基于dSPACE的三相PWM整流器仿真與實驗平臺

馮興田，孫涌銘

（中國石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院，山東青島 266580）

0 引言

dSPACE實時仿真系統(tǒng)基于Matlab／Simulink 仿真環(huán)境，包括硬件系統(tǒng)和軟件環(huán)境兩大部分。因其操作使用方便、系統(tǒng)開發(fā)簡單，在電力電子變流器的研究中應(yīng)用廣泛。三相電壓型脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）整流器作為一種性能優(yōu)良的電力電子變流器，能夠有效實現(xiàn)交流側(cè)輸入電流正弦化和直流側(cè)的電壓穩(wěn)定輸出［1-4］。

基于dSPACE 實時仿真系統(tǒng)，搭建電壓型三相PWM整流器的仿真模型和實驗平臺，采用經(jīng)典的電壓電流雙閉環(huán)控制方式，即以輸出電壓為控制變量的電壓外環(huán)和以輸入電流為控制變量的電流內(nèi)環(huán)［5-8］。對于內(nèi)環(huán)控制，分別采用前饋解耦控制和無差拍控制兩種不同的方式來調(diào)節(jié)輸入電流并使其正弦化。對于外環(huán)控制，統(tǒng)一采用傳統(tǒng)的PI 調(diào)節(jié)器來穩(wěn)定輸出電壓。空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）［9-12］與常規(guī)正弦脈寬調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）相比，SVPWM調(diào)制在直流側(cè)輸出電壓的利用率和開關(guān)損耗上都具有一定優(yōu)勢。

PWM整流器仿真與實驗平臺由空間矢量調(diào)制、扇區(qū)選擇、時間計算、驅(qū)動脈沖、前饋解耦控制和無差拍控制多個仿真子模塊以及主電路硬件系統(tǒng)組成。通過設(shè)計分析這些模塊及整個系統(tǒng)的工作過程，讓學(xué)生通過仿真實驗分析掌握相應(yīng)的理論知識，強化仿真研究能力和動手實踐能力的培養(yǎng)［13］。

1 三相PWM整流器仿真系統(tǒng)模型

如圖1 所示為三相電壓型PWM 整流器的結(jié)構(gòu)原理圖。ea、eb、ec為三相交流電源；ia、ib、ic為三相輸入電流；L1、L2、L3為三相濾波電感；R1、R2、R3為輸入側(cè)等效電阻；S1～S6為全控型開關(guān)器件；C為濾波電容；RL為負(fù)載，Udc為直流母線電壓。鑒于dSPACE平臺基于Matlab／Simulink，在Simulink 環(huán)境下搭建三相電壓型PWM整流器仿真模型，主要包括主電路、采樣與控制、驅(qū)動脈沖、顯示4 個單元，如圖2 所示。設(shè)置三相電壓型PWM整流器電路仿真參數(shù)如下：三相輸入相電壓有效值220 V，電壓頻率50 Hz，直流側(cè)母線電壓600 V，交流側(cè)電感1 mH，直流側(cè)電容4 mF，開關(guān)頻率10 kHz，負(fù)載電阻10 Ω。

圖1 三相電壓型PWM整流器結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 三相電壓型PWM整流器仿真模型

2 系統(tǒng)仿真設(shè)計與實驗平臺分析

2.1 SVPWM調(diào)制模型

搭建SVPWM模型需要知道參考電壓矢量Uref（圖3 中為三相abc 參考電壓轉(zhuǎn)換到αβ 坐標(biāo)系下的分量uα和uβ），通過伏秒平衡對合成電動勢的基本電壓矢量作用時間進(jìn)行計算，SVPWM 仿真模塊的輸入端為參考電壓矢量Uref，輸出端是驅(qū)動電路開關(guān)管的觸發(fā)脈沖。SVPWM仿真模型如圖3 所示，主要包括扇區(qū)選擇、時間計算和驅(qū)動脈沖3 個子模塊。

圖3 SVPWM仿真模型

經(jīng)過內(nèi)環(huán)控制得到的參考電壓輸入SVPWM調(diào)制模塊后的第1 個步驟是確定所在扇區(qū)。由于每個扇區(qū)的大、中、小電壓矢量是不一樣的，用于合成參考電壓矢量的基本電壓矢量也不相同，只有在確定扇區(qū)之后才可以確定合成所需的參考電壓的兩個相鄰矢量。圖3 中Sec Selector部分為扇區(qū)選擇仿真子模塊。

當(dāng)系統(tǒng)捕捉到電壓矢量Uref后，首先得到參考電壓矢量Uref所在的扇區(qū)，然后根據(jù)矢量合成的原則推算出所需要的基本電壓矢量，基本電壓矢量的作用時間在電壓矢量確定后得出。時間計算子模塊中包括圖3 中的Get、XYZ和Tx、Ty、Cal模塊。

確定基本矢量的作用時間后，就進(jìn)入了SVPWM調(diào)制的最后一步，即確定開關(guān)的切換時間點。讓輸入的參考矢量選擇最合適的開關(guān)時間點不僅可以降低損耗，還可以減少諧波分量。驅(qū)動脈沖產(chǎn)生子模塊如圖3中的Tpwm模塊。圖4 中相隔120°的馬鞍波是時間切換點的輸出調(diào)制波形。從仿真結(jié)果來看，兩者完全印證了SVPWM調(diào)制的理論知識，證實了算法的正確性。

