电压空间矢量三相整流器系统仿真的研究

1、󰀁󰀁第19卷󰀁第3期文章编号:1006-9348(2002)03-0091-04计󰀁算󰀁机󰀁仿󰀁真2002年5月󰀁󰀁电压空间矢量三相整流器系统仿真的研究吕宏丽,刘志强(河北工业大学,天津,300130)摘要:该文提出基于电压空间矢量整流器的简单控制算法,使系统获得接近为1的高功率因数,且既能工作于整流状态,又能实现能量再生,即获得高性能的三相可逆整流器。为节省整流器的研制时间,运用MATLAB5.3的SIMULINK工具进行系统仿真,确定可行参数。经实

2、物实验获得的结果与仿真结果一致。关键词:MATLAB;电压空间矢量;功率因数;开关函数;占空比中图分类号:TP215󰀁󰀁文献标识码:B1󰀁引言随着大功率高频电力电子器件的发展,国内外学者对整流器高功率因数和数字化实现的研究日趋重视,这也是消除电网污染,提供绿色电源的要求。近年来,基于电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)整流器得到广泛研究,本文提出了一种基于电压空间矢量三相整流器的简单算法。该算法利用计算占空比形成PWM波控制功率器件的开关动作,使系统既能工作于整流状态,又能实现能量再生,即逆变状态。同时,获得的高功率因数又能达到消除电网污染的目的。

3、在研制整流器过程中,参数选定环节至关重要,但较为繁琐。为缩短研制时间,在实物实验之前采用MATLAB5.3软件提供的SIMULINK工具对系统进行仿真,获得较理想的各种参数。在参考这些参数的基础上,进行实物实验,其结果与仿真结果一致,验证了该简单算法的正确性和可行性。其中V1V6是非零矢量,V0和V7是零矢量。空间矢量PWM控制就是通过分配电压空间矢量尤其是零矢量的作用时间,最终形成等幅不等宽的PWM脉冲波,实现追踪磁通的圆形轨迹。图1󰀁三相整流结构框图2.2󰀁简单控制算法传统的SVPWM控制算法因涉及复数计算,而使系统实现较为复杂,本文提出一种计算占空比的简单

4、控制算法。2󰀁基于SVPWM整流器的简单算法2.1󰀁电压空间矢量控制的基本原理空间矢量控制从电机角度出发,着眼于获得圆形旋转磁场,将电机旋转磁场的形状问题转化为电压空间矢量运动轨迹问题。为此,以三相对称正弦电压供电时三相对称电机定子的理想磁链圆作为基准,由整流器不同的开关模式所形成的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆。三相整流主回路由六个IGBT分别与快恢复二极管并联组成,图1为三相整流结构示意图。开关函数定义为:Sm=1(S󰀂m=0)󰀁Sm=0(S󰀂m=1)󰀁(m=a,b,c)󰀁b

5、3041;根据开关函数的定义,若以各相上桥臂IGBT的导通截止状态为基准,电压空间矢量则有八种基本工作状态(000)、(001)、(010)、(011)、(100)、(101)、(110)、(111),即V0V7。收稿日期:2001-08-27如图1所示,合成矢量V󰀂*满足:(V-V󰀂*)= L!其中󰀁V= L!dt(1)(V+Vb!󰀂+Vc!󰀂2),3a2V󰀂*=(Va󰀂*+V󰀂*󰀂*!󰀂2),b!󰀂+Vc3ϗ

6、041;i=(󰀁ia+󰀁ib!󰀂+󰀁ic!󰀂2)。3󰀂=ej2 /3,󰀁T为开关周期,整流状态时取+#,逆变状态时取-#。同时,合成矢量V󰀂*与开关函数的关系为:Va󰀂*=Vo!Sa-Vb󰀂*=Vo!Sb-Vc󰀂*=Vo!Sc-V(S+Sb+Sc)3oaV(S+Sb+Sc)3oaV(S+Sb+Sc)3oa(2)(3)(4)上桥臂IGBT导通,下桥臂IGBT截止上桥臂IGBT截止,下桥臂IGBT导通󰀁

