單閉環(huán)單相PWM逆變系統(tǒng)的Saber仿真實(shí)驗(yàn)

李文娟， 劉銅振， 張經(jīng)緯， 呂陸垚

(哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150080)

單閉環(huán)單相PWM逆變系統(tǒng)的Saber仿真實(shí)驗(yàn)

李文娟， 劉銅振， 張經(jīng)緯， 呂陸垚

(哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150080)

研究了一種采用閉環(huán)控制的逆變系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單相全橋電壓型逆變電路作為被控對象，將逆變電壓瞬時值輸出作為反饋，構(gòu)成電壓PI控制的單閉環(huán)結(jié)構(gòu)。建立了逆變系統(tǒng)的主電路和控制電路Saber仿真模型，并對比分析了不同PI參數(shù)控制下的逆變輸出電壓和給定電壓仿真波形。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：PI控制對逆變系統(tǒng)具有很好的控制效果。

逆變器； 多載波脈寬調(diào)制(PWM)； 比例積分控制(PI)； Saber

電力電子技術(shù)課程是電氣工程及其自動化、工業(yè)自動化及信息類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程[1]，它主要講授如何使用電力電子器件組成整流電路、逆變電路、交流/交流變換電路、直流/直流變換電路并完成電能的變換和控制。逆變電路是電力電子技術(shù)課程中很重要的內(nèi)容[2]。

目前逆變電路多采用PWM控制技術(shù)的PWM逆變電路。為了更好地掌握PWM逆變電路，需借助波形分析來理解其工作原理。然而手工繪制PWM波形費(fèi)時、費(fèi)力，并且缺少準(zhǔn)確性和靈活性。利用計算機(jī)仿真軟件進(jìn)行仿真與輔助分析，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，更有利于掌握PWM逆變電路的原理和應(yīng)用[3]。

本文選取單相電壓型逆變電路作為被控對象，采用PWM控制技術(shù)并結(jié)合電壓瞬時值反饋，構(gòu)成閉環(huán)控制的PWM逆變系統(tǒng)。電壓環(huán)采用PI控制，能滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性要求，且簡單易于實(shí)現(xiàn)[4]。該單閉環(huán)系統(tǒng)的模式突破了一門課程學(xué)習(xí)中結(jié)構(gòu)固定的局限，拓展了學(xué)生的思維，也有助于培養(yǎng)學(xué)生建立系統(tǒng)級控制的概念，融合多門課程知識、提高綜合設(shè)計的能力。

常用于電力電子課程教學(xué)的仿真軟件有Matlab、Simplorer、Saber、Psim[5-7]等，其中Saber仿真軟件仿真的真實(shí)性好，從仿真電路到實(shí)際電路的實(shí)現(xiàn)，其間參數(shù)基本不用修改[8]，因此本文借助于Saber仿真平臺進(jìn)行了PWM逆變系統(tǒng)不同PI參數(shù)控制下的仿真實(shí)驗(yàn)。

1 系統(tǒng)總體方案確定

最常用的單相電壓型逆變主電路結(jié)構(gòu)有半橋電路和全橋電路2種，其中全橋逆變電路具有較好的性能，尤其是當(dāng)系統(tǒng)輸出功率較高時。本文以全橋逆變電路為研究對象[9]。為了更好地對全橋逆變電路進(jìn)行控制，確定了以逆變電路輸出電壓為被控變量的單閉環(huán)系統(tǒng)，其控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。電壓環(huán)采用PI控制，其中比例環(huán)節(jié)及時反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，立即進(jìn)行控制作用，以減少偏差；積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的控制精度[10]。

圖1 逆變電路單閉環(huán)控制框圖

在圖1中C是大電容，用于向主電路提供穩(wěn)定的直流電壓；負(fù)載為阻感性負(fù)載，負(fù)載電阻R為滑動變阻器，L為負(fù)載電感；C0為濾波電容；V1—V4為4個全控型MOSFET器件，R1—R4、C1—C4和D1—D4構(gòu)成緩沖電路。ud為供給的直流電壓，也即為電容C兩端的電壓；ui為逆變電路輸出電壓，也為濾波電路輸入電壓；uo為濾波電路負(fù)載兩端輸出電壓。e(k)為瞬時誤差；ua(k)為經(jīng)PI控制后得出的控制信號，在實(shí)際采用數(shù)字化控制器進(jìn)行控制時，這2個信號均為離散化的信號。