圖4 時間切換點輸出調(diào)制波

2.2 電流前饋解耦控制和無差拍控制模型

對于一個三相PWM 整流器來說，最看重的指標(biāo)就是輸入電流與輸出電壓，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)恰恰就掌握著這兩個最重要的指標(biāo)。輸入電流能否正弦化以及輸出電壓能否趨于穩(wěn)定，都取決于雙閉環(huán)系統(tǒng)的工作狀態(tài)好壞。對于電壓外環(huán)的設(shè)計主要目的是為了實現(xiàn)即使在有外界干擾的情況下直流側(cè)輸出電壓也能保持穩(wěn)定，滿足系統(tǒng)對輸出電壓穩(wěn)定性的要求［14］。電流前饋解耦控制的內(nèi)環(huán)，設(shè)計的主要目的是實現(xiàn)電流d、q分量的解耦，來達(dá)到輸入電流快速跟蹤輸入電壓的變化，使得功率因數(shù)達(dá)到1。電流前饋解耦控制如圖5所示。

圖5 電流前饋解耦控制

同時，電壓外環(huán)的比例積分（Proportional Integral，PI）控制策略為電流內(nèi)環(huán)提供有功參考電流id*。另一方面，為達(dá)到網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)運行，選擇輸入內(nèi)環(huán)控制的參考電流無功成分iq*為0，在經(jīng)歷dq0 變換之后，得到的電流都是直流量，這樣也使得控制變得更加方便簡單。

為進(jìn)一步分析PWM 整流器內(nèi)環(huán)控制，體會內(nèi)環(huán)控制在輸入電流正弦化方面所起到的重要作用，引入一種無差拍控制方式。采用的無差拍控制是對網(wǎng)側(cè)電流解耦后進(jìn)行再加工，是一種針對被控對象精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型的算法，用于分析離散化情況下的三相PWM 整流器。相對于電流前饋解耦控制而言，無差拍控制省去了比例積分調(diào)節(jié)器，減少了大量的PI 調(diào)節(jié)調(diào)試，并可精準(zhǔn)的預(yù)測下一時刻的電流值。無差拍控制從一定程度上來說可以完全替代電流前饋解耦控制。無差拍控制模型如圖6 所示。

圖6 無差拍控制模型

圖7、8 所示為控制模型坐標(biāo)變換中的相應(yīng)仿真波形。

圖7 αβ坐標(biāo)變換

圖7 為三相abc 值的αβ 分量，用以提供SVPWM調(diào)制所需要的輸入電壓參考矢量值Uref。圖8 為解耦后的dq軸分量波形，可見，電流的前饋解耦控制實現(xiàn)了d、q軸變量的分離，使得直流電流實現(xiàn)了獨立控制，既方便控制設(shè)計，又可得到想要的控制效果，更重要的是簡化了控制結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也大大提高［15］。

圖8 解耦后的dq軸分量

圖9、10 為采用無差拍控制策略時獲取的三相PWM整流器仿真波形，從仿真結(jié)果看出，該仿真平臺的輸入電流快速跟蹤輸入電壓呈正弦狀，且相位保持一致，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)運行，輸出電壓也迅速穩(wěn)定在給定電壓。

圖9 交流側(cè)輸入電壓、電流波形

圖10 輸出電壓波形

2.3 實驗平臺設(shè)計與分析

Matlab／Simulink軟件對控制算法進(jìn)行離線仿真和驗證，其自帶的實時工作區(qū)（Real-Time Workshop，RTW）與dSPACE 的實時接口（Real-Time Interface，RTI）相配合，將Matlab／Simulink 軟件與dSPACE 實時系統(tǒng)連接起來，即可實現(xiàn)代碼從Simulink 模型到dSPACE 控制系統(tǒng)的自動下載，進(jìn)而完成兩者之間的銜接?；赿SPACE 的控制系統(tǒng)設(shè)計流程如圖11所示。

圖11 基于dSPACE的控制系統(tǒng)設(shè)計流程圖

設(shè)計開發(fā)三相PWM整流器，將其與dSPACE硬件系統(tǒng)相連接，即可軟硬件結(jié)合實現(xiàn)仿真實驗系統(tǒng)的運行分析。仿真實驗系統(tǒng)平臺如圖12 所示。圖13 為采用平臺采集的實驗波形，其中Udc為直流輸出電壓波形，ua和ia分別為a相輸入電壓和電流波形。由圖中可見，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)側(cè)電壓、電流的同相位以及輸出電壓的穩(wěn)定；負(fù)載切換時輸出電壓略有波動，但快速回到給定值，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的動穩(wěn)態(tài)性能。

圖12 基于dSPACE的仿真實驗系統(tǒng)平臺

圖13 平臺采集的動穩(wěn)態(tài)波形

3 結(jié)語

本文基于dSPACE 實時仿真系統(tǒng)，搭建一種三相電壓型PWM整流器的仿真與實驗教學(xué)平臺，分析了仿真系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)及典型的仿真波形，給出了實驗平臺的設(shè)計分析過程。該平臺讓學(xué)生通過仿真與實驗分析驗證理論知識，主要服務(wù)于電氣工程本科生課程“柔性輸配電技術(shù)”和研究生課程“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”的教學(xué)研究。通過仿真實踐訓(xùn)練，有助于提高學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計、仿真建模分析和實驗操作能力。