基于PSIM的微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)仿真研究

王 毅，包西平，張博洋，雷天元，吳繼軍

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇 徐州 221140）

0 引言

由于微電網(wǎng)具有高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，被大力支持推廣的微電網(wǎng)分為獨(dú)立微電網(wǎng)和聯(lián)網(wǎng)微電網(wǎng)，聯(lián)網(wǎng)微電網(wǎng)分為并網(wǎng)和獨(dú)立運(yùn)行方式。并網(wǎng)微電網(wǎng)能實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電能和負(fù)荷的一體化運(yùn)行，并通過和電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制，平滑接入電網(wǎng)或獨(dú)立運(yùn)行。本文模擬出了微電網(wǎng)的并網(wǎng)，使用主從控制方式，采用該控制方式，系統(tǒng)應(yīng)包括一個(gè)主模塊和多個(gè)從模塊，主模塊為主逆變器，用以模擬電網(wǎng)，從模塊即并網(wǎng)逆變器，用它實(shí)現(xiàn)與主逆變器的并聯(lián)。主逆變器采用相電壓外環(huán)控制，用以控制整個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)的輸出的電壓，從模塊逆變器則采用相電流控制，從而可以快速地調(diào)節(jié)各逆變器的輸出功率[1-2]。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。本文首先詳細(xì)地分析了微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，介紹了并聯(lián)三相SPWM 逆變器及關(guān)鍵元器件的設(shè)計(jì)流程，并依據(jù)此設(shè)計(jì)了電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)控制器。

圖1 微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)框圖

與其他常用的電源系統(tǒng)仿真軟件相比，PSIM 是目前工業(yè)界最快的電力電子仿真器，具有在短時(shí)間內(nèi)仿真大型復(fù)雜的功率變換器和控制系統(tǒng)的能力。除此之外，PSIM 的仿真引擎非常穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)其他仿真軟件如Saber，Simetrix 所遇到的收斂問題。PSIM 將SPIM 引擎和SPICE 引擎集成在同一環(huán)境中，同時(shí)具備SPICE 級(jí)別仿真功能，如可以精確地仿真功率開關(guān)的瞬變等復(fù)雜情況。最后，基于Powerisim 公司的PSIM2021a 軟件構(gòu)建了微電網(wǎng)仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 并聯(lián)三相SPWM逆變器的設(shè)計(jì)

對(duì)于電源并聯(lián)系統(tǒng)的控制方式，常用的有集中控制方式、主從控制方式等。前述的電源并聯(lián)供電系統(tǒng)采用的便是集中控制方式，本設(shè)計(jì)欲模擬出微電網(wǎng)的并網(wǎng)，故可以采用主從控制方式。采用該控制方式，系統(tǒng)應(yīng)包括一個(gè)主模塊和多個(gè)從模塊，主模塊即主逆變器，用它模擬出一個(gè)電網(wǎng)；從模塊即并網(wǎng)逆變器，用它實(shí)現(xiàn)與主逆變器的并聯(lián)。主模塊逆變器采用電壓控制，從而控制整個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)的輸出電壓;從模塊逆變器采用電流控制，從而可以調(diào)節(jié)各逆變器的輸出功率[3]。本設(shè)計(jì)只有一個(gè)從模塊，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 三相橋式逆變器并聯(lián)結(jié)構(gòu)

對(duì)于三相對(duì)稱的橋式逆變電路，每一相都是獨(dú)立的，相互之間沒有耦合關(guān)系，從而可以將此電路看做3個(gè)輸出電壓相位互差120°的單相逆變器組合而成，因而可以針對(duì)單相橋式逆變電路來分析，為了便于分析，可以把直流側(cè)的電壓分成兩個(gè)值為Ud/2 的直流電壓源進(jìn)行串聯(lián)，并引出中點(diǎn)，可以將上述橋式逆變電路分解得出如圖3 所示的單相橋式逆變電路，來進(jìn)行參數(shù)分析與閉環(huán)控制器的設(shè)計(jì)。

圖3 單相半橋逆變電路

2 元件參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 濾波電感

電感主要決定了紋波電流的大小與系統(tǒng)的響應(yīng)速度[4-5]，綜合各種因素，可以設(shè)計(jì)濾波電感電流紋波為平均電感電流的0.2，為保證電感電流不斷流，由伏秒平衡法則可得：

式中：iL為電感電流平均值；Vs為系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的最大輸入電壓；Vo為額定輸出線電壓；T為開關(guān)周期；