逆變電路輸出的電壓經(jīng)霍爾傳感器實(shí)時采樣后與指令電壓信號比較，經(jīng)過PI運(yùn)算后得到逆變電路工作所需的正弦脈沖寬度調(diào)制(SPWM)信號，由SPWM波形生成電路產(chǎn)生的SPWM信號送入驅(qū)動模塊，隔離后輸出給逆變主電路作為功率管MOSFET的門極驅(qū)動信號，從而實(shí)現(xiàn)逆變電路輸出電壓的準(zhǔn)確控制。

2 Saber仿真軟件

Saber是美國Analogy公司開發(fā)的多技術(shù)、多領(lǐng)域的系統(tǒng)仿真產(chǎn)品，可用于電子、電力電子、機(jī)電一體化、機(jī)械、光電、光學(xué)、控制等不同類型系統(tǒng)構(gòu)成的混合系統(tǒng)仿真。Saber可以兼容模擬、數(shù)字、控制量的混合仿真，便于在不同層面上分析和解決問題[11]。

Saber的元件模型庫中有4 700多種帶具體型號的器件模型、500多種通用模型，能夠滿足航空、汽車、船舶和電源設(shè)計的需求。Saber模型庫提供了不同層次的模型，支持自上而下或自下而上的系統(tǒng)仿真方法，這些模型采用最新的硬件描述語言(HDL)，最大限度地保證了模型的準(zhǔn)確性，且支持模型共享。Saber提供了完整的建模功能，可以滿足各種仿真與分析的需求。Saber可以對SPICE、Simulink模型進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換，同時Saber還擁有強(qiáng)大的參數(shù)提取工具，可以通過協(xié)同仿真實(shí)現(xiàn)模型復(fù)用[12]。

使用Saber軟件時，模型可在Parts Gallery里按照器件分類去尋找，因?yàn)镻arts Gallery的庫組織結(jié)構(gòu)也正是按照類來劃分的。在Parts Gallery中,頂層目錄按照大的應(yīng)用領(lǐng)域和市場領(lǐng)域劃分。例如Power System目錄下主要包括與電源系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)的模型，電力電子電路的仿真主要就使用該目錄下的模型。

另一種分類方法是按照技術(shù)領(lǐng)域分類。在MAST Parts Library展開的目錄中，可以更為直觀地按照技術(shù)領(lǐng)域?qū)ふ倚枰哪０迥Ｐ汀＠缫译姍C(jī)之類的模型，可在Electro-Mechanical目錄下找；各種激勵源或者參考地可在Sources、Power、Ground目錄下找；各種模擬數(shù)字電路可在Electronic目錄下找。電力電子電路中的主要器件如IGBT、MOSFET、二極管等均在Electronic目錄下的Semiconductor Devices子目錄中。

3 Saber仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所構(gòu)建的單閉環(huán)逆變系統(tǒng)及采用PI控制逆變輸出電壓的控制性能，本文基于Saber仿真軟件平臺進(jìn)行了相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)。

3.1 建立仿真模型

利用Saber仿真軟件平臺下的Saber-Sketch構(gòu)建了單閉環(huán)逆變系統(tǒng)的仿真模型。逆變主電路的仿真模型如圖2所示。

圖2 逆變主電路仿真模型

圖3為實(shí)現(xiàn)單閉環(huán)逆變系統(tǒng)的控制電路仿真模型。其中，zsmp模塊為離散域的采樣頻率設(shè)置模塊，此處設(shè)為20 kHz；z_sin模塊產(chǎn)生離散域的正弦信號，設(shè)為220 V/50 Hz；z2v模塊和v2z模塊分別為離散信號轉(zhuǎn)換為控制信號模塊和控制信號轉(zhuǎn)換為離散信號模塊，是連接不同域內(nèi)信號的功能模塊。

控制電路模型接收來自于主電路模型的輸出信號out，經(jīng)過一系列變換和處理，產(chǎn)生2路互為反相的輸出信號up和down，分別送入主電路模型中，去控制主電路中的器件動作。

3.2 仿真結(jié)果及分析

在仿真模型中選取如下仿真參數(shù)：負(fù)載電阻R=10 kΩ的滑動變阻器，在0.15 s時變?yōu)?0 kΩ用來觀察控制的動態(tài)性能；負(fù)載電感L=3.8 mH；濾波電容C0=30 μF。圖1中的C是大電容，用于向主電路提供穩(wěn)定的直流電壓，C中的電能是由AC/DC整流后得到，約為280 V，仿真中用280 V的直流電壓源直接供給。

