基于MATLAB的三相橋式電壓型逆變電路仿真與分析

周澤 蒲彩霞 張坤 方瑋

摘要：如今伴隨著分布式電網的迅速發展，并網逆變器作為供電部門與電網連接的核心環節，其研究和使用也愈發的重要，其性能也直接決定了發電系統并網的質量。本文介紹了一種基于MATLAB軟件搭建三相逆變器仿真的實驗過程，其中主要包含了對主電路工作原理的分析、控制電路的設計與調整、以及對最終的輸出效果的分析。

關鍵字：MATLAB、三相逆變、SPWM調制、并網

0 引言

本項目主要利用MATLAB軟件中的Simulink元件庫和SimPowerSystems元件庫中的元件。設計中，我們能結合自身需求調用其中相應功能的模塊或函數，用搭積木的方式，將各模塊按要求以框圖流程的形式連接起來，構成所需的控制系統模型；然后利用其中的測量與顯示等模塊便可以測量電路各環節的電路參數[1]。

主要結合電力電子技術、自動控制原理等科目所學知識，設計搭建了一個可實現并網的三相逆變電路模型。其中主要應用了SPWM脈寬調制技術、PI控制器的實際應用、三相逆變主電路工作原理等重點知識。

1 系統拓撲結構

為了滿足并網要求主電路選為三相橋式電壓型逆變電路；為了實現諧波含量低，相位偏差小等逆變要求選用SPWM脈寬調制技術；為了減小系統的靜差達到較好的穩定輸出效果選用PI調節器作為反饋環節的信號處理器[2]。

控制電路的設計思路是采用各相對各相，輸入期望值相間相位互差120°的方式來進行控制。即對于A相而言，僅采集其負載支路的相電流來與電網標準的正弦信號相比較得偏差ΔI信號；對其進一步處理產生兩路相位完全互補的PWM觸發信號，來控制逆變橋中A相對應的上下兩開關管的導通與關斷。B、C作相應處理[3]。其具體工作流程如圖1所示。

其中各環節的參數及工作要求如表1所示：

2 系統工作原理

主電路換相方式為縱向換流，開關順序如表2所示。由于是采用的IGBT全控型器件故其控制方式為脈寬觸發的斬控式[2]。

根據上述分析建立其數學模型，取6、1、2三管導通分析為例，其簡化電路如圖2：

由回路電流法相關知識可得；

通過整理化簡可得此時電路的狀態方程為：

而其他5個狀態的結果與其相似，僅是各系數矩陣的參數做出相應地調整即可[2]。

3 控制電路分析

3.1 PI控制器

PI控制器可根據給定值與實際輸出值相比對得到偏差量，通過比例和積分環節的線性組合得到控制量，用于對被控對象進行控制，實現信號的跟蹤。其數學模型為：

其中，Kp為比例常數，KI為積分常數。

只要Kp、KI設置合理，既能滿足響應快速性的要求，又能達到輸出無靜差。

根據上述分析在設計該環節時，主要是需要對KP、KI參數進行整定。整定的依據：在開環系統的基礎上搭建好閉環系統模型，觀察經反饋處理后的調制信號ΔI的幅值與三角載波（SPWM調制的載波）之間的大小關系來確定。即當三相的ΔI均落在載波之內則說明PI參數設置比較合理，若其明顯超出了載波的幅值范圍，則不合理，就需要適當地減小KP參數來降低其幅值[4]。

3.2 SPWM脈寬調制環節

SPWM控制基于面積等效原理，用脈寬按正弦變化的PWM波來控制逆變電路中開關器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與調制波在面積上等效；當載波的頻率足夠高時，可近似等效；通過改變調制波的頻率和幅值就可以調節逆變電路輸出電壓的頻率和幅值[4]。采樣和比較原理如圖3所示：

根據上述分析該環節主要需確定調制波的參數。其波形、頻率、相位等參數應滿足并網要求。

調制波幅值的確定，可先通過搭建開環系統，給各開關管輸入相應地脈沖觸發信號（其頻率為5kHz，而占空比可通過試湊法確定），使系統能輸出較理想的三相電流信號，記錄其幅值大小，然后將其乘以0.8作為調制波的幅值[4]。

4 仿真模型與結果分析

4.1 仿真模型

根據前面的理論分析，在Simulink中搭建其仿真模型如圖4所示，部分參數已標注在圖中。

其中，4個子系統模塊分別為1個三相電流調制的PWM脈沖發生環節， 3個A、B、C三相的PI控制環節。其仿真模型分別如圖5和圖6所示。再利用示波器分別觀察A、B、C三相的相電流以及A相的相電流與相電壓的變化曲線。

仿真模型中各元件的參數及其路徑如表3所示：

4.2 仿真結果

1）、當Kp=1/40，KI=1/3.3時，仿真結果如圖6至9所示。三相電流波形接近于正弦波，含有少量諧波分量即波形畸變；各次諧波所占比重均小于0.1%；帶有0.78%直流分量；總諧波成分比例0.32%。輸出電流與電網電壓在相位上基本重合，且系統調節時間較短。調制波基本都落在三角載波的幅值之內， PI調節器設計合理。

2）、當Kp=1/11，KI=1/3.3時，仿真結果如圖10至11所示。調制波信號幅值明顯高于三角載波，失去了調制可能性；電流波形畸變嚴重；諧波含量為4.47%，較情況一明顯增加。

4.3 結論

基本能達到并網輸出的效果， PI調節器參數設計范圍：Kp在0.025左右，KI在0.303左右時輸出的效果最佳。

5 總結

本文對三相電壓型逆變電路的控制電路進行了分析與設計，基本實現電網并網。主要利用了PI控制、SPWM脈寬調制等控制手段，設計出了單閉環的無靜差控制系統，并在MATLAB軟件上進行了仿真驗證，找出了系統仍存在的不足，提出了相應地改善辦法。

參考文獻：

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[2]王兆安，劉進軍等。電力電子技術[B]。機械工業出版社，2012：108-126

[3]陳中等。基于MATALB的電力電子技術和交直流調速系統仿真[B]。清華大學出版社，2014：124-128

[4]萬振東，王藝博，蔡國偉等，三相四線制逆變器并網電流復合控制策略[J]，電力電子技術，2018，52（7），65，67.

[5]袁龍，郭強，三相LCC并網逆變器的參數設計方法與控制策略[J].電力電子技術，2018，52（8），101-103.

[6]姜雅飛，基于電網電壓正余弦變換的三相變流器控制策略[J]，電氣傳動，201808-09。

[7]譚翠蘭，陳啟宏，張立炎等，三相四橋臂并網逆變器的無差拍重復控制[J]，2018，42（9），143-145.

課外開放實驗校級重點項目，課題編號是KSZ17150