基于Saber和Simulink的三相并网逆变器仿真研究

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(广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004)

1 引言

随着化石能源的日渐枯竭和环境问题的日益凸显，近年来，基于太阳能、风能、潮汐能等可再生能源的分布式发电正在飞速发展，并将在应对能源危机和环境污染问题中扮演日益重要的角色[1]。分布式发电系统按照是否与电网相连可以分为离网型和并网型两类。其中，并网型分布式发电系统广泛应用于可再生资源分布密集的地区，将发出的电能转化为满足电网要求的交流电馈入电网[2]。

在并网型分布式发电系统中，发电单元与储能单元配合供电，通过并网逆变器将发出的直流电转化为与电网同频同相的交流电并入电网。并网逆变器作为分布式发电单元与电网之间的接口单元，其工作性能直接影响着并网电能质量，是分布式发电系统中功率变换的核心设备，对系统的安全、稳定和高质量运行具有十分重要的作用[3]。

电力电子系统的计算机仿真技术能够帮助工程师加速对系统的设计和分析，大大缩短产品研发周期，提高科研效率。常用的仿真软件主要有Saber、MATLAB/Simulink、PLECS、Pspice等。其中Simulink具有强大的控制系统仿真能力，适用于系统级仿真，但不含有精确的器件模型，不适用于元件级仿真[4]；Saber的特点是具有精确的元器件模型库，适合于元件级仿真，仿真速度快且收敛性强，并且提供了SaberScope和DesignProbe用以查看仿真结果，其具有强大的波形计算和分析功能[5]。

本文以三相并网逆变器为研究对象，其主电路采用电压型三相全桥逆变电路拓扑，控制电路采用dq同步旋转坐标系下的电流闭环PI控制结构。应用Saber软件和MATLAB/Simulink搭建系统模型，并进行Co-Sim协同仿真，对该并网逆变器进行了系统级的仿真实验。仿真得到了较为良好的输出电流波形，验证了该三相并网逆变器的可靠性。同时为电力电子仿真软件的协同运行提供了参考。

2 三相并网逆变器拓扑与原理

常用的三相逆变器按照直流侧性质主要分为电压型逆变器和电流型逆变器两类，其中电压型逆变器在直流侧并联大电容，其储能效率更高。本文中的三相并网逆变器主电路采用电压型三相全桥拓扑结构。目前逆变器大多采用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)控制技术，输出的PWM电压中含有大量的开关谐波，因此需选用合适的滤波器以抑制开关谐波的影响。本文选用由电感和电容构成的LCL型滤波器，其相比于传统的单电感L型滤波器，具有更好的高频谐波滤波效果。

本文逆变器采用dq同步旋转坐标系下电流闭环PI控制结构，图1所示为三相并网逆变器原理图。图中Udc为前级输出直流电压；Cdc为直流侧电容，向逆变桥提供稳定的直流电压；Ta1-Tc2为主电路桥臂开关管；滤波器由逆变侧电感Lf1、网侧电感和Lf2滤波电容Cf构成，Rf为LCL滤波器阻尼电阻；ua、ub和uc为三相并网电压；ia、ib和ic为三相并网电流；Gi为电流采样增益；Hi为电流环前馈解耦增益，以消除d轴和q轴间的耦合；锁相环(PLL)为控制信号提供相位信息，使并网电流相位保持对电网电压相位的跟踪。

图1 三相并网逆变器原理图

在dq同步旋转坐标系下控制的三相逆变器，采用PI调节器就能实现无静差调节。PI调节器中比例环节反映系统的偏差信号，对产生的偏差进行调节消除；积分环节以消除静差，提升控制精度。并网逆变器对并网电流进行控制，并网电压由电网电压决定。采样三相并网电压，通过锁相环提取相位信息。采样三相并网电流，通过坐标变换转换为dq旋转坐标系下信号，与指令信号Idref和Iqref比较。经过PI调节后进行坐标反变换，送入PWM调制器。形成的SPWM信号通过驱动、隔离后控制主电路开关管的导通和关断，从而实现三相并网逆变器在dq同步旋转坐标系下的闭环控制。

