PCI控制的三電平逆變器仿真實驗

李文娟, 徐彥博, 趙翔宇， 王 超

(哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150080)

三電平逆變器是多電平逆變技術中應用最廣泛的一種,是實現高壓大功率變換的有效途徑之一,在電機變頻調速系統、有源濾波器、不間斷電源等裝置中得到了廣泛應用[1]。由于開環逆變器沒有良好的跟蹤及動態響應能力,于是閉環控制方法成為相關研究的重點。目前,逆變器的控制方法主要有無差拍控制[2]、重復控制、滑模變結構控制、PI控制等,其中應用最成熟的是PI控制。PI控制方法有一定的局限性,它只能對直流量的零穩態誤差進行控制,而無法滿足對交流量的零穩態誤差控制[3]。

為此,對PI控制進行了改進,提出了比例復數積分控制(proportional complex integral,PCI),既保留了傳統PI控制方法簡單、設計方便等優點,又實現了交流量的零穩態誤差控制[4-5]。

在控制理論教學中引入仿真實驗,對于加深學生的理解、引導學生對控制理論的興趣方面起到了良好的作用。本文通過Simulink仿真平臺對PCI控制進行研究,力圖使學生掌握仿真方法,調動學生的學習積極性,加強對學生能力的培養[6-7]。

1 三電平逆變器PCI控制

圖1 三電平逆變器PCI控制的原理框圖

在PCI控制中采用二極管箝位式三電平逆變電路,它是由直流電源E、直流分壓電容C1和C2、3個橋臂組成。每個橋臂由4個功率開關管Sx1—Sx4、4個續流二極管Dx1—Dx4和2個箝位二極管等元器件構成(下標x表示a、b、c三相)。二極管箝位式三電平逆變電路的主電路如圖2所示。

圖2 三電平逆變電路主電路

與普通三相橋式兩電平逆變器相比,三電平逆變器每個開關管所承受的電壓較小,而且二極管箝位式拓撲結構輸出相電壓是三電平,輸出電平數增多,則輸出波形就更接近正弦波,并且這種拓撲能夠減少諧波[9]。

圖3 PCI控制器的原理圖

2 零穩態誤差分析

為了分析方便,可以將三電平逆變器的控制簡化。圖4為三電平逆變器閉環控制系統框圖。

圖4 三電平逆變器閉環控制系統框圖

經過運算,可以得到閉環傳遞函數:

(1)

PCI控制器的傳遞函數:

(2)

則電壓環的控制器傳遞函數為

(3)

電流環的控制器傳遞函數為

(4)

(5)

3 仿真及結果分析

為了驗證PCI的控制性能,在Simulink中搭建了PCI控制的三電平逆變器仿真模型，如圖5所示。由于在Matlab/Simulink中沒有封裝好的PCI控制器模塊,因此需要搭建PCI控制器模型。根據PCI的傳遞函數及控制框圖,搭建PCI模型如圖6所示。

圖5 三電平逆變器雙閉環控制系統仿真模型

圖6 PCI控制器的仿真模型

設置直流側電壓為600 V,濾波電容為30 μF,濾波電感為0.18 mH,開關頻率為2 kHz。為了驗證三電平逆變器在不同負載下的輸出波形的效果,分別在阻性負載、感性負載及容性負載下進行仿真,波形如圖7所示。

從圖7可以看出,所設計的PCI控制器能夠在不同負載下具有良好的輸出電壓波形,而且在1/4周期內就能實現穩定輸出,驗證了控制算法中應用復數的PCI控制設計的正確性。

為了進一步驗證PCI控制器在負載突變的情況下具有良好的動態響應能力,分別在各種負載突變以及電壓突變情況下進行了仿真,仿真波形如圖8和圖9所示。

圖7 不同負載下的電壓波形

圖8 t=0.03 s時由感性負載變為容性負載的負載電壓電流波形

從圖8可以看出,在0.03 s時,負載電壓幾乎接近于正常狀態,而電流出現了較小突變,但仍然可以在不到半個周期內快速恢復穩定運行。這說明PCI控制方法能夠有效克服不同類型負載相互轉換引起的擾動,且響應速度快。

