基于PSIM與MATLAB的雙向能量變換器仿真研究

李芳，王志浩，肖亮

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

基于PSIM與MATLAB的雙向能量變換器仿真研究

李芳，王志浩，肖亮

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

針對雙向能量變換器在MATLAB仿真過程中參數(shù)設(shè)置復(fù)雜，運行的速度慢等出現(xiàn)的問題。提出了基于PSIM和MATLAB的聯(lián)合仿真，對雙向能量變換系統(tǒng)進行設(shè)計及仿真驗證。利用PSIM在參數(shù)設(shè)置方面的靈活性與運行的快速性優(yōu)點和MATLAB仿真軟件在控制方面的強大功能。在PSIM中搭建主電路拓撲結(jié)構(gòu)，并引出控制需要的參數(shù)與接口，在MATLAB中采用虛擬磁鏈定向的電壓型PWM變換器直接功率控制與電流控制模式進行控制。仿真結(jié)果表明，該方法加快了運行速度，并方便參數(shù)的設(shè)置和搭建主電路。

雙向能量變換；PSIM；MATLAB；聯(lián)合仿真

1 引言

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，計算機仿真技術(shù)在其領(lǐng)域得到了廣泛且充分的應(yīng)用，其不僅可以縮短電力電子產(chǎn)品的設(shè)計周期，還可以促進產(chǎn)品研發(fā)水平的提高，同時改善了電力電子產(chǎn)品的性能。近幾年來,電力電子專用仿真軟件應(yīng)用比較多的有Pspice 、Psim、Saber 、Matlab等。Matlab的不足之處是目前POWER SYSTEM的仿真基于一般電路元件的模型以及數(shù)學(xué)模塊，與實際元件的參數(shù)有一定的差別，所以其仿真的結(jié)果與實際電路也是有一定距離的，其仿真結(jié)果的參考意義主要體現(xiàn)在電路的總體上，基本忽略了對實際開關(guān)的暫態(tài)過程描述。Matlab的優(yōu)點包括：其數(shù)據(jù)處理十分有效、精細，數(shù)據(jù)的格式有很好的兼容性，便于數(shù)據(jù)的后期處理與分折。Psim有十分友好的圖形界面，且容易掌握。是專門針對電力電子的電源和電力電子的傳動的，所以其設(shè)計的仿真電路比Matlab要方便些，且它的運行效果很好，有非常高的效率。Psim輸出數(shù)據(jù)的格式還有較好的兼容性，可以轉(zhuǎn)換到Excell和Matlab可以識別與兼容的格式。其仿真時間步長是固定的，不易出現(xiàn)不收斂問題。綜上所述，目前沒有一種仿真軟件是集所有優(yōu)點與一身的，各有優(yōu)缺點，只能視情況而定。本文采用PSIM與Matlab聯(lián)合仿真，利用二者各自的優(yōu)點。

隨著太陽能、風(fēng)能等分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，雙向能量變換器的應(yīng)用越來越廣泛，同時對大功率雙向能量變換器的需求也越來越迫切。然而，太陽能、風(fēng)能等新能源發(fā)電站都遇到輸出電能變化大、不穩(wěn)定、不連續(xù)、不可預(yù)測等問題。電池儲能系統(tǒng)能夠提高間歇性能源并網(wǎng)發(fā)電能力，還可以完成電網(wǎng)的削峰填谷及過負荷沖擊與頻率的調(diào)節(jié)。由于傳統(tǒng)的PWM單向整流器/逆變器已經(jīng)不能滿足儲能系統(tǒng)并網(wǎng)接入的要求，因此提出了一種新型并網(wǎng)接入系統(tǒng)，即雙向能量變換器。雙向能量變換器中常用的拓撲結(jié)構(gòu)是含DC/DC和DC/AC環(huán)節(jié)的。其中DC/DC變流器是實現(xiàn)能量雙向傳輸?shù)?，在功能上相當于兩個單向的直流交換器，DC/AC變流器是實現(xiàn)儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)能量交換的，起到整流和逆變的功能。雙向DC/AC變流器常用的是PWM變換器，變換器的控制目標是使能量實現(xiàn)雙向運行，既可實現(xiàn)整流，又可實現(xiàn)逆變。組成雙向能量變換器的另外一部分是濾波器，其主要作用是為了濾掉高次諧波分量，使輸出電壓接近正弦波。

本文采用PSIM搭建一個50kW雙向能量變換器，用MATLAB控制實現(xiàn)能量變換器并網(wǎng)充電、放電控制，實現(xiàn)電池儲能系統(tǒng)的削峰填谷、調(diào)頻、無功調(diào)節(jié)等功能。為以后仿真軟件的聯(lián)合利用提供基礎(chǔ)，也為以后研究大功率雙向能量變換提供一定的理論與研究基礎(chǔ)。

