能量雙向流動交直流電源變換器系統(tǒng)的仿真分析案例1.1仿真平臺的建立1.1.1基于SVPWM控制的三相VSR仿真的建立圖1.1基于SVPWM控制的三相VSR的原理框圖圖1.1為一個基于整流SVPWM整流控制的三相脈沖整流控制器回路模型設(shè)計框圖，它主要有三個整流控制脈沖回路共同設(shè)計組成其中三相整流控制器的回路主要功能包含有控制輸入脈沖電流和控制輸出脈沖電壓的自動檢測、坐標(biāo)系的變換、PI脈沖控制器和基于SVPWM控制脈沖的信號產(chǎn)生等幾個部分。其工作原理就是：用坐標(biāo)變換將三相靜止坐標(biāo)系變?yōu)閮上嘈D(zhuǎn)坐標(biāo)系來進(jìn)行解耦。以電壓環(huán)為外環(huán)，其中輸出電流高的環(huán)境被稱為內(nèi)部。對于檢測輸入的輸出電流和送入輸出直流控制電壓分別同時進(jìn)行了自動檢測，一方面，將輸入檢測值與送出輸入的一個給定輸出值和輸入電流電壓進(jìn)行自動比較后又再送入一個PI直流控制脈沖調(diào)節(jié)器，輸出的給定值和輸入電流電壓進(jìn)行自動比較并將其中的送出輸入值和輸出電流控制信號分別送入一個PI脈沖控制器進(jìn)行轉(zhuǎn)變后成為檢測輸出的輸入電壓控制信號，在輸出經(jīng)過一個坐標(biāo)脈沖變換后又再送入一個SVPWM經(jīng)過脈沖變換產(chǎn)生的電流控制電路單元，完成了對輸出電壓的閉環(huán)控制；另一方面，將經(jīng)過檢測其中得到的送出輸入值和電流電壓通過一個坐標(biāo)脈沖變換與檢測輸出的輸入給定值和電流電壓進(jìn)行了自動比較，送入一個PI脈沖控制器進(jìn)行轉(zhuǎn)變后成為輸入電壓控制信號，再經(jīng)過一個坐標(biāo)脈沖變換后又再送入一個SVPWM經(jīng)過脈沖變換產(chǎn)生的輸出電流控制單元，完成了輸出電流控制閉環(huán)。矢量函數(shù)控制處理單元主要是通過進(jìn)行矢量函數(shù)運(yùn)算,生成控制所需的PWM濾波，控制輸入能量雙向穩(wěn)定流動的一對交直流移動電源電壓變換器，達(dá)到控制輸出輸入電壓的穩(wěn)定和控制輸入電壓互聯(lián)網(wǎng)側(cè)的雙向交流能源電流正向的弦化。根據(jù)對雙閉環(huán)空間向量控制策略的分析以及圖1.1，利用MATLAB/SIMULINK方法來搭建該系統(tǒng)的仿真和設(shè)計模型。下面將結(jié)合幾個主要的模塊及總電路仿真模型進(jìn)行構(gòu)建：（1）SVPWM模型前面這個章節(jié)介紹我們可知，產(chǎn)生SVPWM波的步驟主要有以下幾步：1、判斷一個空間向矢的扇區(qū)；2、利用這兩個公式分別求得X、Y、Z的取平均值；3、根據(jù)一個空間向量所在的扇區(qū)，分別可以計算到這個扇區(qū)中IGBT的導(dǎo)通時間T1、T2；4、根據(jù)所在的扇區(qū)來確定一個空間中電壓向量的切換點Ton1、Ton2、Ton3；5、依靠空間向量切換點的導(dǎo)通IGBT來制造PWM波形。圖1.2SVPWM仿真模型（2）三相靜止/兩相靜止坐標(biāo)變換根據(jù)前面介紹的3s/2s變換公式：可以得到3s/2s的仿真模型如下：圖1.32s/2s模型（3）兩相靜止/兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變化同理可由2s/2r變換公式：得到2s/2r變換的仿真模型：圖1.42s/2r模型（4）兩相旋轉(zhuǎn)/兩相靜止坐標(biāo)變換根據(jù)2r/2s反變換的公式：得到的2r/2s反變換的仿真模型如下：圖1.52r/2s模型以上模塊建立以后，再將主電路和電壓環(huán)和電流環(huán)建立，便可以組建整個系統(tǒng)的仿真模型如圖1.6所示：圖1.6基于SVPWM控制的三相VSR仿真模型

