电力电子仿真技术

例子 例子一： B Boost t直流升压器

原理图
例子 例子一： B Boost t直流升压器

系统参数：
电感 10 mH 电容 2000 uF 负载 >=10 负载： 10 ohm h 开关频率：5 kHz 输入直流电压：100～200V 输出直流电压：400V
例子 例子一： B Boost t直流升压器
i + + i -
S c ope 2 L
T W ork To k s pac e 2
VM 1
+ v -
CM 1
A +
CM 2
Diode
g
AC
B -
+ -
C
v
IGB T
E
C
R2
+ v -
S c ope 7
VM 5
B ridge
VM 2
P roduc t
Gain
-K -
Cons tant P I1
In 1 Ou t 1
电力电子仿真技术
2009
M tl b/Si li k Matlab/Simulink
动态系统建模、仿真和分析的平台：支持 线性和非线性、连续与离散时间模型、以 及多采样率系统 Simulink Si li k – 图形化的仿真实验室 SimPowerSystems y – 电力电子与电力传动 的仿真工具包 具体使用请参见Matlab Help帮助文档

仿真中应注意的事项
系统仿真步长<系统元件模型的采样时间 <PWM环节的载波频率
作业二 CVCF单相PWM逆变器 作业二：

逆变器参数：
L 6e 3 H L=6e-3 C=5e-4 F T 1/10000 s T=1/10000 Vdc=180 V

要求输出50Hz 100V（峰值） 的交流电压

电力电子系统的Simulink Si li k建模

建模方式之一：利用SimPowerSystems的 现成模块进行组合
In RMS
Dis RMS ua
a A + i -
Display
g +
ub
b B
CM
Rn
L
A
+
C
B
v
R
-
-
uc
c C
Rn
L
C
Vdc
Scope 2
Rn B1
L
Universal Bridge bian Gain -KTo Workspace
Scope 4
dq0 abc sin_cos Uref Pulses
Scope 3 Scope 1
Subsystem1
Discrete PWM Generator
Selector ed eq
Subsystem2
abc dq0 sin_cos
From Vabc_B 1
Gain 1 0 V0 Dis-PI Controller 2 -KK
滞环电流控制方式

仿真结果
仿真小贴士

系统控制参数的选择
先确定外环参数，即稳定电压外环 后确定电流内环，即稳定电流内环 电流内环的一般而言其动态响应速度应远快于 电流内环的 般而言其动态响应速度应远快于 电压外环，对PI控制器而言，其电流环比例环 节的系数要远大于电压环比例环节的系数
Terminator
Freq
PLL
Terminator 1
wt Vabc (pu)
Warning !! , ndefined sample time
Sin_Cos
电力电子系统的Simulink Si li k建模

建模方式之二：利用S Function函数构建 用户自定义的模块 y=f0(t,x,u) S-Function Examples dxc/dt=fd(t,d,u) xd(k+1) (t x u) d(k 1)=fu(t,x,u) 其中x=xc+xd 也就是说，可以用S Function来表示以微 分方程表示的任意系统。

例子二 Boost 例子二： B t PWM整流器

控制算法
L
L
例子二 Boost 例子二： B t PWM整流器

系统模型 系统模型：
In R MS
D is R M S ua
a A + i -
D is p la y
g +
CM ub
b B
Rn
L
A
+
C
B
v
R
-
-
Rn uc
c C
L
C
V dc
S c ope 2
S ubs y s tem 3
abc dq0 s in_ c o s
F ro m 1 Ia b c _ B 1
id D is c re t e P I 1
PI
id * PI
C ons tant 1
D is-P I C o n t ro lle r 3 iq iq _ re f (p u ) PI iq * 0
M-files C-files C++ Ada Fortran M-file S-functions C-file S -functions C++ S-functions Ada S-functions Copyright 1990 -2005 The MathWorks Inc .
Fortran S-functions
交流侧稳态输入电压电流
突加负载动态响应
作业 作业一：功率因数校正整流器 功率因数校正整流器
采用与例一相同的参数，交流输入为200V （峰值），输出400V直流，负载15ohm。构建模 型 给出仿真结果 型，给出仿真结果。

电流环 双PI控制 电压环
功率因数整流器仿真模型
V in To W ork s pac e Iin To W ork s pac e 1 V out S c ope
Selector Iq Id
Selector Id Iq
Subsystem3
abc dq0 sin_cos
From 1 Iabc _B1
id DiscretePI 1
PI
id * PI
Constant 1
Dis-PI Controller 3 iq q iq _ref (pu ) PI iq * 0

