基于Matlab/Simulink的并网型变流器教学仿真

刘 斌， 贺德强，徐辰华，林小峰，李先旺

(广西大学 1.电气工程学院， 2. 机械工程学院， 广西 南宁 530004)

基于Matlab/Simulink的并网型变流器教学仿真

刘 斌1， 贺德强2，徐辰华1，林小峰1，李先旺2

(广西大学 1.电气工程学院， 2. 机械工程学院， 广西 南宁 530004)

并网型PWM变流器，可广泛应用于新能源并网发电系统、变频驱动系统、有源电力滤波器和无功补偿装置等，是“电力电子技术”课程中三相PWM逆变电路的具体应用。本文在阐述三相PWM 整流器与锁相环控制策略基础上，建立相关数学模型，并使用Matlab/Simulink仿真软件进行分析。仿真分析与演示丰富了教学内容，加深学生对PWM 逆变电路内容的理解和掌握，使教学内容具体化，提高教学质量。

Matlab/Simulink；三相PWM整流器；仿真教学

0 引言

“电力电子技术”是自动化专业与电气工程及其自动化专业的的一门重要的专业基础课。课程内容涉及许多电能变换器的理论与应用知识，其中三相PWM逆变电路是一种基本拓扑与控制结构。“电力电子技术”又是一门面向应用的课程，与工程实际联系紧密。当前，基于三相逆变电路拓扑的并网型PWM变流器已经广泛应用于新能源并网发电系统、变频驱动系统、有源电力滤波器和无功补偿装置等[1，2]。如何将复杂的变换原理，PWM调制方法以及脉冲控制时序等复杂抽象的理论知识的推导与工程应用很好地结合起来，是我们在教学中一直探索的问题。许多高校在“电力电子技术”课程教学中将计算机仿真引入课堂，可以弥补单纯课堂理论教学的不足。

Matlab是一种高性能的数值计算和可视化数学软件，被誉为“巨人肩上的工具”[3]，是面向科学与工程的优秀、高效的科学计算应用软件。在电力电子装置仿真中，Matlab一方面可提供面向系统传递函数、基于控制系统工具箱的仿真方法[4]，另一方面，在其PSB(Power System Blockset)工具箱，包含许多电力电子器件(GTO、IGBT、DIODE、MOSFET等)以及电感、电容、电阻等无源器件的模型。将Simulink和PSB共同使用可完成连续控制系统系统、离散控制系统、电力系统、电能变换、电机控制等系统仿真。

本文以“电力电子技术”课程中三相PWM 整 流器教学内容为研究对象，基于Matlab/Simulink仿真平台，搭建了三相并网型变流器的仿真模型。该模型较全面地阐释了并网型PWM变流器的基本闭环控制策略，可方便应用于课堂教学，并为同类教学提供参考。

1 三相PWM变流器的典型电路模型

三相PWM变流器的典型电路模型如图1所示。图中共有四个储能元件，三个交流电感L和直流电容C，另外R表示功率开关管损耗等效电阻与交流电感及网侧等效电阻之和，为PWM变流器交流侧等效电阻。

图1 三相并网型PWM变流器的典型电路

由于该电路无中线，可定义单极性二值逻辑开关函数

(1)

上式中，上桥臂开关管导通为1，下桥臂开关管导通为0。对三相变流器采用基尔霍夫电压定律(KVL)建立电压回路方程

(2)

式中，ukN表示a,b,c三相中对N点电位差，uNO表示图1中，N点与0点之间的电位差。

根据定义的开关函数sk有ukN=udc·sk，则式(2)改写为

(3)

仅考虑三相对称系统，且无中线，则

(4)

联立三相系统，得

(5)

代入式(3)，得

(6)

2 三相PWM变流器的并网控制

2.1 三相锁相环原理

设三相电网电压分别为ea、eb、ec，三相基于同步旋转坐标系的锁相环对三相电网电压进行采样，先经过Clack变换得到静止直角坐标系的分量eα、eβ。设三相电网电压的表达式为

