流高功率因數(shù)運(yùn)行、逆變高功率因數(shù)運(yùn)行、純?nèi)菪缘牧愎β室驍?shù)運(yùn)行和純感性的零功率因數(shù)運(yùn)行。
圖1:PWM變換器基本電路
1.2三相PWM變換器的數(shù)學(xué)模型
三相PWM變換器器的三相靜止坐標(biāo)系下表示數(shù)學(xué)模型文獻(xiàn)[3]中已給出:
(1)
可以看出,在上式中存在兩個(gè)變量的乘積(idsd、iqsq),模型具有非線性特性。為此,需要對(1)式進(jìn)行線性化。
若忽視三相PWM變換器橋路的損耗,利用park坐標(biāo)變換,可得三相變換器在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下表示的數(shù)學(xué)模型:
(2)
2控制原理
方程(2)說明,變換器輸入電流的d軸電流id和q軸電流iq相互耦合,經(jīng)過反饋電流狀態(tài)和前饋補(bǔ)償電網(wǎng)電壓,完成id、iq的解耦控制,并選用簡單的PI校正器作為外環(huán)電壓校正器及內(nèi)環(huán)電流校正器。
2.1電流內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)
內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)為電流環(huán),主要作用是輸入電流跟蹤指令電流,可以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。為了獲得良好的跟蹤性能,通常電流內(nèi)環(huán)按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì),已解耦的id簡化內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于d軸和q軸q軸電流環(huán)對稱,q軸電流環(huán)設(shè)計(jì)與d軸相似。
圖2:電流內(nèi)環(huán)簡化結(jié)構(gòu)
2.2電壓外環(huán)設(shè)計(jì)
外環(huán)設(shè)計(jì)為電壓環(huán),主要作用是為了穩(wěn)定變換器直流側(cè)電壓Vdc。為了獲得良好的動態(tài)響應(yīng),通常電壓外環(huán)按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì),經(jīng)簡化得到的電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)如下圖3所示。
圖3:電壓外環(huán)簡化結(jié)構(gòu)
2.3簡化SVPWM算法
為了更好的實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)響應(yīng),可逆PWM變換器控制系統(tǒng)結(jié)合簡化SVPWM調(diào)制算法和固定開-關(guān)頻率。簡化脈寬調(diào)制算法沒有三角函數(shù)的計(jì)算、沒有坐標(biāo)之間變換、無理數(shù)和絕對值的運(yùn)算,只是簡單的四則運(yùn)算。按照參考文獻(xiàn)[5]中的方法能夠?qū)崿F(xiàn)簡化SVPWM調(diào)制算法,這里不再累贅。
3系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)及分析
本文在Matlab/Simulink中構(gòu)建PWM變換器控制系統(tǒng)的仿真模型,選用電流外環(huán)電壓內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4:三相PWM變換器控制結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)參數(shù)為:三相PWM變換器交流側(cè)電壓為220V/50Hz,電阻為0.18Ω,電感為2mH,直流側(cè)電壓500V,負(fù)載10Ω,電容為5300μF,開關(guān)頻率為5KHz,直流側(cè)反電動勢eL=600V??刂茀?shù)為電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)參數(shù)為P=0.2,I=30,電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)均為P=2.2,I=2.6。
系統(tǒng)由逆變狀態(tài)變?yōu)檎鳡顟B(tài):在初時(shí)直流側(cè)通過5Ω電阻接入一個(gè)600V的外加直流電源從而逆變狀態(tài)運(yùn)行,0.3s時(shí)直流側(cè)斷開5Ω的電阻和600V的外加直流電源突變?yōu)?0Ω的電阻從而整流狀態(tài)運(yùn)行。仿真結(jié)果如圖5~圖7所示。
圖5:逆變到整流時(shí)直流側(cè)電壓響應(yīng)
圖5為逆變狀態(tài)到整流狀態(tài)直流側(cè)電壓的響應(yīng);從波形可以看出,直流側(cè)電壓穩(wěn)定在給定的參考值500V,逆變狀態(tài)和整流狀態(tài)的調(diào)整時(shí)間基本一樣1.5s,達(dá)到了較好的抗干擾性能。
圖6:逆變到整流時(shí)A相電壓電流響應(yīng)
圖6為逆變到整流時(shí)時(shí)A相電壓電流響應(yīng);從波形可以看出,逆變狀態(tài)下電壓電流反向,整流狀態(tài)下電壓電流同相,逆變和整流時(shí)電流調(diào)整時(shí)間1.1s,有較好的跟蹤性能。
圖7:逆變到整流時(shí)直流側(cè)電流響應(yīng)
圖7為逆變到整流直流側(cè)電流響應(yīng);從波形可以看出,逆變時(shí)通過較短的調(diào)整時(shí)間穩(wěn)定到-20A,整流時(shí)也較短的調(diào)整時(shí)間穩(wěn)定到50A,結(jié)果與理論相吻合。
4結(jié)束語
本文研究了選用簡化SVPWM的PWM變換器控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了基于PI校正的可逆PWM變換器控制系統(tǒng),完成了高功率運(yùn)行和能量雙向流動。通過仿真驗(yàn)證了良好的抗干擾能力和良好的跟蹤性能響應(yīng)。所以PI校正的PWM變換器控制系統(tǒng)可以應(yīng)用到不同環(huán)境下的可逆系統(tǒng)當(dāng)中,因此具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用。
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Simulation Study of Reversible PWM Rectifier Based on PI
BAO Jin1, ZHANG Hu-he2
(1.Baotou Teachers College,Baotou 014030;2.Baotou Light Industry College,Baotou 014030)
Abstract:The working principle of the PWM rectifier is introduced. build up the control system of PWM rectifier based on PI and combine with simplified SVPWM Modulation method, achieving the bidirectional flow of energy and high power operation. The system is modeled and simulated by the use of Matlab/Simulink mode, and the results confirmed the feasibility and effectiveness of this control method.
Key words:Reversible PWM rectifier; svpwm;pi;simulation
中圖分類號:O186.13
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
文章編號:1004-1869(2015)01-0041-03
作者簡介:寶金(1977-),蒙古族,內(nèi)蒙古通遼人,碩士,講師,研究方向:電力電子技術(shù)及應(yīng)用。
收稿日期:2014-11-04