2 主電路拓撲結(jié)構(gòu)

2.1 雙向能量變換器的拓撲結(jié)構(gòu)

電池儲能系統(tǒng)中的雙向能量變換器拓撲結(jié)構(gòu)：含有DC/AC與DC/DC環(huán)節(jié)的能量變換器拓撲結(jié)構(gòu)。圖1是在PSIM中仿真的主電路。

圖1 含DC/AC與DC/DC環(huán)節(jié)的雙向能量變換器主電路結(jié)構(gòu)

其中，DC/DC環(huán)節(jié)主要是提供穩(wěn)定的直流電壓從而進行升/降壓變換。儲能電池組放電過程中，DC/DC變換器工作在升壓狀態(tài)，DC/AC變流器工作在逆變狀態(tài)，DC/DC變換器升壓為DC/AC逆變器提供直流側(cè)輸入側(cè)電壓，經(jīng)逆變器輸出合適的交流電壓，通過濾波器濾波將能量反饋回電網(wǎng)；儲能電池組充電的過程中，DC/DC變換器工作在降壓狀態(tài)，DC/AC變流器工作在整流狀態(tài)，即DC/AC整流器將電網(wǎng)側(cè)交流電壓進行整流變換成直流電壓，該電壓又經(jīng)雙DC/DC變換器降壓得到儲能電池充電電壓，進而對電池組進行充電。對整個儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的提高，如果儲能電池組出現(xiàn)了意外或故障，則儲能系統(tǒng)還可繼續(xù)工作。

2.2 AC/DC轉(zhuǎn)換器的拓撲結(jié)構(gòu)

AC/DC轉(zhuǎn)換即整流-逆變過程，選擇的是三相電壓型可控橋式電路拓撲結(jié)構(gòu)。儲能交流器在不同的工作狀態(tài)下，電能在交流器中的流動方向不同。通過控制交流側(cè)交流電流的方向即可實現(xiàn)整流器功率因數(shù)為1和-1的變換。

2.3 DC/DC轉(zhuǎn)換器的拓撲結(jié)構(gòu)

DC-DC變換器是指能量能夠雙向流動的直流-直流變換器。采用的是升降壓式(Buck/ Boost)直流變換器構(gòu)成的雙向Buck/ Boost。在Buck/ Boost 雙向變換器中，功率管S7、S8是零電壓開通，D7、D8是自然關(guān)斷與開通。為避免S7、S8同時導(dǎo)通，需留有驅(qū)動死區(qū)ts。又為了實現(xiàn)S7、S8的零電壓開通，需在D7、D8續(xù)流期間驅(qū)動開通。因此死區(qū)合適的時間為

(1)

3 控制策略

3.1 電壓型PWM變換器的控制策略

本文采用虛擬磁鏈定向的電壓型PWM變換器直接功率控制。在此只簡要說明當電路工作于整流狀態(tài)時的原理，其原理就是將電壓型PWM整流器的交流側(cè)虛擬成交流電動機，其交流側(cè)的電阻和電感看成交流電動機的定子電阻和定子電感；交流側(cè)三相電壓由氣隙磁鏈感應(yīng)產(chǎn)生。圖2為其系統(tǒng)組成圖。

圖2 虛擬磁鏈定向的電壓型PWM變換器直接

功率控制結(jié)構(gòu)

(1)對虛擬磁鏈的估計：在αβ坐標系中虛擬磁鏈的兩軸分量表示如下

(2)

(3)

又由于輸出電壓矢量的兩軸分量可以由直流側(cè)電壓和相應(yīng)開關(guān)函數(shù)調(diào)制而成。

(4)

(5)

將后面兩個式子代入前兩個式子即可求出ψα和ψβ。

(2)對瞬時功率的估計：將iα，iβ，ψα，ψβ代入下面的式子對輸出瞬時有功和無功功率進行估算。

p=ω(ψαiβ-ψβiα)

(6)

q=ω(ψαiα+ψβiβ)

(7)

直流側(cè)外環(huán)電壓的PI調(diào)節(jié)器輸出做瞬時有功功率的參考值p′，瞬時無功功率的參考值則是直接給定，給定依據(jù)是否需要無功補償。

(3)滯環(huán)控制器的設(shè)計：將p，q與p′，q′進行比較，將其偏差送入滯環(huán)控制器，則其輸出結(jié)果為：sp=1或sp=0，sp=1或sq=0。

(4)開關(guān)表：由滯環(huán)控制器的輸出結(jié)果以及磁鏈矢量位置角γ=arctan(ψα/ψ/β)確定區(qū)間信息。

3.2 DC-DC變換器的控制策略

在Buck/Boost雙端穩(wěn)壓DC/DC變換器中，要求能量由Vb流向Vo時Vo穩(wěn)定，而能量由Vo向Vb時Vb穩(wěn)定。在能量由Vb流向Vo時，其工作在常規(guī)的Boost模式下，能量由Vo流向Vb時，其工作在常規(guī)的Buck模式下。兩種情況下都設(shè)S8的占空比為D。

