基于Saber和Simulink的三相并網逆變器仿真研究

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(廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004)

1 引言

隨著化石能源的日漸枯竭和環境問題的日益凸顯，近年來，基于太陽能、風能、潮汐能等可再生能源的分布式發電正在飛速發展，并將在應對能源危機和環境污染問題中扮演日益重要的角色[1]。分布式發電系統按照是否與電網相連可以分為離網型和并網型兩類。其中，并網型分布式發電系統廣泛應用于可再生資源分布密集的地區，將發出的電能轉化為滿足電網要求的交流電饋入電網[2]。

在并網型分布式發電系統中，發電單元與儲能單元配合供電，通過并網逆變器將發出的直流電轉化為與電網同頻同相的交流電并入電網。并網逆變器作為分布式發電單元與電網之間的接口單元，其工作性能直接影響著并網電能質量，是分布式發電系統中功率變換的核心設備，對系統的安全、穩定和高質量運行具有十分重要的作用[3]。

電力電子系統的計算機仿真技術能夠幫助工程師加速對系統的設計和分析，大大縮短產品研發周期，提高科研效率。常用的仿真軟件主要有Saber、MATLAB/Simulink、PLECS、Pspice等。其中Simulink具有強大的控制系統仿真能力，適用于系統級仿真，但不含有精確的器件模型，不適用于元件級仿真[4]；Saber的特點是具有精確的元器件模型庫，適合于元件級仿真，仿真速度快且收斂性強，并且提供了SaberScope和DesignProbe用以查看仿真結果，其具有強大的波形計算和分析功能[5]。

本文以三相并網逆變器為研究對象，其主電路采用電壓型三相全橋逆變電路拓撲，控制電路采用dq同步旋轉坐標系下的電流閉環PI控制結構。應用Saber軟件和MATLAB/Simulink搭建系統模型，并進行Co-Sim協同仿真，對該并網逆變器進行了系統級的仿真實驗。仿真得到了較為良好的輸出電流波形，驗證了該三相并網逆變器的可靠性。同時為電力電子仿真軟件的協同運行提供了參考。

2 三相并網逆變器拓撲與原理

常用的三相逆變器按照直流側性質主要分為電壓型逆變器和電流型逆變器兩類，其中電壓型逆變器在直流側并聯大電容，其儲能效率更高。本文中的三相并網逆變器主電路采用電壓型三相全橋拓撲結構。目前逆變器大多采用脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation，PWM)控制技術，輸出的PWM電壓中含有大量的開關諧波，因此需選用合適的濾波器以抑制開關諧波的影響。本文選用由電感和電容構成的LCL型濾波器，其相比于傳統的單電感L型濾波器，具有更好的高頻諧波濾波效果。

本文逆變器采用dq同步旋轉坐標系下電流閉環PI控制結構，圖1所示為三相并網逆變器原理圖。圖中Udc為前級輸出直流電壓；Cdc為直流側電容，向逆變橋提供穩定的直流電壓；Ta1-Tc2為主電路橋臂開關管；濾波器由逆變側電感Lf1、網側電感和Lf2濾波電容Cf構成，Rf為LCL濾波器阻尼電阻；ua、ub和uc為三相并網電壓；ia、ib和ic為三相并網電流；Gi為電流采樣增益；Hi為電流環前饋解耦增益，以消除d軸和q軸間的耦合；鎖相環(PLL)為控制信號提供相位信息，使并網電流相位保持對電網電壓相位的跟蹤。

圖1 三相并網逆變器原理圖

在dq同步旋轉坐標系下控制的三相逆變器，采用PI調節器就能實現無靜差調節。PI調節器中比例環節反映系統的偏差信號，對產生的偏差進行調節消除；積分環節以消除靜差，提升控制精度。并網逆變器對并網電流進行控制，并網電壓由電網電壓決定。采樣三相并網電壓，通過鎖相環提取相位信息。采樣三相并網電流，通過坐標變換轉換為dq旋轉坐標系下信號，與指令信號Idref和Iqref比較。經過PI調節后進行坐標反變換，送入PWM調制器。形成的SPWM信號通過驅動、隔離后控制主電路開關管的導通和關斷，從而實現三相并網逆變器在dq同步旋轉坐標系下的閉環控制。