The Th E End d
DC
A B
i -
R
C
Gain 1 Add
-K -
Gain
-K-
Gain 4 Gain 2
Pulses Uref
1 z Sine Wave
-K -K -
Discr-KK z Gain 3
作业要求
此次作业用于评定课程最后成绩，需严格 按照学校规定上交打印版，封皮按研究生 院标准格式制作。作业以研究报告的形式 呈现（包括CVCF单相逆变器的工作原理、 理论分析、数学推导、控制器设计、仿真 程序及其说明 仿真结果 程序及其说明、仿真结果）。 请于一个月内完成，截至时间为2010年5 月1日，过期不候！！！我的办公室地址： 日 过期不候！！！我的办公室地址： 动力楼235，上交的作业还可以放入我的 系办信箱并电邮通知我！！
PW M 1
In 1 Ou t 1
D is c rete, Ts = 1e-006 s . pow ergui
Ou t1 In 1
PI
PFC Circu it
峰值电流反馈控制方式
原有参数的仿真结果

输出电容偏小或负载过重导致输出直流电 压的波动过大，使输入电流波形失真严重
调整参数后仿真
C 5e C= 5e-3 3 F R= 100 00 o ohm 负载变轻使得系统阻尼减小，启动时间延长， 另外电容变大减小了输出电压波动
Te rm in a t o r
F re q
P LL
Te rm in a t o r 1
wt Va b c (p u )
W a rn in g !! , n d e fin e d s a m p le t im e
S in _C o s
例子二 Boost 例子二： B t PWM整流器

仿真结果

构建系统模型
L
+ i -
Diode
CM 3
Scope 2
R C
+ v -
g
IGBT
E
C
VM2
Scope 1
Out1
In 1
DCcontroller
Discrete, Ts = 5e-006 s. powergui
例子 例子一： B Boost t直流升压器

构建控制器
PWM
注意系统仿真的采样步长为：1e-6s 输出电压反馈u0
g
AC
B -
+ -
v
C
IG B T
E
C
R2
+ v -
S c op e 7
VM 5
B rid ge
VM 2
S um 3
G ain
-K -
R elay P rod uc t
C o ns tan t 1
D is c rete, T s = 1e-006 s . pow ergui
Out1 In 1
PI
平均电流控制方式
Rn B1
L
U n ive rs a l B rid g e b ia n G a in -K To W o rk s p a c e
S c ope 4
d q0 abc s in_c o s U re f P u ls e s
S c ope 3 S c ope 1
S ubs y s tem 1
D is c re t e P W M G e n e ra t o r
逆变器控制器要求
要求采用one sampling ahead preview (OSAP)控制器，具体算法参见所提供的 参考文献 OSAP算法与PI算法的差别是：其控制算 法的各参数是基本确定的，无需试凑或凭 经验

逆变器的数学模型

数学模型
T
OSAP控制器
注意：控制量应修正为u= T(k)/T
S e le c t o r ed eq
S ubs y s tem 2
abc dq0 s in_ c o s
F ro m V abc _ B 1
G a in 1 0 V0 D is-P I C o n t ro lle r 2 -K -
S e le c t o r Iq Id
S e le c t o r Id Iq
例子二 Boost 例子二： B t PWM整流器

控制目标
交流侧输入电流为 正弦，功率因数可 调 直流侧电压恒为设 定值 能实现对输入电流 和输出电压的快速 调节 功率能够双向流动
参 考 地
例子二 Boost 例子二： B t PWM整流器
系统参数： T T=1/10000s( 1/10000s(开关频率） L=0.013H Ln=0.015H L 0 015H rL=0.3ohm rLn=0.2ohm C1=0.01F C1=0 01F Ts=5e-6s

滞环电流控制方式

滞环宽度0.5A
V in To W o rk s pa c e Iin To W o rk s pa c e 1 V ou t S c ope
i + + i -
S c o pe 2 L
To W o rk s pa c e 2
VM 1
+ v -
CM 1
A +
CM 2
D io d e
OSAP control law:
T
逆变器仿真模型

仿真模型
Warning !! , efined sample powergui
PWM IGBT Inverter
g +
+
+ v -
Vab inverter + v -
Vab_inv
Vab Load
Vab_load L io
+ i -
io Scope 1

PI控制器
3*1e-6(z+1) (z-1) Discrete Zero -Pole Sum 6 -KGain 1 1 In 1
1 Out 1
1000 (z-1) z Discrete Zero -Pole Pole 1
例子 例子一： B Boost t直流升压器

仿真结果：输出电压波形(整体、纹波）
1 In1
载波频率：5kHz
C onstant1 1 Sw itch R epeating ti Sequence 1
G ain
K -K-
增益：1/400
C onstant
PI控制器
1 O ut1 C onstant 2 0
参考 指令
O ut1 In1
1
PI
例子 例子一： B Boost t直流升压器