(8)

(9)

由上面的公式可以看出，DC/DC變換系統(tǒng)不同功率流向時小信號模型是不同的，如果采用統(tǒng)一的閉環(huán)調(diào)節(jié)器，則其校正和調(diào)節(jié)很困難。所以要采用兩套獨立的控制環(huán)，才能達到電壓調(diào)節(jié)的目的。對于電流模式控制，采用輸入電壓外環(huán)，輸出電流內(nèi)環(huán)的控制策略，則可以實現(xiàn)能量的自動檢測，在控制過程中通過輸入電壓的變化來判斷能量的流動方向。所以在設(shè)計中采用的是電流模式控制。

電流控制模式的控制原理是：變換器的輸出電壓Vo經(jīng)分壓后，與給定值Vref比較，經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器將電壓誤差放大生成電壓誤差放大信號，作為內(nèi)環(huán)電流基準，電流檢測信號與給定值之間的誤差經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器放大后，生成控制信號作用于脈寬調(diào)制電路，形成占空比D可變的脈沖信號作用在開關(guān)管上。

圖3 電流模式控制系統(tǒng)圖

系統(tǒng)簡化后的系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)開環(huán)與閉環(huán)傳遞函數(shù)如下：

(10)

GV(s)=

(11)

3 結(jié)果分析

本文采用PSIM和MATLAB聯(lián)合仿真的方式對雙向PCS進行仿真驗證。在PSIM中畫出主電路的拓撲結(jié)構(gòu)，在MATLAB中控制。在PSIM中畫出主電路時其參數(shù)設(shè)置如下：380V的交流源；輸入濾波電感為2mH，輸入電阻為1Ω；中間濾波電感為30mH，中間濾波電容為470μF；輸出濾波電感為2000mH，輸出濾波電容為4000μF；用0.15Ω的電阻與300V直流源組成蓄電池。

下面是在MATLAB中進行控制分析，并驗證。

圖4 在MATLAB中的總體仿真圖

兩個仿真軟件聯(lián)合仿真運行圖如下：圖4～6為電池充電時的曲線，在開始時給定一個擾動，系統(tǒng)可以很快趨于穩(wěn)定。

圖5 V8與V9的電壓變化

V8為蓄電池兩端的電壓，V9是降壓前的電壓。

由圖5～圖7可以看出，在MATLAB中閉環(huán)控制結(jié)果表明，在MATLAB中閉環(huán)控制運行結(jié)果的曲線更加平滑，且趨于穩(wěn)定。在充電時給定一個擾動，也可以很快趨于穩(wěn)定。所以PSIM和MATLAB聯(lián)合仿真是合理的。而且合理的利用了二者各自的優(yōu)點。

4 結(jié)語

本課題針對雙向能量變換器基于PSIM和MATLAB聯(lián)合仿真，利用了PSIM在參數(shù)設(shè)置方面的靈活性與運行的快速性優(yōu)點和MATLAB仿真軟件在控制方面的強大功能。有利于仿真實驗中參數(shù)的設(shè)置，加快了運行速度，還可進行復(fù)雜控制。結(jié)果表明這樣的聯(lián)合仿真是實用的。

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[7] 呂征宇，錢照明，陳國柱.一種新的電力電子電路仿真工具一PSIM的應(yīng)用探討[D].浙江大學(xué).

Simulation Study on Bidirectional Energy Converters Based on PSIM and MATLAB

LIFang,WANGZhi-hao,XIAOLiang

(College of Electrical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China)

For the problems that bidirectional energy converter in MATLAB simulation process parameter setting operation of complex and slow speed.Put forward the joint simulation of PSIM and MATLAB,design and simulation verification of the bidirectional energy conversion system.Using PSIM′s advantages of the installation flexibility in parameters and fast operation,MATLAB simulation software′s powerful function in the control.To build the main circuit topology structure in PSIM,and draws out the control parameters and the interface need,in MATLAB to use direct power control of directional voltage type PWM converter based on virtual flux and current control mode.The simulation results show that,the method to accelerate the running speed,and convenient parameter setting and build the main circuit.

bidirectional energy conversion；PSIM；MATLAB；combined simulation

1004-289X(2016)03-0061-05

TN624

B

2015-03-26

李芳(1989-)，女，碩士研究生 研究方向為新能源與直流微電網(wǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)； 王志浩(1989-),男，碩士研究生，研究方向為新能源； 肖亮(1990-),男，碩士研究生，研究方向為新能源的電力電子變換。