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(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

1 引言

隨著化石能源的日漸枯竭和環(huán)境問題的日益凸顯，近年來，基于太陽能、風(fēng)能、潮汐能等可再生能源的分布式發(fā)電正在飛速發(fā)展，并將在應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境污染問題中扮演日益重要的角色[1]。分布式發(fā)電系統(tǒng)按照是否與電網(wǎng)相連可以分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型兩類。其中，并網(wǎng)型分布式發(fā)電系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于可再生資源分布密集的地區(qū)，將發(fā)出的電能轉(zhuǎn)化為滿足電網(wǎng)要求的交流電饋入電網(wǎng)[2]。

在并網(wǎng)型分布式發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電單元與儲(chǔ)能單元配合供電，通過并網(wǎng)逆變器將發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻同相的交流電并入電網(wǎng)。并網(wǎng)逆變器作為分布式發(fā)電單元與電網(wǎng)之間的接口單元，其工作性能直接影響著并網(wǎng)電能質(zhì)量，是分布式發(fā)電系統(tǒng)中功率變換的核心設(shè)備，對(duì)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和高質(zhì)量運(yùn)行具有十分重要的作用[3]。

電力電子系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)能夠幫助工程師加速對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析，大大縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，提高科研效率。常用的仿真軟件主要有Saber、MATLAB/Simulink、PLECS、Pspice等。其中Simulink具有強(qiáng)大的控制系統(tǒng)仿真能力，適用于系統(tǒng)級(jí)仿真，但不含有精確的器件模型，不適用于元件級(jí)仿真[4]；Saber的特點(diǎn)是具有精確的元器件模型庫，適合于元件級(jí)仿真，仿真速度快且收斂性強(qiáng)，并且提供了SaberScope和DesignProbe用以查看仿真結(jié)果，其具有強(qiáng)大的波形計(jì)算和分析功能[5]。

本文以三相并網(wǎng)逆變器為研究對(duì)象，其主電路采用電壓型三相全橋逆變電路拓?fù)?，控制電路采用dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流閉環(huán)PI控制結(jié)構(gòu)。應(yīng)用Saber軟件和MATLAB/Simulink搭建系統(tǒng)模型，并進(jìn)行Co-Sim協(xié)同仿真，對(duì)該并網(wǎng)逆變器進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)的仿真實(shí)驗(yàn)。仿真得到了較為良好的輸出電流波形，驗(yàn)證了該三相并網(wǎng)逆變器的可靠性。同時(shí)為電力電子仿真軟件的協(xié)同運(yùn)行提供了參考。

2 三相并網(wǎng)逆變器拓?fù)渑c原理

常用的三相逆變器按照直流側(cè)性質(zhì)主要分為電壓型逆變器和電流型逆變器兩類，其中電壓型逆變器在直流側(cè)并聯(lián)大電容，其儲(chǔ)能效率更高。本文中的三相并網(wǎng)逆變器主電路采用電壓型三相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前逆變器大多采用脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)控制技術(shù)，輸出的PWM電壓中含有大量的開關(guān)諧波，因此需選用合適的濾波器以抑制開關(guān)諧波的影響。本文選用由電感和電容構(gòu)成的LCL型濾波器，其相比于傳統(tǒng)的單電感L型濾波器，具有更好的高頻諧波濾波效果。

本文逆變器采用dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電流閉環(huán)PI控制結(jié)構(gòu)，圖1所示為三相并網(wǎng)逆變器原理圖。圖中Udc為前級(jí)輸出直流電壓；Cdc為直流側(cè)電容，向逆變橋提供穩(wěn)定的直流電壓；Ta1-Tc2為主電路橋臂開關(guān)管；濾波器由逆變側(cè)電感Lf1、網(wǎng)側(cè)電感和Lf2濾波電容Cf構(gòu)成，Rf為L(zhǎng)CL濾波器阻尼電阻；ua、ub和uc為三相并網(wǎng)電壓；ia、ib和ic為三相并網(wǎng)電流；Gi為電流采樣增益；Hi為電流環(huán)前饋解耦增益，以消除d軸和q軸間的耦合；鎖相環(huán)(PLL)為控制信號(hào)提供相位信息，使并網(wǎng)電流相位保持對(duì)電網(wǎng)電壓相位的跟蹤。

圖1 三相并網(wǎng)逆變器原理圖

在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下控制的三相逆變器，采用PI調(diào)節(jié)器就能實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)。PI調(diào)節(jié)器中比例環(huán)節(jié)反映系統(tǒng)的偏差信號(hào)，對(duì)產(chǎn)生的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)消除；積分環(huán)節(jié)以消除靜差，提升控制精度。并網(wǎng)逆變器對(duì)并網(wǎng)電流進(jìn)行控制，并網(wǎng)電壓由電網(wǎng)電壓決定。采樣三相并網(wǎng)電壓，通過鎖相環(huán)提取相位信息。采樣三相并網(wǎng)電流，通過坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換為dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下信號(hào)，與指令信號(hào)Idref和Iqref比較。經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后進(jìn)行坐標(biāo)反變換，送入PWM調(diào)制器。形成的SPWM信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)、隔離后控制主電路開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)三相并網(wǎng)逆變器在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的閉環(huán)控制。