1.1.2基于虛擬電網(wǎng)磁鏈定向矢量控制的三相仿真模型的建立圖1.7基于虛擬電網(wǎng)磁鏈定向的矢量控制原理框圖相對于基于電壓定向的空間矢量控制，基于虛擬電網(wǎng)磁鏈定向的矢量控制的不同之處在于省去了電網(wǎng)側(cè)電壓傳感器，通過虛擬電網(wǎng)磁鏈的估計，進(jìn)行角的估計。所以需要磁鏈觀測器，根據(jù)第三章的介紹，根據(jù)虛擬電網(wǎng)磁鏈的公式：（1.1）以及如圖1.8設(shè)計出來的一種虛擬電網(wǎng)磁鏈檢測儀仿真模型如下：圖1.8虛擬電網(wǎng)磁鏈觀測器模型由前面介紹我們知道，可以利用電壓進(jìn)行積分來求得虛擬網(wǎng)絡(luò)電網(wǎng)的磁鏈。直接進(jìn)行積分時得到的結(jié)果中就會包括了與積分的初始值無關(guān)的直流偏置。如果以此方式得到的電子磁鏈來對其進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，則我們就會發(fā)現(xiàn)它錯了。實際上就是相當(dāng)于一個純積分器再添加一個一階高通濾波器，從而可以達(dá)到消除直流電極偏置。當(dāng)然，高通濾波器也會造成某些得幅值和相位誤差。但只要我們選擇了合適的攔截頻率，無差異在工程上就可以忽略不計。現(xiàn)在對純積分環(huán)節(jié)和本文采用的低通濾波器進(jìn)行仿真對比，觀察效果。圖1.9觀測器的輸出對比波形從圖1.9可以看出，純積分器的輸出有明顯的幅值和相位偏移，而采用低通濾波器后的輸出雖在幅值和相位上依然存在一定的誤差，但可以明顯的看出輸出波形得到了較大的改善。系統(tǒng)的其他模塊和SVPWM系統(tǒng)是類似的，可做相應(yīng)修改。基于虛擬電網(wǎng)磁鏈定向的矢量控制仿真模型如圖1.10所示：圖1.10基于虛擬磁鏈定向的矢量控制三相VSR仿真模型圖5.12基于虛擬磁鏈定向的三相VSR仿真模型圖5.12基于虛擬磁鏈定向的三相VSR仿真模型1.2參數(shù)設(shè)置及仿真結(jié)果在開始進(jìn)行系統(tǒng)仿真之前，還可能需要首先確定系統(tǒng)仿真和模型其中的兩個系統(tǒng)仿真參數(shù)，利用第4章和第5章的綜合分析結(jié)果，同時可以結(jié)合設(shè)計的要求來準(zhǔn)確地計算出三相VSR集成電路的一些基本參數(shù)：樣機(jī)額定容量為12KW，交流側(cè)電壓峰值為130V，直流側(cè)輸出要大于倍的交流側(cè)電壓峰值，，在這里選擇系統(tǒng)工作在額定功率條件下直流側(cè)電壓穩(wěn)定在600V，則直流側(cè)額定電流為=20A，那么直流側(cè)的負(fù)載電阻R==30，考慮到整流器的效率問題，可以計算得到交流側(cè)電流有效值約為，峰峰值為?？紤]到整流效果，輸出濾波時間常數(shù)，則可計算得到直流側(cè)電容約為2000.對于進(jìn)線電感，從第5章的討論我們知道，從滿足功率指，從滿足瞬態(tài)電流跟蹤指標(biāo)考慮有，，計算得，再考慮到功率損耗選取進(jìn)線電感L=2，進(jìn)線電阻取。突變時負(fù)載從30減少為20?，F(xiàn)將參數(shù)設(shè)置總結(jié)如下：額定功率：12KW額定交流電壓：130V直流側(cè)輸出電壓：600V進(jìn)線電感：2進(jìn)線電阻：0.1直流側(cè)電容：2000負(fù)載突變后值：20突變時間：0.4S開關(guān)頻率：2KHz仿真算法選擇ode23tb(stiff/TR-BDF2)，類型為Variable-step，采樣時間。1.2.1基于電壓定向的空間矢量控制策略仿真結(jié)果仿真的結(jié)果如下所示：圖1.11三相電壓波形圖1.12直流側(cè)電壓響應(yīng)波形圖1.13網(wǎng)側(cè)交流電壓和電流對照波形圖1.14網(wǎng)側(cè)三相電流波形圖1.15負(fù)載突變時直流電壓響應(yīng)圖1.16負(fù)載突變時網(wǎng)側(cè)單相電壓和電流響應(yīng)圖1.17負(fù)載突變時網(wǎng)側(cè)三相電流響應(yīng)圖1.18負(fù)載突變時直流側(cè)電流響應(yīng)結(jié)果分析：由以上兩種響應(yīng)的波形我們可以清楚地看出，系統(tǒng)所需要選擇的雙閉環(huán)電壓定向空間矢量控制策略都是具有良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性。