7、83041;系统将三相正弦输入电压按每60划分一区间,一个工作周期被划分为六个区间,并使每区间内任两相的相电压幅值符号相同,而与另一相符号相反,如图2所示。电压空间矢量的八种基本工作状态与区间分配的对应关系如图3所示。现以整流状态区间&为例,说明系统的简单控制算法。如图2,区间&中Va和Vb为正,Vc为负,因为在整流状图3󰀁电压矢量与区间关系图2󰀁相电压的区间分配󰀁󰀁󰀁T!Vb󰀂*=T0!0+T4!解得:V0+T6!V330(8)T4Va󰀂*-Vb󰀂*

8、=VoT6Va󰀂*+2Vb󰀂*=Vo(9)(10)󰀁󰀁观察表1,Sa󰀂在形成电压矢量V4、V6时处于截止状态,Sb󰀂在形成电压矢量V6时处于截止状态,则Sa󰀂、Sb󰀂和Sc的占空比dsa、dsb和dsc为:󰀁󰀁dsa󰀂T4T62Va󰀂*+Vb󰀂*=1-=1-Vo(11)(12)(13)态下输入电流受相电压的控制,所以ia和ib为正,ic为负。我们可以发现此时在Sa、Sb、Sc𘀀

9、2;、Da󰀂、Db󰀂和Dc中不会有电流通过,根据Sa󰀂、Sb󰀂和Sc的状态可形成八种工作模式。若令Sc在区间&内始终为截止状态,则工作状态需由Sa󰀂、Sb󰀂的状态确定。若此时Sa󰀂截止,Sb󰀂导通,即Sa=1、Sb=0、Sc=0,分别代入式(2)、(3)、(4),有:Va󰀂*=Vc󰀂*T6Va󰀂*+2Vb󰀂*󰀁󰀁dsb󰀂=1-=1-Vo𘀀

10、1;󰀁dsc=0󰀁󰀁与此类似,可分析推导出逆变状态时各区间的控制算法。以区间&为例,逆变状态时的占空比计算公式为:󰀁󰀁dsa=T4T62Va󰀂*+Vb󰀂*+=Vo(14)(15)(16)Vo,Vb󰀂*=-31V,3o12=-Vo则V󰀂*=(Va󰀂*+Vb󰀂*!󰀂+Vc󰀂*!󰀂2)=33Vej0,即为电压矢量V4(如图3)。3o同理可获得其它三种工作模式,如表1所示:

11、表1󰀁要编&整流状态精四种薛定模式模式1ScSa󰀂Sb󰀂Va󰀂*T6Va󰀂*+2Vb󰀂*󰀁󰀁dsb=Vo󰀁󰀁dsc󰀂=1󰀁󰀁比较式(11)(13)与式(14)(16),可以发现根据开关函数的定义,整流状态与逆变状态时的控制算法是统一模式4截止截止截止V0/3V0/3-2V0/3V6模式2截止截止导通2V0/3-V0/3-V0/32/3(V0ej0)V4模式3截止导通截止-V0/32

12、V0/3-V0/3V2的,皆可转化为控制每相上桥臂IGBT开关动作需要的占空比计算公式,即:󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁da=2Va󰀂*+Vb󰀂*Vo(17)(18)(19)截止导通导通0000V0Vb󰀂*Vc󰀂*V󰀂*矢量Va󰀂*+2Vb󰀂*󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁db=Vo󰀁󰀁󰀁󰀁ϗ

13、041;dc=02/3(V0ej2 /3)2/3(V0ej /3)󰀁󰀁式(17)(19)不涉及复数运算,计算较为简单,可节省大量的运算时间。分析过程与此类似,为合成不同区间的V󰀂*,可获得不同的电压矢量(如表2所示),表2同时列示出各区间的占空比计算公式。表2󰀁各区间矢量及占空比公式根据电压空间矢量为其左、右毗邻非零矢量与零矢量的合成以使脉动最小的原则,若合成矢量V󰀂位于区间&内,则选择模式1、模式2和模式4,即选择电压矢量V0、V4和V6,且满足:󰀁󰀁󰀁&#