圖3 逆變系統(tǒng)控制電路仿真模型

選取不同PI參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到圖4所示的一組輸出逆變電壓的波形。圖中uout為逆變輸出電壓，ugr為標(biāo)準(zhǔn)正弦給定信號。 通過圖4所示的波形及進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：kp越小則相位越滯后，ki越大則幅值越大；但當(dāng)ki增大到一定值時，波形效果越來越失真，直至振蕩消失。ki=300時波形很好；當(dāng)ki=500時，振蕩加劇，波形變差；ki=1 500時，振蕩消失。kp從0.1開始測試，當(dāng)kp=0.5和kp=1已經(jīng)基本沒有區(qū)別了。最終得出當(dāng)kp=0.8，ki=300時控制性能最優(yōu)。

圖4 不同PI參數(shù)控制下的輸出電壓波形

仿真結(jié)果表明：PI控制對逆變電路具有很好的控制效果，能使逆變輸出電壓很好地跟蹤給定電壓的幅值和相位，并且在擾動發(fā)生時，快速動作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無靜差，能夠滿足逆變系統(tǒng)設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

從仿真波形與給定波形的對比可以看出：PI控制使逆變輸出電壓很好地跟蹤給定電壓的幅值和相位，并且在擾動發(fā)生時，系統(tǒng)能夠快速動作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無靜差，起到了很好的控制效果。利用Saber仿真工具輔助PWM逆變電路教學(xué)，不但使仿真波形的獲取容易、準(zhǔn)確，更能使學(xué)生觀察到不同控制參數(shù)對系統(tǒng)輸出的影響，使他們更好地理解閉環(huán)和PI控制的作用以及PWM逆變電路的原理，從而建立起系統(tǒng)級控制的思想。

References)

[1] 李文娟，程靜思，黃懷翀，等.Simplorer在電力電子電路仿真實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31(11)：111-113，120.

[2] 王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3] 李文娟，楊冬陽，周美蘭，等.“電力電子電路分析與仿真實(shí)驗(yàn)”課程建設(shè)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2013，35(4)：37-39.

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[7] 楊浩東，王偉.電力電子教學(xué)中常用仿真軟件對比[J].中國電力教育，2012(3)：112-113.

[8] 夏加寬，韓文澤，顧立天.Saber和Matlab在IGBT動態(tài)特性仿真中的應(yīng)用研究[J].電子世界，2013(23)：68-69.

[9] 秦娟英，池從偉.智能UPS控制技術(shù)研究[J].通信電源技術(shù)，2004，21(2)：25-26.

[10] 王延年.基于DSP的全數(shù)字化在線式UPS的研究[J].電子測量技術(shù)，2008，31(11)：184-186.

[11] 李巖，邢紅宏，蘇學(xué)軍，等.基于Saber仿真軟件的直流電子負(fù)載設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2014，36(4)：106-110.

[12] 楊善水，黃陸建.基于Saber環(huán)境的CCFL建模及仿真技術(shù)[J].電工技術(shù)學(xué)報，2007，22(10)：133-137.

Saber simulation experiment on single-loop single-phase PWM inverter system

Li Wenjuan, Liu Tongzhen, Zhang Jingwei, Lü Luyao

(College of Electrical and Electronic Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China)

In order to make the control flexibility and anti-interference ability of PWM inverter circuit better, an inverter system with the closed-loop control is proposed. The system, in which the single-phase full-bridge voltage inverter source inverter is regarded as the controlled object, has the single closed-loop structure with PI control by feeding the instantaneous output voltage of the inverter. The main circuit model and control circuit model of the inverter system are built upon Saber. The waveforms of the inverter output voltage are compared with those of given voltage under different PI parameters.

inverter; pulse width modulation(PWM); proportional and integral control(PI); Saber

2015- 01- 29 修改日期：2015- 04- 28

黑龍江省高等教育教學(xué)改革資助項(xiàng)目(JG2201201107)

李文娟(1968—)，女，黑龍江哈爾濱，博士，教授，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮友b置與系統(tǒng)、成像質(zhì)量評價.

TM464

A

1002-4956(2015)8- 0109- 03