基于Matlab的單周期控制三相高功率因數(shù)并網(wǎng)逆變器的建模與精

1、182/2009收稿日期：2008-12-10作者簡介：楊志強（1982-），男，碩士研究生，主要研究方向為電力電子與能源變換 。考價值。單周期控制的并網(wǎng)逆變器7,8可以等效為雙并聯(lián)的BUCK 型逆變器，控制電路簡單（復(fù)位積分器和一些邏輯器件），動態(tài)響應(yīng)快，且開關(guān)損耗低，同一時間內(nèi)，只有2個開關(guān)導(dǎo)通，大大減小了開關(guān)損耗。1單周期控制三相PWM 并網(wǎng)逆變器建模單周期控制作用于單個開關(guān)管時（在Boost 或Buck電路中），能夠很好地體現(xiàn)單周期的基本思想。假設(shè)開關(guān)頻率f s =1/T （s T s 是開關(guān)周期）恒定9，開關(guān)管的工作過程可以用以時間t 為自變量的開關(guān)函數(shù)k (t 表示 。（1）T o

2、n 是開關(guān)導(dǎo)通時間，并且T on +T off = T s ，模擬控制信號V ref (t 調(diào)制占空比D =T on /T s 。根據(jù)單周期控制思想，開關(guān)輸入信號x (t 與輸出信號y (t 的關(guān)系為：y (t =k (t x (t （2）假設(shè)開關(guān)頻率f s 高于輸入信號x (t 和模擬控制信號V ref (t 的帶寬頻率，那么開關(guān)輸出的有效信號為： （3）因此，可以通過調(diào)節(jié)占空比D (t ，使每個周期開關(guān)輸出斬波波形的積分值恰好等于控制信號的積分值，即 ：（4）從而實現(xiàn)每個開關(guān)周期開關(guān)輸出量y (t 的平均值等于參考量V ref (t 的平均值。這樣，利用開關(guān)能完全抑制輸入信號和線性化后的控

3、制信號V ref (t ，使系統(tǒng)具有良好的可控性。利用基于單周期控制的三相PWM 并網(wǎng)逆變器，可使輸出電流與電網(wǎng)電壓同相，減小無功功率的輸出。為了簡化推導(dǎo)過程做如下假設(shè)：電網(wǎng)電壓為理想的三相電壓源；各相的電感相等，即L a =L b =L c =L ；三相電路參數(shù)對稱；開關(guān)頻率遠遠大于工頻；忽略開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降和開關(guān)損耗。圖1是三相并網(wǎng)逆變器的主電路。圖1三相并網(wǎng)逆變器主電路Fig.1 Main circuit of three-phase PWM GCI為使單周期控制簡便，三相逆變器在6個區(qū)間內(nèi)等效為雙并聯(lián)Buck 型逆變器，該6個區(qū)間是按每相電壓的過零點來劃分的。三相電壓6個區(qū)間的劃分如

4、圖2所示。圖2 三相電壓6個區(qū)間劃分 Fig.2 Six regions of three-phase voltage在第1區(qū)間0°，60°內(nèi)，i a 0，i b 0，i c 0，6個開關(guān)的動作如下：S bn 一直導(dǎo)通，同時S bp 、S an 和S cn 一直關(guān)斷，控制開關(guān)S ap 和S cp ，使相電流i a 和i c 跟蹤各自的相電壓V a 和V c 。由于三相電壓對稱及V a +V b +V c =0，i a +i b +i c =0 ，i b 將自動跟蹤V 10,11b ，對于其他區(qū)間可以進行類似的分析。從以上分析可知，每一時刻只有2開關(guān)動作，極大地減小了開關(guān)損耗

5、。在區(qū)間1內(nèi)，逆變器可以解耦為并聯(lián)的雙Buck 逆變器，其等效電路如圖3所示。圖3區(qū)間內(nèi)逆變器等效電路Fig.3Equivalent circuit of GCI in the region of 0° to 60°由圖3可以看出，開關(guān)S ap 和S cp 共有4種可變的開關(guān)狀態(tài)：（1）S ap 和S cp 都導(dǎo)通；（2）S ap 導(dǎo)通，S cp 關(guān)斷；（3）S ap 關(guān)斷，S cp 導(dǎo)通；（4）S ap 和S cp 都關(guān)斷。在一個開關(guān)周期內(nèi)，只有2種可能的開關(guān)順序，即（1）、（2）、（4）和（1）、（3）、4）。按（1）、（2）、（4）開關(guān)順序時，開關(guān)占空比d ap d

6、cp ；按（1）、（3）、（4）開關(guān)順序時，開關(guān)占空比d ap d cp 。假設(shè)開關(guān)頻率遠遠大于電網(wǎng)頻率，以第一種開關(guān)順序為例，在一個開關(guān)周期內(nèi)，由于電感電壓的平均值為零，可以推導(dǎo)出式（5） 。（5）式中：E 逆變器直流側(cè)電壓。同理可以證明式（5）對于第二種開關(guān)順序也是成立的。為了使功率因數(shù)接近1，電流和電壓應(yīng)該成比例 ，（它們之間的關(guān)系式可表示為 ：（6）式中：K 1最大電流的控制系數(shù)；K 2功率等級的控制系數(shù)。假設(shè)采樣電阻為R s ，綜合式（5）和式（6）可以得出 ：（7）式中：K=K1R s ；V m =Rs K 2E ，在每個周期內(nèi)V m 是恒定的。當(dāng)式（7）成立時，系統(tǒng)的功率因數(shù)為1

