基于Simulink仿真的一种特种电源设计

王家校

（杭州士兰微电子股份有限公司，杭州 310000）

0 引言

随着国防现代化进程的推进，在特种设备建设方面，原来老式设备因其机械传动的结构严重影响设备的一些隐声性能，且经过长期使用运行后，已存在着可靠性差、故障率高、蓄电池能耗大、能量转换效率低、维护修理困难且工作量大等问题，这些问题已直接影响到正常任务的执行。此外，机组长期工作时所产生高频强噪音及高温时产生的异味对工作人员的身心健康及战斗力发挥也带来了极大的负面影响[1]。在这种情况下采用新型高效、节能和低噪音的电力变流器来替代电动发电机组的要求，已经变得越来越迫切。

针对特种电源设计上所存在的问题，本文采用SPWM技术，通过Simulink仿真，指导设计了适合于特种设备的改装工程要求的新型逆变电源装置，具有重要的意义。

1 工作原理与设计

1.1 硬件电路设计

本装置为直流175～320VDC的蓄电池电源逆变转换133 V/50 Hz交流电输出，为所在区域的交流负载及应急负载提供配电。

本设计模块因极性保护回路、直流滤波网络、逆变模块、功率变压器、交流滤波网络等部分组成，如图1所示。

图1 逆变电源装置配置框图

1.1.1 直流滤波网络

由带气隙的电抗器和滤波网络组成，用以滤掉直流侧电压波动产生的干扰和消除逆变电源谐波对直流侧蓄电池的干扰，保障逆变电源装置的电磁兼容性问题[2]。通过计算，先分别得出直流平波电抗器和直流电解电容的值分别如下：

1.1 .2逆变模块

本设计由IGBT主回路、辅助直流电源模块、隔离驱动模块、模拟量处理模块、环境量处理模块、IO输出处理模块、输出处理模块、CAN通讯模块、显示通讯模块、DSP主控单元等模块组成。

采用高性能的DSP作为控制核心，控制算法上采用模糊控制算法，主要用于控制和数据处理，并具有脉宽调制信号输出端口。IGBT模块计算如下。

由容量P=35 kW时，流过IGBT电流为：

选取启动安全系数α=5，则IGBT期望电流为I=α×IIGBT=5×169=845(A)。选用英飞凌900 A，1 200 V的IGBT模块，型号为FF900RIE4。

1.1.3 功率变压器

功率变压器是逆变电源装置主要功能器件，工作在电压脉冲状态，实现电力功率传输、隔离[3]。本文采用变压器级联方式，保障逆变输出三电平电压，实现电压多重化，计算和选型如下。

对于133 V/50 Hz输出电压，为变压器副边串联获得，因此变压器副边电压额定值为133/1.414=95 V，选取90 V。功率为35 kVA，对于相同变压器串联时，输出总功率：

逆变器输出功率为2台变压器输出功率，其负载能力为70 kVA，满足要求。

1.1.4 交流滤波网络

由单相交流滤波器、正弦波电抗器等组成网络，用以滤掉交流侧高次谐波，并提供满足用户要求品质的供电电源，满足电磁兼容性[4]。

单相滤波，选用传统的LC滤波结构，SPWM波经过滤波器后，输出正弦基波电压，为负载供电。

图2 LC滤波原理图

由图2所示，LC滤波器的传递函数：

式中：ωL为LC谐振角频率，ξ为阻尼系数，为滤波器输出电压；Ui(s)为滤波器输入电压。

滤波器截止频率：

对于高频SPWM，工程上LC滤波器的截止频率选择载波的1/10～1/5，则滤波电抗器计算：

取Uo=133 V，I=5 A，fc=6 000 Hz，则截止频率fL=1 200 Hz，则有：

考虑变压器串联，实际选取L=200μH，C=250μF。

1.2 控制原理设计

1.2.1 控制算法设计

逆变器的输出电压Vi通过二阶LC滤波器得到正弦波输出电压Vo，电阻r为滤波电感等效串联电阻，以及死区等其他杂散阻尼因素的综合。由文献[5]得到滤波器Vi到Vo的传递函数为:

空载时i0=0，则传递函数为：

等效的控制模型如图3所示。

图3 滤波器数学模型

逆变器采用电流电压双闭环控制，这提高了系统的稳定性和控制装置品质[6]，双闭环控制系统结构框图如图4所示。

图4 双闭环系统控制结构框图

1.2.2 电流内环算法设计

图5所示为简化的电流环框图，Iref为给定的参考电流，Kc为内环比例控制参数，iL为输出电流。

图5 简化的电流环框图

ZOH为零阶保持环节，S域传递函数为：

式中TS为采样周期，则电流内环的开环传递函数为：

将闭环极点配置到Z平面原点，相应速度最快，令Z=0有：

其载波频率fc为6 000 Hz，则TS=1/6 000=0.167 ms，另外，L=200μH=0.2 mH，则有：KC=0.2/0.167=1.197。

1.2.3 电压外环算法设计

电流环的截止频率高于电压环，其跟踪速度要远快于

闭环传递函数的特征方程为：电压环，电压外环时，假定电流环为增益1的比例环节[2]，如图6所示。

图6 简化的电压环框图

电压环采用数字PI控制器，其Z传递函数为：

式中：Kp为比例系数；Ki=KpTs/Ti为积分系数；Ts为采样周期；Ti为积分时间常数。电压外环的开环Z传递函数为：

其闭环传递函数的特征方程为：

式中：K2为电压环反馈比例系数；C为滤波电容。令z=0，有：

依据工程实践，增加假定的约束条件来减少变量数。

式中：T1为纯比例控制的临界振荡周期，可以通过调试得到。

由上式可得：

系统中电压采样频率FS=6 000 Hz，则：TS=0.167 ms；滤波电容容量C=250μF，电压反馈系数K2=1。

由上式可得：

由此可得方案设计中电压电流双闭环控制参数。电流反馈：比例系数KC=1.197；电压反馈：比例系数Kp=1.5，积分系数Ki=0.3。

逆变器工作环境是非常复杂的，其输入条件和输出负载，以及电磁环境都是随时变化的，分析的参数必须在实际试验中再进行调整。

1.3 SPWM原理

产生正弦波时，本设计采用规则对称采样法，如图7所示。

图7 规则对称采样法算法图

采用三角波作为载波的规则采样获得SPWM波，在三角波零峰tD时刻对正弦调制波采样得到D点，过D点作水平直线与三角波分别交于A点和B点，在A点的时刻tA和B点的时刻tB间输出高电平，其他时刻输出低电平[7]。根据三角关系，可以得出：

实现H半桥控制，其另一半桥，相位相差180°。

图8 主程序模块流程图

将计算脉冲宽度转换成DSP2812数据，实现SPWM数字控制。

1.4 系统软件设计

主程序如图8所示。

2 仿真与结果

在Matlab/Simulink平台上[8]，对系统设计进行验证仿真，进一步优化方案参数，采用电压有效值单闭环，双极性多电平级联SPWM算法[9]。

2.1 逆变器空载谐波指标

逆变器空载谐波指标如表1所示。

表1 逆变器空载谐波指标

220 V直流输入时仿真谐波频谱如图9所示。

图9 谐波频谱图

2.2 逆变器纯阻性全载谐波指标

逆变器纯阻性负载谐波指标如表2所示。

表2 逆变器纯阻性谐波指标

220 V直流输入时仿真谐波频谱如图10所示。

图10 谐波频谱图

2.3 逆变器滞后0.8功率因素全载谐波

逆变器滞后0.8谐波指标如表3所示。

表3 逆变器滞后0.8谐波指标

220 V直流输入时仿真谐波频谱如图11所示。

图11 谐波频谱图

2.4 负载突加突卸指标

2.4.1 空载到半载突加

负载由空载到半载，再由半载到全载，电压变化的百分率，仿真结果如下。175 V直流输入时，空载到半载电流和电压变化如图12所示。

图12 175 V直流输入空载到半载电流和电压变化图

220 V直流输入时，空载到半载电流和电压变化如图13所示。

320 V直流输入时，空载到半载电流和电压变化如图14所示。

2.4.2 半载到全载突加

175 V直流输入时，半载到全载电流和电压变化如图15所示。

220 V直流输入时，半载到全载电流和电压变化如图16所示。

320 V直流输入时，半载到全载电流和电压变化如图17所示。

图13 220 V直流输入空载到半载电流和电压变化图

图14 320 V直流输入空载到半载电流和电压变化图

图15 175 V直流输入半载到全载电流和电压变化图

图16 220 V直流输入时，半载到全载电流和电压变化如图

图17 320 V直流输入半载到全载电流和电压变化图

2.4.3 负载突加指标

突加负载电压变化率如表4所示。

表4 突加负载电压变化率

表5 突卸负载电压变化率

2.4.4 负载突卸指标

220 V直流输入时，全载到半载电流和电压变化如图18所示。

图18 220 V直流输入全载到半载电流和电压变化图

突卸负载电压变化率如表5所示。

3 结束语

本文提出的硬件电路的设计，硬件器件参数计算和选型，并通过详细的参数计算结合控制算法，建立Matlab/Simulink模型，通过仿真，对电源输出的谐波指标，负载突变的动态响应等重要指标来看，都满足设计的要求，对特种电源的正式生产具有重要的指导意义，不仅可以节省成本，缩短研发和生产周期，对于保证性能和可靠性也起到了很好的前瞻作用。