14、983041;T!V󰀂=T0!V0+T4!V4+T6!V6󰀁󰀁󰀁󰀁T=T0+T4+T6*(5)(6)区矢间量V0&V4da=db=占空比2V󰀂*+V󰀂*VoVa󰀂*+2Vb󰀂*o区矢间量占空比2V󰀂*+V󰀂*Vo2Vb󰀂*+Va󰀂*o其中󰀁T、T0、T4、T6分别为V󰀂、V0、V4、V6的开关周期,根据表1,󰀁󰀁

15、83041;T!Va󰀂*=T0!0+T4!21V0+T6!V330(7)V7da=1+V3V1db=1+dc=1V6dc=0区矢间量V7da=1+占空比2Va󰀂*+Vc󰀂*Vo区矢间量V0da=占空比Vc󰀂*+2Va󰀂*Vo(V6db=1*V2d=1+Va󰀂+2Vc󰀂cVo)V1db=0*V5d=Va󰀂+2Vc󰀂cVoV0V2da=0db=2Vb󰀂*+Vc󰀂*o+V7V5da=1db=1+2Vb󰀂*+Vc

16、󰀂*o图4󰀁仿真结构框图*V3d=2Vc󰀂+Vb󰀂cVo*V4d=1+2Vc󰀂+Vb󰀂cVo2.4󰀁控制算法的仿真控制算法由Subsystem1实现,如图5所示。Subsystem1由电流误差信号(errimm=a,b,c)、占空比计算和PWM波形成三个子系统组成。参考电压V*o与直流输出电压Vo的差值经PI调节后,分别与三相输入电压相乘,产生三相参考电流信号,与相应输入电流的差值形成电流误差信号(errimm=a,b,c)(如图6)。根据式(1)形成Va󰀂、Vb&#

17、983042;和Vc󰀂信号,作为占空比计算子系统的输入信号。参照表2公式,在该子系统中得到各区间的占空比值。当系统实时仿真时,根据输入的区间信号,计算出相应区间的占空比da、db和dc。图7为PWM波形成子系统结构框图,利用相应区间占空比的输入信号生成三路PWM波,分别控制主回路各相上桥臂的理想开关模型。根据开关函数的定义,三路输出PWM波的反向波分别用于控制各相下桥臂的理想开关。从而实现系统控制的目的。*2.3󰀁系统主回路仿真说明系统主回路采用IGBT作为功率器件,而目前使用的MATLAB5.3仿真软件,其SimulinkLibrary的PowerSystem

18、Blockset中没有现成的IGBT模块,且不易自行构造;同时我们的研究对象是整流器及其控制系统,而不是IGBT的开关过程,所以仿真时,近似把IGBT视为理想开关,将与之并联的快恢复二极管的反向恢复特性融入系统的控制算法中,在形成的PWM波中体现。由于将IGBT按照理想开关处理,所以对桥臂中防止直通的死区时间未加设置,也未采取与该时间相应的补偿措施。图4为系统仿真结构框图,系统控制算法由Subsystem1子系统模块实现,电压信号Va、Vb、Vc和Vo以及电流信号ia、ib和ic需分别经电压检测模块和电流检测模块采集后作为子系统的输入。图5󰀁Subsystem1结构框图率!=1

19、00 rad/s;给定直流电压值V*V;控制脉冲频率o=100f=4kHz;进线电感L=25mH;输出端电容C=1000F。软件仿真算法采用ode23tb。为验证前述控制算法既能实现整流又能实现逆变,且能获得高功率因数,需观察输入侧电压与输入侧电流的仿真波形。图8为整流状态时的仿真波形,图9为逆变状态时的仿图6󰀁电流误差信号子系统结构框图真波形。在获得较理想的仿真结果的基础上,参照仿真时的参数设置,进行了实物实验,图10和图11为相应的实验波形。比较图89和图1011可以看出,仿真结果与实验结果基本吻合,说明前述的简单控制算法的正确性及可行性。3󰀁系统仿真结果在