3 Co-Sim協同仿真實驗

3.1 建立仿真模型

在Saber和MATLAB/Simulink軟件中搭建上文介紹的三相并網逆變器仿真模型。即以Saber為主機搭建主電路模型，調用Simulink模塊搭建控制環路模型。仿真過程中兩個軟件需要以固定的時間步長交換數據，故搭建Co-Sim協同仿真模型的關鍵在于兩個軟件模型間的接口定義。圖2所示為在Saber主機軟件界面下的三相并網逆變器Co-Sim協同仿真模型。

圖2 三相并網逆變器Co-Sim協同仿真模型

圖2中的6輸入3輸出的SaberSimulink Cosim模塊即為在MATLAB/Simulink環境中搭建的控制環路Simulink模型的封裝結構。Saber即通過該模塊實現與Simulink的數據交換。在圖2的仿真電路中，通過三組i2var模塊采樣三相并網電流，作為電流環反饋信號送入SaberSimulink Cosim模塊中。同時通過三組v2var模塊采樣三相電網電壓，送入Cosim模塊中，為PLL提供相位信息。SaberSimulink Cosim模塊實現鎖相環相位跟蹤、旋轉坐標變換和dq同步旋轉坐標系下的電流閉環PI控制功能，其輸出三路信號送入PWM調制電路，產生的驅動信號送入主電路中，控制開關管的動作。

模型搭建完成后，即可開始仿真。仿真操作過程如下：首先在Saber主界面中對建立的模型網表化，之后在仿真類型中選擇執行暫態仿真，此時在彈出的對話框內設置仿真時間、仿真步長等參數。之后Saber軟件會啟動MATLAB/Simulink，打開并調用SaberSimulink Cosim模塊中的Simulink子模型，最后進行系統級仿真，從而實現該三相并網逆變器的Co-Sim協同仿真。

3.2 仿真結果與分析

本文中三相并網逆變器的額定工作頻率為50Hz；開關頻率為5kHz；電網電壓為220V。圖3所示為在Saber軟件CosmosScope界面下的逆變器Co-Sim協同仿真并網電壓和并網電流波形。CosmosScope波形處理功能強大，利用Fourier分析等功能還可以實現諧波含量分析等其他波形處理結果。從圖中可以看出，Co-Sim協同仿真得到的并網逆變器三相輸出電流正弦波形良好，諧波含量較低，相電流幅值為50A，頻率為50Hz，并且并網電流能夠準確跟蹤電網電壓的相位。

圖3 三相并網逆變器并網電壓、并網電流波形

為了考察本文三相并網逆變器的動態特性，對電流環指令值突變時的并網電流進行仿真。圖4所示為并網逆變器電流環d軸指令值突增和突降時的并網電流波形。其中，在t=1.65s時刻，指令值由50A降低至30A；在t=1.70s時刻，指令值由30A增加至50A。可以看出，在指令值大幅突變時，逆變器并網電流能夠迅速跟蹤指令值的變化，恢復至穩定的正弦波形。

圖4 指令值突變時并網電流波形

仿真結果表明，本文中采用dq同步旋轉坐標系下電流閉環PI控制的三相并網逆變器，能夠輸出與電網電壓同頻同相的穩定的正弦電流。并且在指令值突然變化時，控制系統能夠快速動作，實現逆變器的無靜差調節，具有較好的動態性能。

4 結語

本文研究了一種dq同步旋轉坐標系下電流閉環PI控制的三相并網逆變器，并在Saber軟件和MATLAB/Simulink中對其進行協同仿真實驗。仿真結果驗證了該并網逆變器能夠穩定運行，且具有較好的動態性能。基于Saber和Simulink的Co-Sim協同仿真充分利用了Saber仿真的器件精準、速度快等優點和Simulink對控制系統仿真的強大優勢，保證了仿真結果的收斂性和精確性，提高了仿真速度。對電力電子系統軟件的協同仿真具有一定的參考和借鑒意義。