周澤 蒲彩霞 張坤 方瑋

摘要：如今伴隨著分布式電網(wǎng)的迅速發(fā)展，并網(wǎng)逆變器作為供電部門與電網(wǎng)連接的核心環(huán)節(jié)，其研究和使用也愈發(fā)的重要，其性能也直接決定了發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的質(zhì)量。本文介紹了一種基于MATLAB軟件搭建三相逆變器仿真的實(shí)驗(yàn)過程，其中主要包含了對主電路工作原理的分析、控制電路的設(shè)計(jì)與調(diào)整、以及對最終的輸出效果的分析。

關(guān)鍵字：MATLAB、三相逆變、SPWM調(diào)制、并網(wǎng)

0 引言

本項(xiàng)目主要利用MATLAB軟件中的Simulink元件庫和SimPowerSystems元件庫中的元件。設(shè)計(jì)中，我們能結(jié)合自身需求調(diào)用其中相應(yīng)功能的模塊或函數(shù)，用搭積木的方式，將各模塊按要求以框圖流程的形式連接起來，構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)模型；然后利用其中的測量與顯示等模塊便可以測量電路各環(huán)節(jié)的電路參數(shù)[1]。

主要結(jié)合電力電子技術(shù)、自動控制原理等科目所學(xué)知識，設(shè)計(jì)搭建了一個可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)的三相逆變電路模型。其中主要應(yīng)用了SPWM脈寬調(diào)制技術(shù)、PI控制器的實(shí)際應(yīng)用、三相逆變主電路工作原理等重點(diǎn)知識。

1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了滿足并網(wǎng)要求主電路選為三相橋式電壓型逆變電路；為了實(shí)現(xiàn)諧波含量低，相位偏差小等逆變要求選用SPWM脈寬調(diào)制技術(shù)；為了減小系統(tǒng)的靜差達(dá)到較好的穩(wěn)定輸出效果選用PI調(diào)節(jié)器作為反饋環(huán)節(jié)的信號處理器[2]。

控制電路的設(shè)計(jì)思路是采用各相對各相，輸入期望值相間相位互差120°的方式來進(jìn)行控制。即對于A相而言，僅采集其負(fù)載支路的相電流來與電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號相比較得偏差ΔI信號；對其進(jìn)一步處理產(chǎn)生兩路相位完全互補(bǔ)的PWM觸發(fā)信號，來控制逆變橋中A相對應(yīng)的上下兩開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。B、C作相應(yīng)處理[3]。其具體工作流程如圖1所示。

其中各環(huán)節(jié)的參數(shù)及工作要求如表1所示：

2 系統(tǒng)工作原理

主電路換相方式為縱向換流，開關(guān)順序如表2所示。由于是采用的IGBT全控型器件故其控制方式為脈寬觸發(fā)的斬控式[2]。

根據(jù)上述分析建立其數(shù)學(xué)模型，取6、1、2三管導(dǎo)通分析為例，其簡化電路如圖2：

由回路電流法相關(guān)知識可得；

通過整理化簡可得此時電路的狀態(tài)方程為：

而其他5個狀態(tài)的結(jié)果與其相似，僅是各系數(shù)矩陣的參數(shù)做出相應(yīng)地調(diào)整即可[2]。

3 控制電路分析

3.1 PI控制器

PI控制器可根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值相比對得到偏差量，通過比例和積分環(huán)節(jié)的線性組合得到控制量，用于對被控對象進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)信號的跟蹤。其數(shù)學(xué)模型為：

其中，Kp為比例常數(shù)，KI為積分常數(shù)。

只要Kp、KI設(shè)置合理，既能滿足響應(yīng)快速性的要求，又能達(dá)到輸出無靜差。

根據(jù)上述分析在設(shè)計(jì)該環(huán)節(jié)時，主要是需要對KP、KI參數(shù)進(jìn)行整定。整定的依據(jù)：在開環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上搭建好閉環(huán)系統(tǒng)模型，觀察經(jīng)反饋處理后的調(diào)制信號ΔI的幅值與三角載波（SPWM調(diào)制的載波）之間的大小關(guān)系來確定。即當(dāng)三相的ΔI均落在載波之內(nèi)則說明PI參數(shù)設(shè)置比較合理，若其明顯超出了載波的幅值范圍，則不合理，就需要適當(dāng)?shù)販p小KP參數(shù)來降低其幅值[4]。

