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基于Matlab/Simulink的正弦波逆变电路仿真研究

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分享到: 本站编辑:admin 日期: 2010-08-03 22:57 点击:

  引言
 在电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等的设计过程中,Simulink中的电力系统仿真模块集( SimPowerSystems)的使用大大提高了设计效率、缩短了设计周期。Matlab/ Simulink提供的电力电子电路系统建模与仿真工具为电力电子技术的研究与应用提供了较为理想的工具。
 小型风力发电系统的使用日益广泛,逆变技术在风力发电系统中是一个极其关键的技术,它承担着将直流电调制成稳压稳频的交流电直接供给负载的任务。本文选择1000W的正弦波逆变器为设计对象,通过理论分析、参数计算和模型仿真来研究正弦波逆变器输出电压的稳定性。
1  逆变电路的拓扑结构
 电压源型逆变电路的拓扑结构主要有两类:一类是单向电压源高频环节逆变电路;另一类是双向电压源高频环节逆变电路。双向电压源高频环节逆变电路适用于需要双向功率流的逆变场合。这类逆变器存在采用传统PWM技术的周波变换器换流时漏感能量引起的电压过冲现象,通常需要采用缓冲电路或有源电压箝位电路来吸收存储在漏感中的能量,从而使变换效率不够理想,增添了电路的复杂性。本文采用单向电压源高频环节逆变器结构,如图1所示。在直流电源和逆变器之间加入一级高频电气隔离直流变换器,使用高频变压器实现电压比调整和电气隔离,省掉了体积庞大且笨重的工频输出变压器,降低了音频噪声,显著提高了逆变器的特性。
 
 图1  单向电压源高频环节逆变器结构
电路原理图如图2所示。前置DC/DC变换级电路采用双管正激变换电路,这种双管单端正激电路比单管正激电路多用了一个开关管,但其主功率管承受的电压降低了一倍,同时变压器少了一个磁通复位绕组。克服了推挽电路必须有良好的对称性的要求。与全桥变换电路相比,全桥变换器功率器件较多,控制及驱动较复杂,并且变压器铁芯存在直流偏磁现象, 桥臂存在直通现象。
 后置DC/AC逆变级电路采用电压型全桥逆变电路,电压型单相全桥逆变电路,其全控型开关器件,V5、V7同时通、断;V6、V8同时通、断;输出电压有效值为:0.9VD。V5和V7为一对,V6和V8为另一对。成对的桥臂同时导通,交替各导通180度。输出电压、电流的幅值为半桥电路输出幅值的两倍。克服了半桥电路直流侧串联电容的电压均衡问题。
 
 
 图2  逆变电路的原理图
 
2  仿真模型的建立
2.1  控制策略
 前置DC/DC双管正激调压电路采用PWM控制方式,由输出端的反馈调压电路采样输出电压信号并与给定信号比较,当输出电压降低时,反馈电压下降,控制芯片的输出脉冲占空比增加,从而使调压电路的输出电压升高。反之亦然。
 后置DC/AC全桥逆变电路采用SPWM控制方式,由控制芯片产生SPWM控制信号控制IGBT的通断,控制过程中保持调制比不变。
2.2  仿真模型
 根据以上分析得出仿真电路模型如图3所示。其中,直流输入电压取48V;单极LC直流输入滤波环节中,为了使输入电流平稳化和谐波降低到允许值,设置输入滤波器。输入滤波器有双重功能,既能用来抑制从直流电源来的瞬变量,又能抑制逆变器或直流变换器对直流电源产生的瞬变量和噪音。谐波次数越高,对应的电源侧谐波次数的分量就越小,并且可以通过如下方来降低电源侧谐波电流:(1)增大脉动直流电流基波的角频率,即逆变器或直流变换器的开关角频率;(2)增大滤波电感L、滤波电容C即减小LC输入滤波器的谐振角频率;(3)增大输入电源内阻;(4)相同输出功率时,提高逆变器或直流变换器的占空比,减小脉动直流电流的幅值。
 由公式:=(2-3)
 取直流升压电路的工作频率为10kHz,电感量为5H,电容量为2200F,则:
 =2f=2×3.14×104  rad/s
 =1/=9534.6  rad/s
 满足条件。 直流升压电路的工作频率为10kHz,D为0.45;变压器变比为0.068;不可控整流电路输出电压不是恒定的直流电压,中除直流平均值外,还含有谐波电压。因此,必须在整流电路的输出端与负载之间接入LC滤波器。滤波电感L的重量、体积相对于电容要大得多,因此通常取较小的L和较大的C组成LC滤波器。
 L2=0.5H
 C2≥2•TS/R=2×1111/104×3152=2.2F取10F;
 全桥逆变电路的调制比为0.6;单相正弦波逆变器的输出功率为PO=1000W,输出电压U=220V,频率为50Hz。当输出电压基波频率为50Hz时,滤波器截止频率fc通常在100Hz—400Hz左右。取300Hz。
 负载电阻RL=U2/P=2202/1111=43.56
 R取1/2 RL=21.78
 L3≥R/2fc=21.78/(2×3.14×300)=11.56mH     
 C3≥1/2fcR =1/(2×3.14×300×21.78)=24.37F    电感取65 mH,电容取80F;负载为等效额定负载。
   
 图3  仿真电路模型
 
2.2  仿真结果及分析
 根据负载性质的不同,分别进行阻性负载、感性负载、容性负载的仿真实验。阻性负载R为48.4;感性负载的阻抗角由小到大分别取值;容性负载的阻抗角相应的由小到大分别取值。仿真实验结果的输出电压值进行FFT分析,电压的变化趋势和THD的变化趋势如图4和图5所示:
 
 图4  电压变化趋势图
 
 图5  THD变化趋势图
 从图中可以看出,这个正弦波逆变电路带阻性负载、感性负载时的电压比较稳定,THD保持在5%左右;带容性负载时,由于电容值的增大,输出电压的变化率受到电容的抑制,电压升压缓慢,电压值有所下降;同时,随着阻抗角的增大,输出电压的波形接近于方波,THD也随之增加。
3  结论
 由单向电压源高频环节逆变器的结构得出满足设计要求的正弦波逆变器电路,根据理论计算来设置模型参数,并由仿真结果判断出正弦波逆变器的稳定性。同时,建立正弦波逆变技术的设计思想和控制策略,为实现逆变装置提供参数选择的原则,使风力发电系统取得更高的电气性能,向更高的层次迈进。

参考文献
 [1]  郭龙钢,刘兆魁.基于Matlab/Simulink的电力电子电路仿真[J].河南科技大学学报,26(5),pp42~46,2005.

  

本文出自:http://www.starlunwen.net/dianlixitongzidonghua/60126.html

本文TAGS:仿真 研究 电路 基于 电压 逆变 输出 直流 负载 控制

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