有源逆变电路建模与仿真.docx
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有源逆变电路建模与仿真
有源逆变电路建模与仿真
摘要:
本文以有源逆变电路为研究对象，介绍了有源逆变电路的工作原理，并对MATLAB/Simulink模块中电力电子仿真所需要的电力系统模块做了简要的说明，介绍了有源逆变电路的主要环节整流及有源逆变的工作原理，并且分析了几种常见的触发角，在此基础上运用MATLAB软件分别对电路的仿真进行了设计；实现了对有源逆变电路的仿真。
关键词：
有源逆变电路;matlab仿真;Simulink
RegenerativeInvertCircuitsmodelingandsimulation
Abstract：
Inthispaper,invertercircuitfortheactivestudy,describedactiveinvertercircuitwork,andmatlab/simulinkmoduleneededtopowerelectronicsimulationpowersystemmoduletodoabriefdescriptionoftheactiveinvertermaincomponents–theactiverectifierandinverterworks,andanalyzedseveralcommontriggerangleonthisbasis,theuseofmatlabsoftwaresimulationwerecarriedoutonthecircuitdesign;implementationofactiveinvertersystem.
Keywords：
Regenerativeinvertcircuits;Matlabsimulation;Simulink
前言
由于近年来逆变技术已经渗透到国民经济的各个领域和人们生活的方方面面，广泛应用于电力系统、交通运输、邮电通信、工业控制等民用领域和航空、航天、航海等国防领域，特别是随着石油、煤和天然气等主要能源日益紧张，新能源的开发和利用越来越受到人们的重视，而利用新能源的关键技术——逆变技术，能将蓄电池、太阳能电池和燃料电池等其他新能源转化的直流电能变换成交流电能与电网并网发电，并网逆变的基础则是有源逆变技术，因此，有源逆变在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位。
有源逆变电路常规的分析方法需要繁琐的绘图和计算过程。
在设计过程中使用Matlab/Simulink工具来辅助设计,可以得到一种较为直观、快捷分析有源逆变电路的新方法。
同时，能用Scope随时地观察仿真波形，使得仿真更具有直观性，实时性。
应用Matlab/Simulink进行仿真，在仿真过程中可以灵活改变仿真参数，并且能直观的观察到仿真结果随参数的变化情况。
鉴与此，我们有必要对有源逆变电路进行一定程度的分析研究，以便能更好的认识有源逆变电路的工作原理，本文正是在基于Matlab/Simulink优秀平台下对有源逆变电路进行仿真，来探讨有源逆变电路的实际运行状态。
1概述
1.1有源逆变电路的概述
1.1.1有源逆变技术的分类和发展
随着电力电子技术的迅猛发展以及各行各业控制技术的发展和对操作性能要求的提高，许多行业的用电设备都不是直接使用通用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种形式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式。
它们的幅值、频率、稳定度及变化方式因用电设备的不同而不尽相同，如充电器、太阳能发电装置、电弧焊电源、交流电动机的变频调速器、加热电源、电动汽车、燃料电池发电系统、绿色照明电源、不间断电源、有源滤波器、市电电源的无功补偿器等等，它们所使用的电能都是通过整流和逆变组合电路对原始电能进行变换后得到的。
现代逆变技术的种类很多，按输出交流的频率、主电路拓扑结构、输出相数等来分类，按逆变器输出能量的去向，可分为有源逆变和无源逆变。
如果把逆变器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变为同频率的交流电反送到电网去，称为有源逆变；如果逆变器的交流侧不与电网联接，而直接接到负载，即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载，则称为无源逆变。
逆变技术的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件的发展带动逆变技术的发展。
