基于PI校正器的可逆PWM变换器的仿真分析



基于PI校正器的可逆PWM变换器的仿真分析

宝金1，张 呼 和2

(1.包头师范学院，内蒙古 包头 014030；2.包头轻工学院，内蒙古 包头 014030)

摘要：在介绍PWM变换器工作原理的基础上，设计了基于PI校正器的PWM变换器控制系统，结合简化SVPWM调制方式，实现了高功率运行和能量双向流动。使用Matlab/Simulink对其进行了建模及仿真分析，结果验证了控制方法的可行性和有效性。

关键词：可逆PWM整流器；SVPWM；PI控制；仿真

从长远看，以可再生能源为主的能源布局将成为未来的发展方向。电力电子变换器作为风力发电与电网的接口，作用是非常重要的，不仅对风力发电机进行控制，也向电网输送优良电能,还要完成故障穿越等功能[5]。网侧变换器在风电系统中扮演着很重要角色。三相PWM变换器拥有网侧电流谐波小、容许能量双向流动、并网功率因数可控等优点，近几年被广泛应用于并网发电等场合。本文研究了基于PI校正器的三相可逆PWM变换器的控制系统，结合简化SVPWM调制方式，完成了能量双向流动和功率因数“1”运行。使用Matlab/Simulink对其进行了建模及仿真分析，结果验证了本控制方法的有效性和可行性。

1基本工作原理及数学模型

1.1三相PWM变换器结构及工作原理

三相PWM变换器最基本的工作原理是在控制直流侧电压Udc稳定的基础上，在交流侧获得可调的功率因数。通常，三相PWM变换器有四种基本工作方式：整流高功率因数运行、逆变高功率因数运行、纯容性的零功率因数运行和纯感性的零功率因数运行。

图1:PWM变换器基本电路

1.2三相PWM变换器的数学模型

三相PWM变换器器的三相静止坐标系下表示数学模型文献[3]中已给出：

(1)

可以看出，在上式中存在两个变量的乘积(idsd、iqsq)，模型具有非线性特性。为此，需要对(1)式进行线性化。

若忽视三相PWM变换器桥路的损耗，利用park坐标变换，可得三相变换器在同步旋转坐标系下表示的数学模型：

(2)

2控制原理

方程(2)说明，变换器输入电流的d轴电流id和q轴电流iq相互耦合，经过反馈电流状态和前馈补偿电网电压，完成id、iq的解耦控制，并选用简单的PI校正器作为外环电压校正器及内环电流校正器。

2.1电流内环设计

内环设计为电流环，主要作用是输入电流跟踪指令电流，可以提高系统的动态响应速度。为了获得良好的跟踪性能，通常电流内环按典型Ⅰ型系统设计，已解耦的id简化内环控制结构如图2所示。由于d轴和q轴q轴电流环对称，q轴电流环设计与d轴相似。

图2:电流内环简化结构

2.2电压外环设计

外环设计为电压环，主要作用是为了稳定变换器直流侧电压Vdc。为了获得良好的动态响应，通常电压外环按典型Ⅰ型系统设计，经简化得到的电压外环控制结构如下图3所示。

图3:电压外环简化结构

2.3简化SVPWM算法

为了更好的实现稳态精度和动态响应，可逆PWM变换器控制系统结合简化SVPWM调制算法和固定开-关频率。简化脉宽调制算法没有三角函数的计算、没有坐标之间变换、无理数和绝对值的运算，只是简单的四则运算。按照参考文献[5]中的方法能够实现简化SVPWM调制算法，这里不再累赘。

3系统仿真设计及分析

本文在Matlab/Simulink中构建PWM变换器控制系统的仿真模型，选用电流外环电压内环的双闭环控制结构。系统的控制结构如图4所示。

图4:三相PWM变换器控制结构

系统参数为：三相PWM变换器交流侧电压为220V/50Hz，电阻为0.18Ω，电感为2mH,直流侧电压500V,负载10Ω，电容为5300μF，开关频率为5KHz,直流侧反电动势eL=600V。控制参数为电压外环PI调节参数为P=0.2,I=30，电流内环PI调节器参数均为P=2.2,I=2.6。

系统由逆变状态变为整流状态：在初时直流侧通过5Ω电阻接入一个600V的外加直流电源从而逆变状态运行，0.3s时直流侧断开5Ω的电阻和600V的外加直流电源突变为10Ω的电阻从而整流状态运行。仿真结果如图5～图7所示。

图5:逆变到整流时直流侧电压响应

图5为逆变状态到整流状态直流侧电压的响应；从波形可以看出，直流侧电压稳定在给定的参考值500V，逆变状态和整流状态的调整时间基本一样1.5s，达到了较好的抗干扰性能。

图6:逆变到整流时A相电压电流响应

图6为逆变到整流时时A相电压电流响应；从波形可以看出，逆变状态下电压电流反向,整流状态下电压电流同相，逆变和整流时电流调整时间1.1s，有较好的跟踪性能。

图7:逆变到整流时直流侧电流响应

图7为逆变到整流直流侧电流响应；从波形可以看出，逆变时通过较短的调整时间稳定到-20A,整流时也较短的调整时间稳定到50A，结果与理论相吻合。

4结束语

本文研究了选用简化SVPWM的PWM变换器控制系统。设计了基于PI校正的可逆PWM变换器控制系统，完成了高功率运行和能量双向流动。通过仿真验证了良好的抗干扰能力和良好的跟踪性能响应。所以PI校正的PWM变换器控制系统可以应用到不同环境下的可逆系统当中，因此具有广泛的工业应用。

〔参考文献〕

[1]张崇巍,张兴.PWM整流器及其控制技术[M].北京：机械工业出版社,2003.

[2]Gangquan Si, Weili Zhao, Lixin Jia, Yanbin Zhang. Robust Sliding Mode Control of Three-phase Voltage Source PWM Rectifier with Uncertainties and Disturbances[J]．IEEE Chinese Control and Decision Conference，2014，Vol.26:542-546.

[3]王文博,等. 离网小型风力发电机组整流器仿真研究[J]．测控技术，2010，29(5):99-101.

[4]赵振波,李和明.单位功率因数PWM整流器双闭环PI调节器设计[J].电工技术杂志，2003，(5)：68-72.

[5]任永峰．双馈式风力发电机组柔性并网运行与控制 [M].北京：机械工业出版社,2011.

Simulation Study of Reversible PWM Rectifier Based on PI

BAO Jin1, ZHANG Hu-he2

(1.Baotou Teachers College,Baotou 014030；2.Baotou Light Industry College,Baotou 014030)

Abstract:The working principle of the PWM rectifier is introduced. build up the control system of PWM rectifier based on PI and combine with simplified SVPWM Modulation method, achieving the bidirectional flow of energy and high power operation. The system is modeled and simulated by the use of Matlab/Simulink mode, and the results confirmed the feasibility and effectiveness of this control method.

Key words:Reversible PWM rectifier; svpwm;pi;simulation

中图分类号：O186.13

文献标识码：A

文章编号：1004-1869(2015)01-0041-03

作者简介：宝金(1977-)，蒙古族，内蒙古通辽人，硕士，讲师，研究方向：电力电子技术及应用。

收稿日期：2014-11-04