雙閉環(huán)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(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱　150080)

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雙閉環(huán)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(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱150080)

針對開環(huán)的三電平逆變電路穩(wěn)定性差、動態(tài)響應(yīng)慢、帶載能力弱等問題,提出了電壓、電流雙閉環(huán)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(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學(xué)模型,分別對電流環(huán)和電壓環(huán)進行設(shè)計。電流環(huán)包括基于d、q軸的電感電流前饋解耦及PI參數(shù)的設(shè)計;電壓環(huán)包括基于d、q軸的電容電壓前饋解耦及控制器參數(shù)的設(shè)計。在Simulink仿真實驗平臺上,建立了雙閉環(huán)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(huán)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(huán)控制

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

在目前逆變電路的教學(xué)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(jié)構(gòu)無法滿足高壓、大功率場合的需求,因此,三電平逆變技術(shù)得到迅猛發(fā)展。為了使學(xué)生的知識與現(xiàn)代前沿技術(shù)接軌,將三電平逆變電路應(yīng)用于教學(xué)勢在必行。此外,由于閉環(huán)控制系統(tǒng)精度高,輸出電壓電流穩(wěn)定性好、動態(tài)響應(yīng)能力強、受系統(tǒng)參數(shù)變化影響小,因此成為逆變電路發(fā)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(shù)學(xué)模型,進而采用電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的雙閉環(huán)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(shè)計的三電平逆變電路的穩(wěn)定性和響應(yīng)能力。在Matlab/Simulink中搭建仿真模型,借助于仿真波形,幫助學(xué)生掌握三電平逆變電路的工作原理和閉環(huán)控制思想,并使理論教學(xué)與實際應(yīng)用接軌[3]。

1　三電平逆變電路

1.1三電平逆變電路拓撲結(jié)構(gòu)

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(yīng)力小、開關(guān)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(shù)學(xué)模型

用三態(tài)開關(guān)變量Sa、Sb、Sc分別表示各橋臂的三種開關(guān)狀態(tài),分別對應(yīng)著-1、0、1三種狀態(tài)[5],則三相輸出的相電壓可以用開關(guān)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(tài)量,電流及電壓方向如圖1所示。根據(jù)KCL及KVL可以列出電路的微分方程[6],經(jīng)過一系列推導(dǎo)可以得到abc三相靜止坐標系下的三電平逆變電路的數(shù)學(xué)模型為

其中,

三相靜止abc坐標系到兩相旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)坐標系下的三電平逆變電路數(shù)學(xué)模型[7],見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

2　三電平逆變電路雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計

圖2　三電平逆變電路雙環(huán)控制系統(tǒng)框圖

2.1 電流環(huán)設(shè)計

根據(jù)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(shè)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(diào)節(jié),解耦方程為

(3)

根據(jù)式(3)設(shè)計了圖3所示的電流環(huán)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(huán)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(shù)可以取定相同值,現(xiàn)只需對d軸電流分量進行分析。圖4為d軸電流閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖,其中KPWM為三電平逆變橋的等效增益,Ts為電流環(huán)采樣周期。

可得到d軸電流閉環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

圖4　d軸電流閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

圖5　d軸電流閉環(huán)控制簡化圖

按照典型的I型系統(tǒng)設(shè)計,參數(shù)ξ取0.707時,系統(tǒng)性能最好。為了抵消電流控制傳遞函數(shù)的極點,取τI=L/r。因此根據(jù)系統(tǒng)實際需要,將具體參數(shù)代入,即可得到kP、kI,則kP=10、kI=50。

2.2電壓環(huán)設(shè)計

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

電壓環(huán)解耦控制如圖6所示,經(jīng)過解耦及PI調(diào)節(jié)后,實現(xiàn)d、q軸電壓的獨立控制。

圖6　電壓環(huán)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(huán)控制的結(jié)構(gòu)圖(見圖7),其中包括電壓采樣延遲環(huán)節(jié)、PI控制環(huán)節(jié)、電流環(huán)的傳遞函數(shù)[13]。為了分析方便,忽略負載電流io d的擾動,并將電流環(huán)近似等效為一階慣性環(huán)節(jié),從而與電壓采樣的延遲環(huán)節(jié)合并。合并后的小時間常數(shù)用Tp表示,Tv為PI調(diào)節(jié)器參數(shù),得到簡化的d軸電壓閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖,如圖8所示。

圖7　d軸電壓閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)圖

圖8　d軸電壓閉環(huán)控制的簡化結(jié)構(gòu)圖

可以求出d軸電壓閉環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

電壓閉環(huán)主要以抗干擾能力為目標,因此采用典型的II型系統(tǒng)進行設(shè)計。電壓中頻寬h=Tv/Tp,一般取h=5,又由II型系統(tǒng)參數(shù)關(guān)系可得:

根據(jù)本文具體參數(shù),經(jīng)計算,最終電壓環(huán)的PI控制器選取kPv=1,kIv=100。

3　仿真及結(jié)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(huán)的控制模塊以及PWM發(fā)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(diào)節(jié),實現(xiàn)無靜差跟蹤。雙閉環(huán)控制模塊包括電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)控制,分別對一種負載狀態(tài)突變?yōu)榱硪环N負載狀態(tài)進行仿真。在仿真模型中選取表1所示仿真參數(shù)。

表1 三電平逆變電路仿真參數(shù)

圖9　三相三電平逆變電路雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型

3.2仿真結(jié)果分析

為了驗證基于dq軸解耦的雙閉環(huán)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?yōu)?0 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(wěn)定的狀態(tài)。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(fù)穩(wěn)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(shè)計的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的正確性,在0.04 s時將負載由100 Ω的純阻性負載突變?yōu)?.01 H的感性負載,在0.08 s時再突變?yōu)?.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(wěn)定。仿真波形進一步證明了基于dq軸解耦的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)具有快速動態(tài)響應(yīng)能力和良好的穩(wěn)定性。

4　結(jié)語

三電平逆變電路采用電壓電流雙閉環(huán)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(huán)控制方案下,輸出電壓和電流波形效果非常好,動態(tài)響應(yīng)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(xué)中,不僅可以使學(xué)生對逆變電路的原理有了深入的理解,還增強了學(xué)生的仿真實驗?zāi)芰?。這種理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)模式能有效提高教學(xué)質(zhì)量。

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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(shù)探索與實踐

2016-04-20

黑龍江省學(xué)位與研究生教育教學(xué)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(tǒng)、成像質(zhì)量評價.

TM464

A

1002-4956(2016)10-0110-05