PCI控制的三电平逆变器仿真实验

李文娟, 徐彦博, 赵翔宇， 王 超

(哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150080)

三电平逆变器是多电平逆变技术中应用最广泛的一种,是实现高压大功率变换的有效途径之一,在电机变频调速系统、有源滤波器、不间断电源等装置中得到了广泛应用[1]。由于开环逆变器没有良好的跟踪及动态响应能力,于是闭环控制方法成为相关研究的重点。目前,逆变器的控制方法主要有无差拍控制[2]、重复控制、滑模变结构控制、PI控制等,其中应用最成熟的是PI控制。PI控制方法有一定的局限性,它只能对直流量的零稳态误差进行控制,而无法满足对交流量的零稳态误差控制[3]。

为此,对PI控制进行了改进,提出了比例复数积分控制(proportional complex integral,PCI),既保留了传统PI控制方法简单、设计方便等优点,又实现了交流量的零稳态误差控制[4-5]。

在控制理论教学中引入仿真实验,对于加深学生的理解、引导学生对控制理论的兴趣方面起到了良好的作用。本文通过Simulink仿真平台对PCI控制进行研究,力图使学生掌握仿真方法,调动学生的学习积极性,加强对学生能力的培养[6-7]。

1 三电平逆变器PCI控制

图1 三电平逆变器PCI控制的原理框图

在PCI控制中采用二极管箝位式三电平逆变电路,它是由直流电源E、直流分压电容C1和C2、3个桥臂组成。每个桥臂由4个功率开关管Sx1—Sx4、4个续流二极管Dx1—Dx4和2个箝位二极管等元器件构成(下标x表示a、b、c三相)。二极管箝位式三电平逆变电路的主电路如图2所示。

图2 三电平逆变电路主电路

与普通三相桥式两电平逆变器相比,三电平逆变器每个开关管所承受的电压较小,而且二极管箝位式拓扑结构输出相电压是三电平,输出电平数增多,则输出波形就更接近正弦波,并且这种拓扑能够减少谐波[9]。

图3 PCI控制器的原理图

2 零稳态误差分析

为了分析方便,可以将三电平逆变器的控制简化。图4为三电平逆变器闭环控制系统框图。

图4 三电平逆变器闭环控制系统框图

经过运算,可以得到闭环传递函数:

(1)

PCI控制器的传递函数:

(2)

则电压环的控制器传递函数为

(3)

电流环的控制器传递函数为

(4)

(5)

3 仿真及结果分析

为了验证PCI的控制性能,在Simulink中搭建了PCI控制的三电平逆变器仿真模型，如图5所示。由于在Matlab/Simulink中没有封装好的PCI控制器模块,因此需要搭建PCI控制器模型。根据PCI的传递函数及控制框图,搭建PCI模型如图6所示。

图5 三电平逆变器双闭环控制系统仿真模型

图6 PCI控制器的仿真模型

设置直流侧电压为600 V,滤波电容为30 μF,滤波电感为0.18 mH,开关频率为2 kHz。为了验证三电平逆变器在不同负载下的输出波形的效果,分别在阻性负载、感性负载及容性负载下进行仿真,波形如图7所示。

从图7可以看出,所设计的PCI控制器能够在不同负载下具有良好的输出电压波形,而且在1/4周期内就能实现稳定输出,验证了控制算法中应用复数的PCI控制设计的正确性。

为了进一步验证PCI控制器在负载突变的情况下具有良好的动态响应能力,分别在各种负载突变以及电压突变情况下进行了仿真,仿真波形如图8和图9所示。

图7 不同负载下的电压波形

图8 t=0.03 s时由感性负载变为容性负载的负载电压电流波形

从图8可以看出,在0.03 s时,负载电压几乎接近于正常状态,而电流出现了较小突变,但仍然可以在不到半个周期内快速恢复稳定运行。这说明PCI控制方法能够有效克服不同类型负载相互转换引起的扰动,且响应速度快。

从图9可以看出,在给定电压幅值分别在0.04 s和0.08 s变化时,负载电压和电流的动态响应几乎相同,都能够快速跟踪给定值的变化,并且同样可以在很短时间内恢复稳定运行。

图9 给定电压由30 V变到60 V再到90 V时负载电压电流波形

通过对以上3种运行情况的分析,验证了PCI控制方法可以有效应对电压和负载性质突变对系统以及供电负荷造成的影响,很好的体现了PCI控制方法的优势。

为了比较PCI与PI控制器的差别,说明PCI具有更好的控制效果,在参数保持一致的情况下,分别采用PI和PCI控制器进行仿真,给出a相电压的仿真电压波形如图10所示。

由图10可知,PI控制器的跟踪效果并不理想,有幅值和相角差,不能实现对交流量的零稳态误差控制；而PCI控制器在半个周期内就可以实现零静差跟踪且无相角差。采用powergui模块中的频谱分析功能,对两种控制方式下输出波形的谐波含量进行检测,检测结果表明PCI控制的输出电压波形谐波含量更低,对交流量的控制具有更好的效果(见图11)。

4 结语

通过仿真实验表明:PCI控制具有良好的动态响应能力,能够在各种负载突变的情况下实现精确跟踪,解决了传统PI控制器无法实现对交流量无误差跟踪的弊端。运用Simulink平台搭建的PCI控制模型,能够使学生更清楚、直观地认识控制理论闭环系统,提高了学生的仿真实验能力。

图10 两种控制下a相电压波形对比图

图11 两种控制的谐波含量对比图

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