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(shí)驗(yàn)

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(duì)開(kāi)環(huán)的三電平逆變電路穩(wěn)定性差、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、帶載能力弱等問(wèn)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(duì)象,建立其在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型,分別對(duì)電流環(huán)和電壓環(huán)進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(jì);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(jì)。在Simulink仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(fù)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(shí)驗(yàn)； 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(dòng)化專(zhuān)業(yè)不可或缺的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課,在培養(yǎng)專(zhuān)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(dòng)機(jī)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(wú)法滿(mǎn)足高壓、大功率場(chǎng)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(shí)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(shì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)能力強(qiáng)、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(duì)象,首先建立了三電平逆變電路在dq坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型,進(jìn)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(fù)載突變下逆變電路的輸出波形,從而驗(yàn)證所設(shè)計(jì)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(shí)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?fù)浣Y(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(gè)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(fù)載組成。其中三相濾波電感值均為L(zhǎng),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(fù)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(kāi)關(guān)損耗低等特點(diǎn),適用于高壓、大功率場(chǎng)合。

1.2三電平逆變電路數(shù)學(xué)模型

用三態(tài)開(kāi)關(guān)變量Sa、Sb、Sc分別表示各橋臂的三種開(kāi)關(guān)狀態(tài),分別對(duì)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(kāi)關(guān)變量和直流輸入電源表示為：

把負(fù)載電流作為擾動(dòng)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(guò)一系列推導(dǎo)可以得到abc三相靜止坐標(biāo)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(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系的變換矩陣為:

通過(guò)坐標(biāo)變換,可以得到dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的三電平逆變電路數(shù)學(xué)模型[7],見(jiàn)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(jì)

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(jì)

根據(jù)式(1)可知,d、q軸電流存在耦合,因此不能用簡(jiǎn)單的負(fù)反饋控制。為了降低控制器設(shè)計(jì)的難度,需要對(duì)d、q軸電流進(jìn)行前饋解耦[11],然后再進(jìn)行PI調(diào)節(jié),解耦方程為

(3)

根據(jù)式(3)設(shè)計(jì)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(duì)稱(chēng)性,因此PI控制器的參數(shù)可以取定相同值,現(xiàn)只需對(duì)d軸電流分量進(jìn)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(jiǎn)化圖

按照典型的I型系統(tǒng)設(shè)計(jì),參數(shù)ξ取0.707時(shí),系統(tǒng)性能最好。為了抵消電流控制傳遞函數(shù)的極點(diǎn),取τI=L/r。因此根據(jù)系統(tǒng)實(shí)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(jì)

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(jì)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(guò)解耦及PI調(diào)節(jié)后,實(shí)現(xiàn)d、q軸電壓的獨(dú)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(duì)稱(chēng)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(jiàn)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(fù)載電流io d的擾動(dòng),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(shí)間常數(shù)用Tp表示,Tv為PI調(diào)節(jié)器參數(shù),得到簡(jiǎn)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(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖

可以求出d軸電壓閉環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

電壓閉環(huán)主要以抗干擾能力為目標(biāo),因此采用典型的II型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(jì)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(jiàn)圖9),主要包括三電平逆變電路拓?fù)淠K、三相LC濾波器模塊、三相交流負(fù)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(fù)載電流的坐標(biāo)變換,共3個(gè)坐標(biāo)變換,進(jìn)而得到dq坐標(biāo)系的直流分量,便于PI調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)無(wú)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(duì)一種負(fù)載狀態(tài)突變?yōu)榱硪环N負(fù)載狀態(tài)進(jìn)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(yàn)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(fù)載由20 Ω在0.06 s時(shí)突變?yōu)?0 Ω,輸出三相電壓波形如圖10(a)所示。在0.06 s時(shí)突變后,b相電壓正峰值明顯增大,c相電壓負(fù)峰值有所提升,但是接近0.07 s時(shí),三相快速達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。輸出的三相負(fù)載電流波形如圖10(b)所示,雖然突變時(shí)刻明顯波動(dòng)較大,但能夠快速恢復(fù)穩(wěn)定。同時(shí)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(diǎn)。

圖10　在0.06 s時(shí)刻負(fù)載突變的電壓及電流波形

為了更好地驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的正確性,在0.04 s時(shí)將負(fù)載由100 Ω的純阻性負(fù)載突變?yōu)?.01 H的感性負(fù)載,在0.08 s時(shí)再突變?yōu)?.001 F的容性負(fù)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(fù)載突變的電壓及電流波形

由圖11可見(jiàn),在0.04 s及0.08 s的負(fù)載突變時(shí)刻,電壓幅值有略微變化,整體波動(dòng)不明顯,電流波形不到半個(gè)工頻即可快速穩(wěn)定。仿真波形進(jìn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和良好的穩(wěn)定性。

4　結(jié)語(yǔ)

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(fù)載擾動(dòng)能力。通過(guò)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(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、抗負(fù)載干擾能力強(qiáng),驗(yàn)證了控制方案的正確性。將Simulink仿真融入三電平逆變電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,不僅可以使學(xué)生對(duì)逆變電路的原理有了深入的理解,還增強(qiáng)了學(xué)生的仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α＿@種理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式能有效提高教學(xué)質(zhì)量。

References)

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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(shí)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(xiàng)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?yàn)殡娏﹄娮友b置與系統(tǒng)、成像質(zhì)量評(píng)價(jià).

TM464

A

1002-4956(2016)10-0110-05