20、MATLAB5.3的Simulink中建立整个控制系统的仿真模型,仿真参数设置为:三相输入相电压峰值Vm=50V;角频图7󰀁PWM波形成子系统结构框图(单相)确性和可行性,大大缩短了研制时间。同时,对于整个控制系统在仿真建模时将IGBT视为理想开关的处理,经仿真波形与实验波形的比较,证明能够正确模拟IGBT的实际特性,这种处理方法是可行的。参考文献:1󰀁Chern-LinChen,Che-MingLee,Rong-JieTu,andGuo-Kiang图8󰀁Electronics,Vol46,No.3,JUNE1999:512-515𘀀

21、1;-DCConverterwithFixedSwitchingFrequency.IEEETrans.onIn󰀂dustryApplications,Vol26,No.5,September/October1990:880-885󰀁3󰀁程卫国,冯峰等.MATLAB5.3精要编程及高级应用.北京:机械工业出版社,2000󰀁京:清华大学出版社,1996,6󰀁图9󰀁逆变状态时仿真波形图11󰀁逆变状态时实验波形图10󰀁整流状态时实验波形作者简介吕宏丽(1975-),女,硕士

22、研究生,主研方向是电力电子技术及电气传动。4󰀁结论器的系统仿真,验证了基于电压空间矢量简单控制算法的正刘志强(1962-),男,博士,副教授,硕士研究生导师,主研方向是电力电子技术及电气传动。ResearchontheSystemSimulationoftheThree-PhaseRectifierBasedonVoltageSpace-Vector(下转第36页)必要建立供热仿真系统,该系统除能对各个供热单元(房间、楼、热力站、热网)进行单独模拟分析,亦能对整个区域进行静、动态系统仿真。下面按IMS设计供热仿真系统。3󰀁2󰀁仿真系统结构,总体结

23、构(见图2),基于IMS的各子系统简单设计思路如图3:󰀁󰀁,使用下列指令建立组态王和源名为SQL数据库#的数据源的连接,此例中画面名为SQL#画面属性的命令语言中显示时的命令:SQLConnect(DeviceID,dsn=SQL数据源#)。如此,便可以在单机或多机运行该仿真系统,实现并行工作。4󰀁结论本文针对复杂过程提出了一种使用面很广的信息融合仿真(IMS)新概念,并介绍了实现方法,在实际应用中实现速度快,功能全且可扩展升级。图2󰀁供热仿真系统总体结构图󰀁图3供热仿真子系统关系图参考文献:1󰀁李

24、伯虎,文传源.系统仿真技术新动向.计算机仿真,1996,13(3):3-5󰀁2󰀁涂序彦,霍玉梅.面向知识经济的智能仿真技术.计算机仿真,1999,7󰀁3󰀁张仁忠.分布交互仿真研究.哈尔滨工程大学学报,1999,20(2):34-40󰀁4󰀁常喜茂、于荣生.仿真支撑系统流体网络仿真模型的自动生成.现代电力,1999,16(2):48-54󰀁4󰀁李广军,李天铎,姜学智󰀁电站仿真中控制系统建模与线组态研究󰀁清华大学热能工程系博士论文,1997,

25、4󰀁3󰀁3󰀁实现过程首先用VB设计所需界面,用VC实现模型与算法,仿真计算所用数据取自ACCESS建立的数据库,并把结果送入结果数据库中。最后,用组态王工控软件通过ODBC连接结果数据库,进行动画显示。组台与数据库具体连接步骤为:,在组态王工程浏览器中建立一个名为BIND的记录体,把组态王中的变量和数据库监控表#中所对应字段名称增加到记录体中。组态王变量要和字段名称类型对应。作者简介彭󰀁力(1967-),男,副教授,博士研究生,主要从事智能控制与仿真的研究。RealizationForComplexProcedureSimulationBasedonInformationMixtureIdeaPengli,LiWen,LouGuohuan(InstituteofScience&TechnologyHebei,TangShanHebei063009,China)ABSTRACT:Inordertogetawayfromusingonesoftwareimplementtodevelopsystemandexerttheiradvantagesgreatly,anewmetho