最初的逆变电源采用晶闸管（ＳＣＲ）作为逆变器的开关器件，成为可控硅逆变电源，由于ＳＣＲ是一种没有自关断能力的器件，因此必须通过增加换流电路来强迫关断ＳＣＲ，ＳＣＲ的换流电路限制了逆变电源的进一步发展。
随着半导体技术和变流技术的发展，自关断的电力电子器件脱颖而出，相继出现了电力晶体管（ＧＴＲ）、可关断晶闸管（ＧＴＯ）、功率场效应晶体管（ＭＯＳＦＥＴ）、绝缘栅双极型晶体管（ＩＧＢＴ）等等。
由于自关断器件的使用，使得开关频率得以提高，从而逆变桥输出电压中低次谐波的频率比较高，使输出滤波器的尺寸得以减小，而且对非线性负载的适应性得以提高。
一般认为，逆变技术的发展可以分为如下三个阶段：
1956，－－－1980年为传统发展阶段。
这个阶段的特点是：
开关器件以低速器件为主，逆变器的开关频率较低，波形改善以多重叠加法为主，体积重量较大，逆变效率低，正弦波逆变器开始出现，晶闸管SCR的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件。
1981～2000年为高频化新技术阶段。
这个阶段的特点是：
开关器件以高速器件为主，逆变器的开关频率较高，波形改善以ＰＷＭ法为主，体积重量较小，逆变效率高，正弦波逆变技术发展日趋完善，微电子技术的发展使新近的控制技术如矢量控制技术、多电平变换技术、重复控制、模糊控制等技术在逆变领域得到了较好的应用，极大的促进了逆变器技术的发展。
2000年至今为高效低污染阶段。
这个阶段的特点是以逆变器的综合性能为主，低速与高速开关器件并用，多重叠加法与ＰＷＭ法并用，不再偏向追求高速开关器件与高开关频率，高效环保的逆变技术开始出现。
随着功率开关器件向高压大容量化、集成化、全控化、高频化及多功能化的方向发展，材料学科的超导材料和软磁材料的惊人发展速度以及智能化控制技术、信息网络技术的发展，逆变技术正朝着高功率密度、高变换效率、高可靠性、无污染、智能化的方向发展。
1.1.2有源逆变技术的应用
随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高，有源逆变技术在许多领域获得了越来越广泛的应用。
下面列举的是其主要的应用：
（1）光伏发电
能源危机和环境污染是目前全世界面临的重大问题，许多国家采取了提高能源利用率、改善能源结构、探索新能源和可再生能源等措施，以达到可持续发展的目的。
开发利用新能源和可再生能源是21世纪世界经济发展中最具决定性影响的技术之一，充分开发利用太阳能、风能、潮汐能和地热能等可再生能源是世界各国可持续发展的能源战略决策，其中光伏发电最受瞩目。
有源逆变一般用于大型光伏发电站（>10kW）的系统中，很多并行的光伏组串被连到同一台集中逆变器的直流输入端，一般功率大的使用三相的IGBT功率模块，功率较小的使用场效应晶体管，同时使用DSP转换控制器来改善所产出电能的质量，使它非常接近于正弦波电流。
最大特点是系统的功率高，成本低。
但受光伏组串的匹配和部分遮影的影响，导致整个光伏系统的效率和电产能。
同时整个光伏系统的发电可靠性受某一光伏单元组工作状态不良的影响。
最新的研究方向是运用空间矢量的调制控制，以及开发新的逆变器的拓扑连接，以获得部分负载情况下的高的效率。
（2）不间断电源系统（ＵＰＳ）
UPS（UninterruptiblePowerSuPPly）的全称是不间断电源系统，顾名思义，UPS是一种能为负载提供连续的不间断电能供应的系统设备。
UPS最早的应用，应该是一些特殊的领域，比如：
医院的手术室供电保障、电台/电视台的节目播出系统供电、军事应用等等。
今天计算机技术、信息技术及其相关产业飞速发展，计算机在各行各业得到了广泛应用，于是UPS似乎也成了计算机系统设备的一个部分。
越来越多的重要数据、图象、文字由计算机处理和存贮，如果在工作中间突然停电，必然导致随机存贮器中的数据和程序丢失或损坏；更严重的是，如果此时计算机的读写磁头正在工作的话，极易造成磁头或磁盘的损坏；假如这些数据是在银行清算系统或是证券交易等系统中丢失的话，后果更将不堪设想。
不间断电源的核心技术就是将蓄电池中的直流电能逆变为交流电能的逆变技术。
（3）电动机制动再生能量回馈
在变频调速系统中，电动机的减速和停止都是通过逐渐减小运行频率来实现的，在变频器频率减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电动机的转子转速未变，或者说，它的转速变化是有一定时间滞后的，这时会出现实际转速大于给定转速，从而产生电动机反电动势高于变频器直流端电压的情况，这时电动机就变成发电机，非但不消耗电网电能，反而可以通过变频器专用型能量回馈单元向电网送电，这样既有良好的制动效果，又将动能转变化为电能，向电网送电而达到回收能量的效果。
