劉 斌， 賀德強(qiáng)，徐辰華，林小峰，李先旺

(廣西大學(xué) 1.電氣工程學(xué)院， 2. 機(jī)械工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004)

基于Matlab/Simulink的并網(wǎng)型變流器教學(xué)仿真

劉 斌1， 賀德強(qiáng)2，徐辰華1，林小峰1，李先旺2

(廣西大學(xué) 1.電氣工程學(xué)院， 2. 機(jī)械工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004)

并網(wǎng)型PWM變流器，可廣泛應(yīng)用于新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)、變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、有源電力濾波器和無功補(bǔ)償裝置等，是“電力電子技術(shù)”課程中三相PWM逆變電路的具體應(yīng)用。本文在闡述三相PWM 整流器與鎖相環(huán)控制策略基礎(chǔ)上，建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，并使用Matlab/Simulink仿真軟件進(jìn)行分析。仿真分析與演示豐富了教學(xué)內(nèi)容，加深學(xué)生對(duì)PWM 逆變電路內(nèi)容的理解和掌握，使教學(xué)內(nèi)容具體化，提高教學(xué)質(zhì)量。

Matlab/Simulink；三相PWM整流器；仿真教學(xué)

0 引言

“電力電子技術(shù)”是自動(dòng)化專業(yè)與電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。課程內(nèi)容涉及許多電能變換器的理論與應(yīng)用知識(shí)，其中三相PWM逆變電路是一種基本拓?fù)渑c控制結(jié)構(gòu)?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”又是一門面向應(yīng)用的課程，與工程實(shí)際聯(lián)系緊密。當(dāng)前，基于三相逆變電路拓?fù)涞牟⒕W(wǎng)型PWM變流器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)、變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、有源電力濾波器和無功補(bǔ)償裝置等[1，2]。如何將復(fù)雜的變換原理，PWM調(diào)制方法以及脈沖控制時(shí)序等復(fù)雜抽象的理論知識(shí)的推導(dǎo)與工程應(yīng)用很好地結(jié)合起來，是我們?cè)诮虒W(xué)中一直探索的問題。許多高校在“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)中將計(jì)算機(jī)仿真引入課堂，可以彌補(bǔ)單純課堂理論教學(xué)的不足。

Matlab是一種高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化數(shù)學(xué)軟件，被譽(yù)為“巨人肩上的工具”[3]，是面向科學(xué)與工程的優(yōu)秀、高效的科學(xué)計(jì)算應(yīng)用軟件。在電力電子裝置仿真中，Matlab一方面可提供面向系統(tǒng)傳遞函數(shù)、基于控制系統(tǒng)工具箱的仿真方法[4]，另一方面，在其PSB(Power System Blockset)工具箱，包含許多電力電子器件(GTO、IGBT、DIODE、MOSFET等)以及電感、電容、電阻等無源器件的模型。將Simulink和PSB共同使用可完成連續(xù)控制系統(tǒng)系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、電能變換、電機(jī)控制等系統(tǒng)仿真。

本文以“電力電子技術(shù)”課程中三相PWM 整 流器教學(xué)內(nèi)容為研究對(duì)象，基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)，搭建了三相并網(wǎng)型變流器的仿真模型。該模型較全面地闡釋了并網(wǎng)型PWM變流器的基本閉環(huán)控制策略，可方便應(yīng)用于課堂教學(xué)，并為同類教學(xué)提供參考。

1 三相PWM變流器的典型電路模型

三相PWM變流器的典型電路模型如圖1所示。圖中共有四個(gè)儲(chǔ)能元件，三個(gè)交流電感L和直流電容C，另外R表示功率開關(guān)管損耗等效電阻與交流電感及網(wǎng)側(cè)等效電阻之和，為PWM變流器交流側(cè)等效電阻。

圖1 三相并網(wǎng)型PWM變流器的典型電路

由于該電路無中線，可定義單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)

(1)

上式中，上橋臂開關(guān)管導(dǎo)通為1，下橋臂開關(guān)管導(dǎo)通為0。對(duì)三相變流器采用基爾霍夫電壓定律(KVL)建立電壓回路方程

(2)

式中，ukN表示a,b,c三相中對(duì)N點(diǎn)電位差，uNO表示圖1中，N點(diǎn)與0點(diǎn)之間的電位差。

根據(jù)定義的開關(guān)函數(shù)sk有ukN=udc·sk，則式(2)改寫為

(3)

僅考慮三相對(duì)稱系統(tǒng)，且無中線，則

(4)

聯(lián)立三相系統(tǒng)，得

(5)

代入式(3)，得

(6)

2 三相PWM變流器的并網(wǎng)控制

2.1 三相鎖相環(huán)原理

設(shè)三相電網(wǎng)電壓分別為ea、eb、ec，三相基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的鎖相環(huán)對(duì)三相電網(wǎng)電壓進(jìn)行采樣，先經(jīng)過Clack變換得到靜止直角坐標(biāo)系的分量eα、eβ。設(shè)三相電網(wǎng)電壓的表達(dá)式為

(7)

其中，Em為交流母線的三相正序電壓幅值，θ=ω0t+φi，ω0為電網(wǎng)基頻角頻率，φi為起始初相角。Clark變換矩陣為

(8)

再經(jīng)過Park變換，得到ed、eq：

(9)