3.2 SPWM脈寬調(diào)制環(huán)節(jié)

SPWM控制基于面積等效原理，用脈寬按正弦變化的PWM波來控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與調(diào)制波在面積上等效；當(dāng)載波的頻率足夠高時，可近似等效；通過改變調(diào)制波的頻率和幅值就可以調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值[4]。采樣和比較原理如圖3所示：

根據(jù)上述分析該環(huán)節(jié)主要需確定調(diào)制波的參數(shù)。其波形、頻率、相位等參數(shù)應(yīng)滿足并網(wǎng)要求。

調(diào)制波幅值的確定，可先通過搭建開環(huán)系統(tǒng)，給各開關(guān)管輸入相應(yīng)地脈沖觸發(fā)信號（其頻率為5kHz，而占空比可通過試湊法確定），使系統(tǒng)能輸出較理想的三相電流信號，記錄其幅值大小，然后將其乘以0.8作為調(diào)制波的幅值[4]。

4 仿真模型與結(jié)果分析

4.1 仿真模型

根據(jù)前面的理論分析，在Simulink中搭建其仿真模型如圖4所示，部分參數(shù)已標(biāo)注在圖中。

其中，4個子系統(tǒng)模塊分別為1個三相電流調(diào)制的PWM脈沖發(fā)生環(huán)節(jié)， 3個A、B、C三相的PI控制環(huán)節(jié)。其仿真模型分別如圖5和圖6所示。再利用示波器分別觀察A、B、C三相的相電流以及A相的相電流與相電壓的變化曲線。

仿真模型中各元件的參數(shù)及其路徑如表3所示：

4.2 仿真結(jié)果

1）、當(dāng)Kp=1/40，KI=1/3.3時，仿真結(jié)果如圖6至9所示。三相電流波形接近于正弦波，含有少量諧波分量即波形畸變；各次諧波所占比重均小于0.1%；帶有0.78%直流分量；總諧波成分比例0.32%。輸出電流與電網(wǎng)電壓在相位上基本重合，且系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間較短。調(diào)制波基本都落在三角載波的幅值之內(nèi)， PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)合理。

2）、當(dāng)Kp=1/11，KI=1/3.3時，仿真結(jié)果如圖10至11所示。調(diào)制波信號幅值明顯高于三角載波，失去了調(diào)制可能性；電流波形畸變嚴(yán)重；諧波含量為4.47%，較情況一明顯增加。

4.3 結(jié)論

基本能達(dá)到并網(wǎng)輸出的效果， PI調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)范圍：Kp在0.025左右，KI在0.303左右時輸出的效果最佳。

5 總結(jié)

本文對三相電壓型逆變電路的控制電路進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，基本實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)并網(wǎng)。主要利用了PI控制、SPWM脈寬調(diào)制等控制手段，設(shè)計(jì)出了單閉環(huán)的無靜差控制系統(tǒng)，并在MATLAB軟件上進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，找出了系統(tǒng)仍存在的不足，提出了相應(yīng)地改善辦法。

參考文獻(xiàn)：

[1]祝龍記等。三相逆變電路SPWM控制理論和仿真相結(jié)合的教學(xué)實(shí)例探究[J]。中國電力教育，2014：65-91

[2]王兆安，劉進(jìn)軍等。電力電子技術(shù)[B]。機(jī)械工業(yè)出版社，2012：108-126

[3]陳中等。基于MATALB的電力電子技術(shù)和交直流調(diào)速系統(tǒng)仿真[B]。清華大學(xué)出版社，2014：124-128

[4]萬振東，王藝博，蔡國偉等，三相四線制逆變器并網(wǎng)電流復(fù)合控制策略[J]，電力電子技術(shù)，2018，52（7），65，67.

[5]袁龍，郭強(qiáng)，三相LCC并網(wǎng)逆變器的參數(shù)設(shè)計(jì)方法與控制策略[J].電力電子技術(shù)，2018，52（8），101-103.

[6]姜雅飛，基于電網(wǎng)電壓正余弦變換的三相變流器控制策略[J]，電氣傳動，201808-09。

[7]譚翠蘭，陳啟宏，張立炎等，三相四橋臂并網(wǎng)逆變器的無差拍重復(fù)控制[J]，2018，42（9），143-145.

課外開放實(shí)驗(yàn)校級重點(diǎn)項(xiàng)目，課題編號是KSZ17150