交流电动机和直流电动机在制动过程中都会处于发电状态而使直流母线电压泵生。
采用有源逆变系统将能量回馈到交流电网而代替传统的电阻能耗制动，既节约了电能，又提高了安全性能。
回馈制动采用的是有源逆变技术，将再生电能逆变为与电网同频率同相位的交流电回送电网，从而实现制动。
（4）直流输电
由于交流输电架线复杂、损耗大、电磁波污染环境，所以直流输电是一个发展方向。
直流输电目前主要用于：
①远距离大功率输电；②联系不同频率或相同频率而非同步运行的交流系统；③作网络互联和区域系统之间的联络线（便于控制、又不增大短路容量）；④以海底电缆作跨越海峡送电或用地下电缆向用电密度高的大城市供电；⑤在电力系统中采用交、直流输电线的并列运行，利用直流输电线的快速调节，控制、改善电力系统的运行性能。
首先把交流电整流成高压直流再进行远距离输送，然后再逆变成交流电供给用户。
随着电力电子技术的发展，大功率可控硅制造技术的进步、价格下降、可靠性提高，换流站可用率的提高，直流输电技术的日益成熟，直流输电在电力系统中必然得到更多的应用。
当前，研制高压直流断路器、研究多端直流系统的运行特性和控制、发展多端直流系统、研究交直流并列系统的运行机理和控制，受到广泛的关注。
许多科学技术学科的新发展为直流输电技术的应用开拓着广阔的前景，多种新的发电方式──磁流体发电、电气体发电、燃料电池和太阳能电池等产生的都是直流电，所产生的电能要以直流方式输送，并用逆变器变换送入交流电力系统；极低温电缆和超导电缆也更适宜于直流输电，等等。
今后的电力系统必将是交、直流混合的系统。
以上分别介绍了在城市供电、电气传动、交通运输、通信、电力系统等领域中的主要应用，此外在工业生产（如化学电源）、医疗设备（如医用电源）、家用电器、航空逆变器、舰船逆变器、变频电源及充电机等都会用到有源逆变技术。
总之，有源逆变技术已经涉及各行各业，以及各种领域的电源设备。
1.2SIMULINK/POWERSYSTEM概述
1.2.1SIMULINK简介
Simulinnk是themathworks公司于1990年推出的产品，是在matlab环境下建立系统框图的和仿真的模块库。
Simu一词表明它可以用于计算机模拟，而link一词表明它能进行系统连接，即把一系列模块连接起来，构成复杂的系统模型。
正是由于simulink的这两大功能和特色，使它成为仿真领域首选的计算机环境。
Sinulink环境下可以使用的电力系统仿真模块库（powersystemblockset）主要是由加拿大的hydroQuebec和tecsiminternational公司共同开发的，其功能非常强大，可以用于电路电子系统，电机系统，电力传输系统等领域的仿真，提供一种类似电路搭建的方法用于系统模拟的绘制。
在matlab命令窗口中给出simulink命令，或单击matlab工具栏的simulink图标则可打开simulink模型库窗口。
图1.1Simulink模型库界面
（1）：
连续模块组及其用途
连续模块组包括的主要模块及其图标如图所示
图1.2连续模块组
表1.1连续模块组及其用途
模块名称
模块用途
Derivative
对信号输入进行微分
Integrator
对信号输入进行微分
Memory
输出本模块上一步的输入值
State-Space
建立一个线性状态空间模型
TransferFcn
建立一个线性传递函数模型
TransportDelay
对输入信号进行给定量的延迟
VaribleTransportDalay
对输入信号进行不定量的延迟
Zerp-Pole
以零极点形式建立一个传递函数模型
（2）：
离散模块组及其用途
图1.3离散模块组
表1.2离散模块组及其用途
模块名称
模块用途
模块名称
模块用途
Discrete
建立离散滤波器
Discrete-TimeIntergrater
对一个信号进行离散时间积分
DiscreteState-Space
建立一个离散状态空间模型
First-OrderHold
建立一阶采样保持器
DiscreteTransrerFcn
建立一个离散传递函数
UnitDelay
对采样信号保持，延迟一个采样周期
DiscreteZero-Pole
建立一个零极点形式离散传递函数
Zero-OrderHold
建立零阶保持器
（3）：
函数与表模块组及其用途
图1.4函数与表模块组
表1.3函数与表模块组及其用途
模块名称
模块用途
模块名称
模块用途
Look-UpTable
建立一维输入信号巡查表
Fcn
求取输入信号的熟悉函数值
Look-UpTable（2-D）
建立两维输入信号巡查表
MATLABFcn
用MATLAB现有函数运算