7、。式（7）可以在單周期控制下成立（圖4），用時鐘信號同時置位2個R S 觸發(fā)器，2個R 端輸入信號分別是：電流 信號與斜坡 信號及電流 信號的比較信號，以與斜坡 信號的比2基于Matlab 的三相PWM 并網(wǎng)逆變器的建模圖5是基于Matlab Simulink/PCB建立的三相PWM 并網(wǎng)逆變器主電路的仿真模型。圖中基本參數(shù)為：電網(wǎng)相電壓的幅值為220V ，頻率為50Hz ，直流側(cè)電壓U dc 為逆變器輸出電感（L a ，均為2mH ，濾波電容600V ，L b ，L c ）采樣電阻R s =0.1。C =2F ，圖5三相PWM 并網(wǎng)逆變器主電路的仿真模型Simulation model of

8、 three-phase PWM GCI，且都為低電平。較信號（積分常數(shù)等于開關(guān)周期T s ）此時2個觸發(fā)器的輸出端Q ap 和Q cp 為高電平，S ap 和S cp 導(dǎo)通。當(dāng)電流信號和斜坡信號相等時，觸R 端輸入高電平，發(fā)器復(fù)位，開關(guān)S ap 和S cp 依次關(guān)斷。以Q 端輸出低電平，上討論的都是第1區(qū)間情況，分析可以延伸到整個周期內(nèi)，用p 、表1為基于單周期控制的三相n 項代替a 、c 項。并網(wǎng)逆變器的控制法則，圖4是實現(xiàn)三相PWM 并網(wǎng)逆變器單周期控制的電路框圖。表1Tab.1角度Fig.5由圖4可以看出控制電路包括4個功能子電路，即：區(qū)間選擇電路、輸入多路開關(guān)電路、核心電路（包括時鐘

9、、加法器、比較器和帶復(fù)位積分器）和邏RS 觸發(fā)器、輯輸出電路。圖6是基于Matlab Simulink單周期控制電路的仿真模型。其中區(qū)間選擇電路、輸入多路開關(guān)電路和邏輯輸出電路等子系統(tǒng)的模型可以根據(jù)圖2所示三相電壓的關(guān)系和表1中各數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系建立。在核心電路中，當(dāng)時鐘脈沖來臨時，V m 值是恒定的，RS 觸發(fā)器置位，開始產(chǎn)生積分電壓，而比較信號Q 端輸出高電平，產(chǎn)生RS 觸發(fā)器的復(fù)位信號。為了實現(xiàn)單個周期的零誤差的控制要求，積分器復(fù)位開關(guān)由RS 觸發(fā)器！Q 端的輸出信號控制，2個RS 觸發(fā)器的Q 端輸出信號可控制每個區(qū)間2個開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷12?；趩沃芷诳刂频娜嗖⒕W(wǎng)逆變器的控制法則Con

10、trol principle of OCC for three-phase PWM GCIV PV ni Pi nQ apQ anQ bp OFF OFF Q P ON Q n OFFQ bn ON Q PQ cp Q n OFFQ cn OFF Q n ON Q P OFF OFF060V ab V cb i a i c Q P OFF60°120°V ab V ac -i b -i c ON OFF 120°180°V bc V ac i b i a Qn OFF 180°240°V bc V ba -i c -i a OFF Q

11、n 240°300°V ca V ba i c i b OFF ON 300°360°V ca V cb -i a -i b OFF Q POFF OFF OFF OFF OFF Q nQ P ON圖4實現(xiàn)三相PWM 并網(wǎng)逆變器單周期控制的電路框圖Fig.4 Application of OCC for three-phase PWM GCI圖6Fig.6 單周期控制電路的仿真模型Simulation model of OCC circuit3仿真驗證為了驗證單周期控制的三相PWM 并網(wǎng)逆變器的優(yōu)4結(jié)語本文闡述了基于單周期控制的三相高功率因數(shù)逆點，對8

12、kW系統(tǒng)進行驗證，取K =0.01，其他主電路參數(shù)如上節(jié)所述。仿真選擇以下解算選項13：變步長最大為10-6 s ，相對精度為10-6，算法為ode23tb(stiff/TR-BDF2，開關(guān)頻率f =10kHz 。仿真結(jié)果如圖7圖9所示。變器的工作原理和實現(xiàn)方法，用Matlab Simulink/PSB建立了單周期控制的三相高功率因數(shù)逆變器的仿真模型，并進行了仿真研究。結(jié)果表明，在并網(wǎng)逆變器中，單周期控制技術(shù)可以有效地校正功率因數(shù)，減小電網(wǎng)電流的諧波污染。參考文獻：1Hua Chihchiang. Two-level switching pattern deadbeat DSP control

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15、hase A current of inverter圖8Fig.8 逆變器AB 端線電壓PWM inverters J. IEEE Transactions on Power Electronics, 2003,18(1: 401-410.5Lucibello P. Comments on “Nonlinear repetitive control ”J. IEEETransactions on Automatic Control, 2003,48(8:1470-1471. 6Smedley K M, Cuk S. One-cycle control of switching converte

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