(7)

其中，Em为交流母线的三相正序电压幅值，θ=ω0t+φi，ω0为电网基频角频率，φi为起始初相角。Clark变换矩阵为

(8)

再经过Park变换，得到ed、eq：

(9)

(10)

将ed作为反馈值，ed*与ed的误差信号作为PI调节器的输入，通过PI调节后使得ed等于0，即：

(11)

2.2 同步PI并网电流控制策略

控制模型的建立，是从三相静止坐标系(a-b-c)变换到两相旋转坐标系(d-q)，进而得到两相旋转坐标系(d-q)下的同步PI并网电流控制模型。其变换矩阵为

(12)

(13)

其中，xα、xβ为电压或电流的静止坐标系下的分量，xd、xq为电压或电流的同步坐标系下的分量。图2为同步PI并网电流控制框图。

图2 三相并网型PWM变流器同步PI电流控制框图

3 并网型PWM整流器的教学仿真

3.1 仿真模型

通过Matlab中的Simulink模块，对并网型PWM变流器建立仿真模型，引入教学内容供学生参考，并加深他们对PWM变流电路的理解。

图3为基于Simulink的PSB工具箱建立的三相并网型PWM变流器得仿真模型。其中，仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数表

4 仿真结果

图4为三相并网型PWM变流器仿真结果。图4(a)为系统稳定运行时，直流侧电压udc波形，稳定在750 V，并可向学生展示三相逆变电路直流侧电压六脉波波形。图4(b)与图4(c)分别为整流与并网逆变运行三相电网与三相电流，便于课堂上解释三相并网PWM变流器的功率因数为1时的整流与逆变两种工作模式。

(a)主电路仿真模型

(b) 控制子系统仿真模型图3 三相并网型PWM变流器仿真模型

(a)直流侧电压udc仿真波形

(b) 整流运行三相电网与三相电流

(c) 并网逆变运行三相电网与三相电流

5 结语

本文将Matlab 仿真技术融入“电力电子技术”课程的课堂教学与展示实验等教学环节。重点阐述了基于并网型三相PWM变流器数学模型以及并网控制模型的Matlab/Simulink仿真模型的建立与仿真结果。Matlab 电力电子电路与控制系统仿真的引入，使枯燥的理论讲解过程形象化，可提高学生学习的兴趣与积极性，提高教学质量，为学生以后实际系统设计打下坚实的基础，有利于培养学生工程能力。本文基于Matlab的仿真教学方法，可推广到其他电类课程的教学中，对于教学、研究以及电力电子类课程设计都具有借鉴意义。

[1] 程启明，程尹曼，薛 阳，胡晓青，王映斐. 三相电压源型PWM 整流器控制方法的发展综述[J]. 许昌:电力系统保护与控制, 2012,40(12):145-154.

[2] 贾俊川,李卫国. 三相电压型PWM整流器控制特性[J] . 南京: 电力自动化设备, 2010,30(4):63-65.

[3] 蒯松岩，衡凤平，崔鑫，谭国俊，邓先明. 基于Matlab 的“运动控制系统”课程教学改革[J]. 南京: 电气电子教学学报,2016,38(1):29-31.

[4] 郑义，张宇飞． 结合仿真软件的适时教学方法在电路分析教学中的探索[J]. 北京: 中国电力教育， 2014，( 17) : 62-63.

[5] 刘斌, 贺建军, 粟梅, 孙尧. 基于穿越频次变步长的离散全程滑模锁相环控制[J]. 北京: 电网技术, 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

广西教育厅教学改革与研究项目(2011JGB004)

刘 斌(1982-)，男，博士，讲师，主要从事电力电子技术教学、新能源分布式发电技术等研究工作，E-mail：bingo.liu@csu.edu.cn

TM133

A

1008-0686(2017)02-0143-04