基于Matlab模型的三相离网逆变器设计

2018-09-14王晓雷李志霞郭飞亚杨合恒

中原工学院学报 2018年4期

王晓雷，李志霞，郭飞亚，杨合恒，柴欣

(中原工学院电子信息学院，河南郑州 450007)

随着电力电子技术的飞速发展，电力电子产品的功能越来越复杂，性能要求越来越高，其很多功能和性能需要通过软件来实现和提高。在柔性直流输电中，模块化多电平换流器(MMC)技术应用十分广泛，但其软件代码规模大，功能验证和实现过程较复杂。采用传统方式编写代码的效率很低，而基于Matlab模型设计的方法则可快速实现并能够验证算法[1]。基于模型的设计方法采用图形化程序，既明确又清晰，便于交流和维护。在Matlab中用Simulink模型仿真，并采用形式化工具分析模型，能够高效地实现模型的早期验证。使用Embedded Coder工具包自动生成目标板代码，可省去繁杂的代码编写过程，提高设计效率[2]。在基于模型设计的过程中，通过软件读取模型中相关信息并自动创建文档，有利于实现文档自动化。

文献[3]中基于DSP(Digital Signal Processing)的单相离网逆变器，输出效果良好，能够满足交流负载要求。传统的离网逆变器实时控制系统在Matlab仿真平台下搭建电力电子仿真平台，并在算法验证后嵌入C语言编程进行控制，存在设计周期长、验证困难等缺陷[1]。本文基于Matlab模型设计的三相离网逆变器,采用图形化界面建模来降低开发难度，缩短研发周期，以达到良好控制的目的。

1 三相离网逆变器拓扑结构及控制策略

1.1 主电路拓扑图及数学模型

在三相离网逆变器的主电路拓扑图(见图1)中，采用全控型场效应晶体管(MOSFET)构成三相全桥结构的PWM(Pulse Width Modulation)逆变器。将全控型电力MOSFET器件用在逆变电路中主要有以下优点：一是驱动电路简单，需要的驱动功率小；二是开关速度快，工作频率高[4]。本文在硬件设计中选用的MOSFET型号为IRF3710，逆变电源为50 V直流电源。在主电路直流侧并入较大的电容，以减小电压脉动，减轻直流电压脉动对系统输出的影响。直流电压逆变后，经电感-电容(LC)滤波变成需要的正弦波电源。

图1 三相离网逆变器主电路拓扑图

主电路拓扑为三相平衡对称电路。这里以a相为例，根据基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律，可得主电路电压电流方程：

(1)

式中：u为逆变器输出的未经滤波的电压,V;i为电感L的电流，A;uR1为负载电压，V;iR1为负载电流,A。

利用坐标变换将三相静止坐标(abc)变换到两相同步旋转坐标(αβ)，可得：

(2)

利用Park变换将两相同步旋转坐标(αβ)变换到两相静止坐标(dq)，可得：

(3)

化简式(2)和式(3)，得到的两相旋转坐标系下电压、电流状态方程为：

(4)

1.2 控制策略

图2 三相离网逆变器双环控制策略

2 三相离网逆变器仿真及模型设计

2.1 在Matlab2017a/Simulink下仿真设计

在理论分析的基础上，对三相离网逆变器系统进行建模，在Matlab2017a/Simulink下搭建三相电压型逆变电路仿真模型(见图3)。仿真电路相关参数的设置情况如下：直流母线电压给定值为50 V，离网输出相电压峰值为20 V，频率为50 Hz，直流母线电容为3 300 μF，滤波电感为3 mH，滤波电容为10 μF。

(a) 电压外环控制器

(b) 电流内环控制器图3 三相电压型逆变电路的仿真模型

2.2 仿真结果分析

图4 逆变器交流侧电压、电流波形

图5 FFT分析结果

图6 三相离网逆变器交流输出电压波形

2.3 三相离网逆变器模型设计

在Matlab2017a中安装DSP C2000硬件支持包，完成与DSP相关参数的设置，根据Simulink 下仿真模型中与控制相关的模块，搭建图7所示的控制模型系统。该模型采用瞬时无功方法，由PWM周期中断触发模拟数字(AD)采样中断，在AD中断中实时计算并输出PWM占空比。三相离网逆变器的模型设计控制算法与系统仿真时的算法基本一致。以DSP28335中AD模块采集系统输出的电压、电流作为反馈信号，经过电压电流双环控制电路，输出SVPWM波所用的调制波，再经DSP的PWM模块产生SVPWM波，对三相全桥MOSFET开关器件的通断进行控制，将直流电转换为工频为50 Hz的三相交流电。

图7 Matlab2017a to Ti DSP28335模型系统

3 实验及结果分析

3.1 实验验证

三相离网逆变器样机主要由直流电源、三相桥式逆变电路、滤波电路、信号采集与调理电路、DSP核心板及隔离驱动电路等模块组成(见图8)。

DSP核心板的控制芯片选用德国仪器公司(TI)的TMS320F28335，精度高，速度快[9]；直流电源采用我国台湾地区的固纬APS-2302可编程交直流电源，保护完善，输出直流电压稳定；系统参数测试设备采用泰克6位半DMM4050型高精度万用表和PA4000型高精度功率分析仪，以满足逆变器输出电源的精度要求。三相离网逆变器的主要技术参数如表1所示。