(10)

將ed作為反饋值，ed*與ed的誤差信號(hào)作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，通過PI調(diào)節(jié)后使得ed等于0，即：

(11)

2.2 同步PI并網(wǎng)電流控制策略

控制模型的建立，是從三相靜止坐標(biāo)系(a-b-c)變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d-q)，進(jìn)而得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d-q)下的同步PI并網(wǎng)電流控制模型。其變換矩陣為

(12)

(13)

其中，xα、xβ為電壓或電流的靜止坐標(biāo)系下的分量，xd、xq為電壓或電流的同步坐標(biāo)系下的分量。圖2為同步PI并網(wǎng)電流控制框圖。

圖2 三相并網(wǎng)型PWM變流器同步PI電流控制框圖

3 并網(wǎng)型PWM整流器的教學(xué)仿真

3.1 仿真模型

通過Matlab中的Simulink模塊，對(duì)并網(wǎng)型PWM變流器建立仿真模型，引入教學(xué)內(nèi)容供學(xué)生參考，并加深他們對(duì)PWM變流電路的理解。

圖3為基于Simulink的PSB工具箱建立的三相并網(wǎng)型PWM變流器得仿真模型。其中，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)表

4 仿真結(jié)果

圖4為三相并網(wǎng)型PWM變流器仿真結(jié)果。圖4(a)為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，直流側(cè)電壓udc波形，穩(wěn)定在750 V，并可向?qū)W生展示三相逆變電路直流側(cè)電壓六脈波波形。圖4(b)與圖4(c)分別為整流與并網(wǎng)逆變運(yùn)行三相電網(wǎng)與三相電流，便于課堂上解釋三相并網(wǎng)PWM變流器的功率因數(shù)為1時(shí)的整流與逆變兩種工作模式。

(a)主電路仿真模型

(b) 控制子系統(tǒng)仿真模型圖3 三相并網(wǎng)型PWM變流器仿真模型

(a)直流側(cè)電壓udc仿真波形

(b) 整流運(yùn)行三相電網(wǎng)與三相電流

(c) 并網(wǎng)逆變運(yùn)行三相電網(wǎng)與三相電流

5 結(jié)語

本文將Matlab 仿真技術(shù)融入“電力電子技術(shù)”課程的課堂教學(xué)與展示實(shí)驗(yàn)等教學(xué)環(huán)節(jié)。重點(diǎn)闡述了基于并網(wǎng)型三相PWM變流器數(shù)學(xué)模型以及并網(wǎng)控制模型的Matlab/Simulink仿真模型的建立與仿真結(jié)果。Matlab 電力電子電路與控制系統(tǒng)仿真的引入，使枯燥的理論講解過程形象化，可提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與積極性，提高教學(xué)質(zhì)量，為學(xué)生以后實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，有利于培養(yǎng)學(xué)生工程能力。本文基于Matlab的仿真教學(xué)方法，可推廣到其他電類課程的教學(xué)中，對(duì)于教學(xué)、研究以及電力電子類課程設(shè)計(jì)都具有借鑒意義。

[1] 程啟明，程尹曼，薛 陽，胡曉青，王映斐. 三相電壓源型PWM 整流器控制方法的發(fā)展綜述[J]. 許昌:電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2012,40(12):145-154.

[2] 賈俊川,李衛(wèi)國. 三相電壓型PWM整流器控制特性[J] . 南京: 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2010,30(4):63-65.

[3] 蒯松巖，衡鳳平，崔鑫，譚國俊，鄧先明. 基于Matlab 的“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程教學(xué)改革[J]. 南京: 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2016,38(1):29-31.

[4] 鄭義，張宇飛． 結(jié)合仿真軟件的適時(shí)教學(xué)方法在電路分析教學(xué)中的探索[J]. 北京: 中國電力教育， 2014，( 17) : 62-63.

[5] 劉斌, 賀建軍, 粟梅, 孫堯. 基于穿越頻次變步長的離散全程滑模鎖相環(huán)控制[J]. 北京: 電網(wǎng)技術(shù), 2014, 38(12): 3347-3353.

Simulation Training of Grid-Connected Convertor Based on Matlab/Simulink

LIU Bin1， HE De-qiang2， XU Chen-hua1， LIN Xiao-feng1， LI Xian-wang2

(1.CollegeofElectricalEngineering, 2．CollegeofMechanicalEngineering,GuangxiUniversity,Nanning530004,China)

Grid-connected convertor is an essential part of Power Electronics Teachnology course. It can be widely used in new energy grid generation system, frequency conversion driving system, active power filter, reactive power compensation equipments. In this paper, the control strategies of three phase PWM converter and phase locked loop are described. Mathematical model, simulation and so on are elaborated. The results of simulation and analysis enrich the teaching content, deepen students' understanding of PWM rectifier, and improve the teaching quality．

matlab/simulink; three phase PWM rectifier; simulation training

2016-05-30;

2016-07- 29

廣西教育廳教學(xué)改革與研究項(xiàng)目(2011JGB004)

劉 斌(1982-)，男，博士，講師，主要從事電力電子技術(shù)教學(xué)、新能源分布式發(fā)電技術(shù)等研究工作，E-mail：bingo.liu@csu.edu.cn

TM133

A

1008-0686(2017)02-0143-04