3 Co-Sim协同仿真实验

3.1 建立仿真模型

在Saber和MATLAB/Simulink软件中搭建上文介绍的三相并网逆变器仿真模型。即以Saber为主机搭建主电路模型，调用Simulink模块搭建控制环路模型。仿真过程中两个软件需要以固定的时间步长交换数据，故搭建Co-Sim协同仿真模型的关键在于两个软件模型间的接口定义。图2所示为在Saber主机软件界面下的三相并网逆变器Co-Sim协同仿真模型。

图2 三相并网逆变器Co-Sim协同仿真模型

图2中的6输入3输出的SaberSimulink Cosim模块即为在MATLAB/Simulink环境中搭建的控制环路Simulink模型的封装结构。Saber即通过该模块实现与Simulink的数据交换。在图2的仿真电路中，通过三组i2var模块采样三相并网电流，作为电流环反馈信号送入SaberSimulink Cosim模块中。同时通过三组v2var模块采样三相电网电压，送入Cosim模块中，为PLL提供相位信息。SaberSimulink Cosim模块实现锁相环相位跟踪、旋转坐标变换和dq同步旋转坐标系下的电流闭环PI控制功能，其输出三路信号送入PWM调制电路，产生的驱动信号送入主电路中，控制开关管的动作。

模型搭建完成后，即可开始仿真。仿真操作过程如下：首先在Saber主界面中对建立的模型网表化，之后在仿真类型中选择执行暂态仿真，此时在弹出的对话框内设置仿真时间、仿真步长等参数。之后Saber软件会启动MATLAB/Simulink，打开并调用SaberSimulink Cosim模块中的Simulink子模型，最后进行系统级仿真，从而实现该三相并网逆变器的Co-Sim协同仿真。

3.2 仿真结果与分析

本文中三相并网逆变器的额定工作频率为50Hz；开关频率为5kHz；电网电压为220V。图3所示为在Saber软件CosmosScope界面下的逆变器Co-Sim协同仿真并网电压和并网电流波形。CosmosScope波形处理功能强大，利用Fourier分析等功能还可以实现谐波含量分析等其他波形处理结果。从图中可以看出，Co-Sim协同仿真得到的并网逆变器三相输出电流正弦波形良好，谐波含量较低，相电流幅值为50A，频率为50Hz，并且并网电流能够准确跟踪电网电压的相位。

图3 三相并网逆变器并网电压、并网电流波形

为了考察本文三相并网逆变器的动态特性，对电流环指令值突变时的并网电流进行仿真。图4所示为并网逆变器电流环d轴指令值突增和突降时的并网电流波形。其中，在t=1.65s时刻，指令值由50A降低至30A；在t=1.70s时刻，指令值由30A增加至50A。可以看出，在指令值大幅突变时，逆变器并网电流能够迅速跟踪指令值的变化，恢复至稳定的正弦波形。

图4 指令值突变时并网电流波形

仿真结果表明，本文中采用dq同步旋转坐标系下电流闭环PI控制的三相并网逆变器，能够输出与电网电压同频同相的稳定的正弦电流。并且在指令值突然变化时，控制系统能够快速动作，实现逆变器的无静差调节，具有较好的动态性能。

4 结语

本文研究了一种dq同步旋转坐标系下电流闭环PI控制的三相并网逆变器，并在Saber软件和MATLAB/Simulink中对其进行协同仿真实验。仿真结果验证了该并网逆变器能够稳定运行，且具有较好的动态性能。基于Saber和Simulink的Co-Sim协同仿真充分利用了Saber仿真的器件精准、速度快等优点和Simulink对控制系统仿真的强大优势，保证了仿真结果的收敛性和精确性，提高了仿真速度。对电力电子系统软件的协同仿真具有一定的参考和借鉴意义。