代入?yún)?shù)數(shù)據(jù)，本次設(shè)計(jì)電感L=2.5 mH。

2.2 濾波電容

一般來說，LC 濾波器的截止頻率為開關(guān)頻率fs的10%左右，即可獲得較好的濾波效果，根據(jù)公式：式中：fs為開關(guān)頻率；0.1 為截止頻率與開關(guān)頻率的比值；L為式（1）中求得的電感值。

將數(shù)據(jù)代入式（2）中，可以求得C=10 μF。

3 閉環(huán)控制器設(shè)計(jì)

3.1 電流控制器

逆變器采用反饋控制與前饋控制，從逆變器的輸出電流跟隨給定值，可實(shí)現(xiàn)兩逆變器輸出電流的任意調(diào)節(jié)，達(dá)到任意分配功率的目的。為了提高微電網(wǎng)系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)特性，加入前饋控制器，前饋控制器系統(tǒng)是根據(jù)擾動(dòng)或給定值的變化按補(bǔ)償原理來工作的控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是當(dāng)擾動(dòng)產(chǎn)生后，被控變量還未變化以前，根據(jù)擾動(dòng)作用的大小進(jìn)行控制，以補(bǔ)償擾動(dòng)作用對(duì)被控變量的影響。前饋控制系統(tǒng)運(yùn)用得當(dāng)，可以將被控變量的擾動(dòng)消滅在萌芽之中，使被控變量不會(huì)因擾動(dòng)作用或給定值變化而產(chǎn)生偏差，它較之反饋控制能更加及時(shí)地進(jìn)行控制，并且不受系統(tǒng)滯后的影響。前饋控制的好處是直接控制無滯后，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速率，但是需要比較準(zhǔn)確地知道被控對(duì)象模型和系統(tǒng)特性。而反饋控制的優(yōu)點(diǎn)是不需要知道被控對(duì)象的模型即可實(shí)現(xiàn)比較準(zhǔn)確的控制，但是需要偏差發(fā)生之后才能進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有滯后性。電流控制器采用的PI 控制器與前饋控制器[6-9]， 把前饋和反饋結(jié)合起來，既能實(shí)現(xiàn)較高的控制精度，也能提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，據(jù)上述所述，設(shè)計(jì)的微電網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)的控制框圖如圖4所示。

圖4 電流內(nèi)環(huán)控制框圖

其中，KPWM為調(diào)制波調(diào)制系數(shù)，Kip為比例-積分控制器的比例系數(shù)，Kii為比例-積分控制器中積分器的系數(shù)，L為濾波器電感值，根據(jù)圖4框圖可以得其開環(huán)傳遞函數(shù)為：

其中，KPWM=25、L=2.5 mF。通過增大Kii使系統(tǒng)的帶寬應(yīng)該無窮大，來更好地跟蹤所有的輸入信號(hào)，更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及更好的抑制干擾信號(hào)，但是更大的Kii值會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。一個(gè)很好地折中就是在基頻附近提供提個(gè)比較好的帶寬即可，為了使開環(huán)傳遞函數(shù)的對(duì)數(shù)頻率響應(yīng)曲線能以-20 dB/de 的斜率穿過0 dB 線，可以選擇比例-積分控制器的轉(zhuǎn)折頻率為100 Hz。令電流內(nèi)環(huán)的截止頻率為1 000 Hz，經(jīng)計(jì)算可得Kip=0.5、Kii=400。

3.2 電壓控制器

主電網(wǎng)控制目標(biāo)為輸出電壓，而三相逆變器的輸出電壓的波形與相位可以通過正弦調(diào)制信號(hào)來保證因此可以采用控制有效值的方法來控制輸出電壓。為了既能實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓環(huán)的較高的控制精度，也能提高微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓環(huán)的響應(yīng)速度，這里仍然采用PI 控制器。微電網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)的控制框圖如圖5所示。

圖5 電流外環(huán)控制框圖

實(shí)際上這個(gè)系統(tǒng)的輸入是一個(gè)正弦波的有效值，反饋量是輸出電壓的有效值，因而可以把虛線框的部分等效成一個(gè)增益環(huán)節(jié)其增益系數(shù)KS為：

LC 濾波器的設(shè)計(jì)方法可以參照前述，這里不再贅述。本次設(shè)計(jì)中選擇電容C=10 μF、電感L=2.5 mH，而題目要求在輸出相電壓有效值為220 V 的情況下，線電流為0～40 A，直流側(cè)的電壓UDC=800 V，從而KPWM=400，經(jīng)計(jì)算得KS=399。將電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)控制框圖化簡成如圖6所示。