從圖9可以看出,在給定電壓幅值分別在0.04 s和0.08 s變化時,負載電壓和電流的動態響應幾乎相同,都能夠快速跟蹤給定值的變化,并且同樣可以在很短時間內恢復穩定運行。

圖9 給定電壓由30 V變到60 V再到90 V時負載電壓電流波形

通過對以上3種運行情況的分析,驗證了PCI控制方法可以有效應對電壓和負載性質突變對系統以及供電負荷造成的影響,很好的體現了PCI控制方法的優勢。

為了比較PCI與PI控制器的差別,說明PCI具有更好的控制效果,在參數保持一致的情況下,分別采用PI和PCI控制器進行仿真,給出a相電壓的仿真電壓波形如圖10所示。

由圖10可知,PI控制器的跟蹤效果并不理想,有幅值和相角差,不能實現對交流量的零穩態誤差控制；而PCI控制器在半個周期內就可以實現零靜差跟蹤且無相角差。采用powergui模塊中的頻譜分析功能,對兩種控制方式下輸出波形的諧波含量進行檢測,檢測結果表明PCI控制的輸出電壓波形諧波含量更低,對交流量的控制具有更好的效果(見圖11)。

4 結語

通過仿真實驗表明:PCI控制具有良好的動態響應能力,能夠在各種負載突變的情況下實現精確跟蹤,解決了傳統PI控制器無法實現對交流量無誤差跟蹤的弊端。運用Simulink平臺搭建的PCI控制模型,能夠使學生更清楚、直觀地認識控制理論閉環系統,提高了學生的仿真實驗能力。

圖10 兩種控制下a相電壓波形對比圖

圖11 兩種控制的諧波含量對比圖

[1] 林磊,鄒云屏,鐘和清,等.二極管箝位型三電平逆變器控制系統研究[J].中國電機工程學報,2005,25(15):35-37.

[2] 郭松林,沈顯慶,付家才.單相三電平并網逆變器的改進無差拍電流控制[J].中國電機工程學報,2012,32(12):22-23.

[3] 李鑫,姚勇濤,張逸成,等.采用電容電流內環的逆變器雙閉環控制研究[J].電氣傳動,2008,38(2):23-25.

[4] 鮑陳磊,阮新波,王學華,等.基于PI調節器和電容電流反饋有源阻尼的LCL型并網逆變器閉環參數設計[J].中國電機工程學報,2012,32(25):133-142.

[5] 馮奕,顏建虎.基于比例復數積分的風力發電并網逆變器控制方法[J].農業工程學報,2016,32(13):177-182.

[6] 洪乃剛.電力電子和電力拖動控制系統的MATLAB仿真[M].北京:機械工業出版社,2005.

[7] 李文娟,馬鳴一,邸金霖,等.改進重復控制的負載模擬變換器仿真實驗[J].實驗技術與管理,2016,33(6):111-113,122.

[8] 金紅元,鄒云屏,林磊,等.三電平PWM整流器雙環控制技術及中點電壓平衡控制技術的研究[J].中國電機工程學報,2006,26(20):66-67.

[9] Sahoo M，Keerthipati S.A Three Level LC-Switching Based Voltage Boost NPC Inverter[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2017(99):1.

[10] 董蕾.基于比例復數積分控制的單相逆變器并網研究[J].電氣自動化,2012,34(2):31-34.

[11] 郭小強.光伏并網逆變器通用比例復數積分控制策略[J].中國電機工程學報,2015,35(13):3393-3399.

[12] 郭小強,鄔偉揚,趙清林,等.三相并網逆變器比例復數積分電流控制技術[J].中國電機工程學報,2009,29(15):8-14.