3 Co-Sim協(xié)同仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 建立仿真模型

在Saber和MATLAB/Simulink軟件中搭建上文介紹的三相并網(wǎng)逆變器仿真模型。即以Saber為主機(jī)搭建主電路模型，調(diào)用Simulink模塊搭建控制環(huán)路模型。仿真過程中兩個(gè)軟件需要以固定的時(shí)間步長(zhǎng)交換數(shù)據(jù)，故搭建Co-Sim協(xié)同仿真模型的關(guān)鍵在于兩個(gè)軟件模型間的接口定義。圖2所示為在Saber主機(jī)軟件界面下的三相并網(wǎng)逆變器Co-Sim協(xié)同仿真模型。

圖2 三相并網(wǎng)逆變器Co-Sim協(xié)同仿真模型

圖2中的6輸入3輸出的SaberSimulink Cosim模塊即為在MATLAB/Simulink環(huán)境中搭建的控制環(huán)路Simulink模型的封裝結(jié)構(gòu)。Saber即通過該模塊實(shí)現(xiàn)與Simulink的數(shù)據(jù)交換。在圖2的仿真電路中，通過三組i2var模塊采樣三相并網(wǎng)電流，作為電流環(huán)反饋信號(hào)送入SaberSimulink Cosim模塊中。同時(shí)通過三組v2var模塊采樣三相電網(wǎng)電壓，送入Cosim模塊中，為PLL提供相位信息。SaberSimulink Cosim模塊實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)相位跟蹤、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流閉環(huán)PI控制功能，其輸出三路信號(hào)送入PWM調(diào)制電路，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)送入主電路中，控制開關(guān)管的動(dòng)作。

模型搭建完成后，即可開始仿真。仿真操作過程如下：首先在Saber主界面中對(duì)建立的模型網(wǎng)表化，之后在仿真類型中選擇執(zhí)行暫態(tài)仿真，此時(shí)在彈出的對(duì)話框內(nèi)設(shè)置仿真時(shí)間、仿真步長(zhǎng)等參數(shù)。之后Saber軟件會(huì)啟動(dòng)MATLAB/Simulink，打開并調(diào)用SaberSimulink Cosim模塊中的Simulink子模型，最后進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真，從而實(shí)現(xiàn)該三相并網(wǎng)逆變器的Co-Sim協(xié)同仿真。

3.2 仿真結(jié)果與分析

本文中三相并網(wǎng)逆變器的額定工作頻率為50Hz；開關(guān)頻率為5kHz；電網(wǎng)電壓為220V。圖3所示為在Saber軟件CosmosScope界面下的逆變器Co-Sim協(xié)同仿真并網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流波形。CosmosScope波形處理功能強(qiáng)大，利用Fourier分析等功能還可以實(shí)現(xiàn)諧波含量分析等其他波形處理結(jié)果。從圖中可以看出，Co-Sim協(xié)同仿真得到的并網(wǎng)逆變器三相輸出電流正弦波形良好，諧波含量較低，相電流幅值為50A，頻率為50Hz，并且并網(wǎng)電流能夠準(zhǔn)確跟蹤電網(wǎng)電壓的相位。

圖3 三相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電壓、并網(wǎng)電流波形

為了考察本文三相并網(wǎng)逆變器的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)電流環(huán)指令值突變時(shí)的并網(wǎng)電流進(jìn)行仿真。圖4所示為并網(wǎng)逆變器電流環(huán)d軸指令值突增和突降時(shí)的并網(wǎng)電流波形。其中，在t=1.65s時(shí)刻，指令值由50A降低至30A；在t=1.70s時(shí)刻，指令值由30A增加至50A?？梢钥闯?，在指令值大幅突變時(shí)，逆變器并網(wǎng)電流能夠迅速跟蹤指令值的變化，恢復(fù)至穩(wěn)定的正弦波形。

圖4 指令值突變時(shí)并網(wǎng)電流波形

仿真結(jié)果表明，本文中采用dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電流閉環(huán)PI控制的三相并網(wǎng)逆變器，能夠輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的穩(wěn)定的正弦電流。并且在指令值突然變化時(shí)，控制系統(tǒng)能夠快速動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)逆變器的無靜差調(diào)節(jié)，具有較好的動(dòng)態(tài)性能。

4 結(jié)語

本文研究了一種dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電流閉環(huán)PI控制的三相并網(wǎng)逆變器，并在Saber軟件和MATLAB/Simulink中對(duì)其進(jìn)行協(xié)同仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該并網(wǎng)逆變器能夠穩(wěn)定運(yùn)行，且具有較好的動(dòng)態(tài)性能?；赟aber和Simulink的Co-Sim協(xié)同仿真充分利用了Saber仿真的器件精準(zhǔn)、速度快等優(yōu)點(diǎn)和Simulink對(duì)控制系統(tǒng)仿真的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，保證了仿真結(jié)果的收斂性和精確性，提高了仿真速度。對(duì)電力電子系統(tǒng)軟件的協(xié)同仿真具有一定的參考和借鑒意義。