圖6 電壓外環(huán)簡化控制框圖

由前面的LC 參數(shù)可知，DC 濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為1 000 Hz，因面對(duì)于PI 控制器可以選擇其轉(zhuǎn)折頻率為1 kH。為了抑制50 Hz 的擾動(dòng)，應(yīng)該令該電壓環(huán)的截止頻率小于50 Hz，這里選10 Hz，則根據(jù)等效框圖，經(jīng)計(jì)算可得PI控制的參數(shù)為Krp=0.000 1、Kri=5。

4 仿真及結(jié)果分析

PSIM 是某公司開發(fā)的面向于電力電子領(lǐng)域以及電機(jī)控制領(lǐng)域的仿真應(yīng)用包軟件[10-12]。PSIM 全稱Power Simulation。PSIM 是由SIMCAD 和SIMVIEM 兩個(gè)軟件來組成的。PSIM 具有仿真高速、用戶界面友好、波形解析等功能，為電力電子電路的解析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)研究等有效提供強(qiáng)有力的仿真環(huán)境。它將半導(dǎo)體功率器件等效為理想開關(guān)，能夠進(jìn)行快速的仿真，對(duì)于初學(xué)者來說更容易掌握。是專門針對(duì)電力電子及電機(jī)拖動(dòng)開發(fā)的專用仿真軟件，軟件用戶界面友好，容易掌握，可以加深工程師對(duì)電路與系統(tǒng)的原理及工作狀態(tài)的理解，大大加速電路的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過程，還具有運(yùn)行效率高，輸出數(shù)據(jù)格式兼容性良好的特點(diǎn)，在電氣工業(yè)界廣泛的使用。PSIM 是目前工業(yè)界最快的電力電子仿真器，具有在短時(shí)間內(nèi)仿真大型復(fù)雜的功率變換器和控制系統(tǒng)的能力。除此之外，PSIM 的仿真引擎非常穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)其他仿真軟件如Saber，Simetrix 所遇到的收斂問題。PSIM 將SPIM 引擎和SPICE 引擎集成在同一環(huán)境中，同時(shí)具備SPICE 級(jí)別仿真功能，如可以精確地仿真功率開關(guān)的瞬變等復(fù)雜情況。為了驗(yàn)證本文中的分析和設(shè)計(jì)，在PSIM2021a 中搭建了微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的模型，如圖7 所示。模型中仿真用的參數(shù)：直流電源UDC=800 V，電感L=2.5 mH，電容C=10 μF，負(fù)載電阻R=8 Ω，負(fù)載電壓Urms=220 V。

圖7 并聯(lián)微電網(wǎng)逆變器仿真模型

4.1 系統(tǒng)靜態(tài)帶載仿真

從模塊電流分配比K=0.5。仿真時(shí)間t=0.2 s 時(shí)，觀察時(shí)間在0.12～0.2 s之間的電壓波形。主模塊三相電壓波形如圖8 所示，三相電壓波形正弦度，對(duì)稱度較好。使用軟件自帶的測(cè)量功能測(cè)量主模塊電壓有效值，可以看出系統(tǒng)跟隨特性良好。系統(tǒng)電流如圖9所示，圖9中從上到下依次為微電網(wǎng)三相的負(fù)載電流，主模塊相電流，從模塊相電流。

圖8 主模塊三相輸出電壓

圖9 系統(tǒng)三相電流

4.2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)帶載仿真

設(shè)置負(fù)載電阻在0.1 s 時(shí)切換為原來的一半，系統(tǒng)三相負(fù)載電流如圖10 所示。從圖中可以看出，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性良好，系統(tǒng)電流響應(yīng)迅速。

圖10 負(fù)載電流切換實(shí)驗(yàn)波形

4.3 電流分配比切換實(shí)驗(yàn)

將電流分配比K分別設(shè)置0.1 與0.9。得到的主電網(wǎng)與從電網(wǎng)電流波形如圖11 與圖12 所示。從圖中可以看出，電網(wǎng)電流切換特性良好。

圖11 K=0.1主電網(wǎng)與從電網(wǎng)電流波形

圖12 K=0.9主電網(wǎng)與從電網(wǎng)電流波形

5 結(jié)束語

本文在分析微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，給出了關(guān)鍵元器件濾波電感與濾波電容的設(shè)計(jì)，并基于反饋控制與前饋控制理論設(shè)計(jì)了電流內(nèi)環(huán)控制器與電壓外環(huán)控制器，最后基于PSIM2021a電力電子與電機(jī)專用仿真軟件建立了的微電網(wǎng)的仿真模型。完成了對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)帶載仿真，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)帶載仿真，電流分配比切換實(shí)驗(yàn)的仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的微電網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性、電網(wǎng)電壓跟隨特性與電網(wǎng)電流切換特性良好，為進(jìn)一步的微電網(wǎng)硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。