從圖1.13可以清楚地看出：的超調(diào)精度小于10%，調(diào)節(jié)持續(xù)時間精度小于0.1s，穩(wěn)態(tài)時的精度誤差范圍約為±3V。從圖1.14中我們可以清楚地看出它們是一種可以被控制的相電壓和相電流幾乎相等的相位，即其功率因數(shù)基本是1。從圖1.16~圖1.19中我們可以清楚地看出，雖然當(dāng)一個突加的負(fù)載發(fā)生故障時，整流器的輸入側(cè)電流幅值已經(jīng)變大并且只有少許波動，但很快就會逐漸恢復(fù)成正弦波，同時輸出側(cè)的直流電壓也在降低，但很快又會恢復(fù)成一個給定的600V直流電壓。通過這個仿真的結(jié)果我們可以知道，一種采用空間式電壓矢量控制的整流器在工作時具有良好的動態(tài)特點和穩(wěn)定性。1.2.2基于虛擬電網(wǎng)磁鏈定向矢量控制的仿真結(jié)果圖1.19三相網(wǎng)側(cè)電壓波形圖1.20直流側(cè)電壓響應(yīng)圖1.21網(wǎng)側(cè)單相電壓電流響應(yīng)圖1.22網(wǎng)側(cè)三相電流響應(yīng)圖1.23負(fù)載突變時直流電壓響應(yīng)圖1.24負(fù)載突變時網(wǎng)側(cè)單相圖1.25負(fù)載突變時網(wǎng)側(cè)三相電流響應(yīng)圖1.26負(fù)載突變時直流電流響應(yīng)圖1.27啟動時的沖擊電流結(jié)果摘要分析：由以上的系統(tǒng)響應(yīng)頻率波形我們已經(jīng)可以清楚地明顯看出，系統(tǒng)所選擇需要進(jìn)行選擇的策略是一種基于虛擬交流電網(wǎng)中對磁鏈定向的高速矢量動態(tài)控制策略，它與它的SVPWM矢量控制策略具有相似的高速動態(tài)控制性能和好的穩(wěn)態(tài)控制性能。從上下圖1.20中我們已經(jīng)可以清楚地明顯看出:的精度超調(diào)較小，調(diào)節(jié)時對持續(xù)時間值的要求一般不在0.1S，穩(wěn)態(tài)時的調(diào)節(jié)精度值和誤差因此要求更小。從以上圖1.21中我們已經(jīng)可以清楚地明顯看出它們分別是一種基本可以被直接控制的相相位電壓和控制相電流幾乎基本相等的控制相位，即其控制功率值的因數(shù)基本上都是1。從下表圖1.23~1.26中我們已經(jīng)可以清楚地明顯看出，雖然現(xiàn)在當(dāng)一個電壓突加的直流負(fù)載設(shè)備發(fā)生整流故障時，整流器的一個輸入側(cè)輸出電流波的幅值已經(jīng)逐漸變大并且只有少許輕微波動，但很快就可能會逐漸慢慢恢復(fù)轉(zhuǎn)變成正弦波，同時直流輸出另一側(cè)的直流輸入電壓也在逐漸降低，但很快又可能會逐漸恢復(fù)轉(zhuǎn)變成一個原本給定的600V直流輸出電壓。通過這個模擬仿真的實驗結(jié)果我們不僅可以簡單知道，一種能夠采用新型虛擬交流電網(wǎng)進(jìn)行磁鏈定向的新型矢量電流控制驅(qū)動整流器在系統(tǒng)設(shè)計上必須具有良好的運(yùn)行動態(tài)性、抗干擾能力和運(yùn)行穩(wěn)定性。圖1.27顯示啟動過程中有較大的電流沖擊有以下原因：1、在起動時輸出的電源和導(dǎo)體之間的直流母線實際供電電壓和指令之間的值相差太大；2、在電子動力學(xué)中，由于電磁鏈在估計過程中對于空間向量的偏置角度會產(chǎn)生較大的誤差；3、在動態(tài)工況下，實際電流環(huán)對于電流指令的跟蹤也是需要一個步驟，易于使得電流環(huán)的輸出有限幅而使得電流環(huán)產(chǎn)生了弱化和調(diào)節(jié)的作用；4、三相全控橋?qū)τ诮涣鱾?cè)輸入的最