Look-UpTable（n-D）
建立n维输入信号巡查表
S-Function
调用s函数的程序
proLook-UpIndexSearch
查找输入信号所在范围
S-FunctionBuilder
S函数生成器
Interpolation（n-D）usingPreLook-Up
对输入信号进行内差运算
Polynomial
多项式求值
DirectLook-UpTable（n-D）
从表中选择数据
（4）：
数学运算模块组
（5）：
非线性系统模块组
（6）：
信号与系统模块组
（7）：
模块组输出及
（8）：
输入源模块组
1.2.2POWERSYSTEM简介
在MATLAB命令窗口中键入powerlib命令，则可以得到下图的模块库。
当然，电力系统模块库还可以从Smulink模块浏览窗口中直接启动。
在该模块库中有很多模块组，主要有电源（Electricalsources），元件（Elements），电力电子（PowerElectronics），电机系统（Machines）,连接器（Conectors），测量（Measuements），附加（Extras），演示（Demos）模块组等。
图1.5Smulink模块库
（1）：
电源（Electricalsources）模块组
电源模块组包括直流电压源，交流电压源，交流电流源，受控电压源和受控电流源基本模块等。
图1.6电源（Electricalsources）模块组
（2）：
测量（Measuements）模块组
测量模块组包括电压表，电流表，阻抗表，多用表模块组和各种附加的子模块组等基本模块。
图1.7测量（Measuements）模块组
（3）：
元件（Elements）模块组
元件模块组包括各种电阻，电容，电感元件，各种变压器元件，另外还有一个附加的三相件子模块组。
图1.8元件（Elements）模块组
（4）：
电力电子（PowerElectronics）模块组
电力电子模块组包括理想开关，二极管，晶闸管，可关断晶闸管，功率MOS效应管，绝缘门极晶体管等模块。
图1.9电力电子（PowerElectronics）模块组
（5）：
电机系统（Machines）模块组
电动机系统模块组包括简单同步电动机，永磁同步电动机，直流电动机，异步电动机，汽轮机和调节器等模块。
图1.10电机系统（Machines）模块组
（6）：
连接器（Conectors）模块组
连接器模块组包括10个常用的连接器模块。
（7）：
附加（Extras），演示（Demos）模块组
演示模块组主要是提供一些演示事例。
附加模块组则包括了上述各模块组中的各个附加子模块组。
图1.11附加（Extras），演示（Demos）模块组
图1.12附加测量（Measuements）子模块组
图1.13离散型附加测量（DiscreteMeasurements）子模块组
图1.14附加控制（ControlBlocks）子模块组
以上我们简要介绍了MATLAB的Simulink和PowerSystem模块库所包含的模块内容。
1.3研究的目标、内容
我们知道，在工程实际中，有源逆变电路的结构往往很复杂，如果不借助专用的系统建模软件，则很难准确地把一个有源逆变电路的复杂模型进行分析，MATLAB语言是一种功能强大的计算机辅助设计和仿真语言，尤其它提供的SIMULINK仿真工具具有图形化、模块化的界面，易于实现控制系统的仿真，因而倍受人们的青睐。
本论文的目标、内容和拟解决的关键问题
1.单相桥式全控整流及有源逆变电路的建模与仿真
2.三相半波有源逆变电路的建模与仿真
3.三相桥式有源逆变电路的建模与仿真
2有源逆变电路的结构及原理
2.1单相桥式有源逆变电路
在实际生活中，往往会出现需要将直流电能变换为交流电能的情况。
例如，应用晶闸管的电力机车，当机车下坡运行时，机车上的直流电机将由于机械能的作用作为直流发电机运行，此时就需要将直流电能变换为交流电能回送电网，以实现电机制动。
又如，运转中的直流电机，要实现快速制动，较理想的办法是将该直流电机作为直流发电机运行，并利用晶闸管将直流电能变换为交流电能回送电网，从而实现直流电机的发电机制动。
相对于整流而言，逆变是它的逆过程。
整流装置在满足一定条件下可以作为逆变装置应用。
即同一套电路，既可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态，这样的电路统称为变流装置。
变流装置如果工作在逆变状态，其交流侧接在交流电网上，电网成为负载，在运行中将直流电能变换为交流电能并回送到电网中去，这样的逆变过程就称为“有源逆变”。
2.1.1电源间能量的变换关系
（a）同极性连接E1>E2；（b）同极性连接E2>E1；（c）反极性连接
图2.1两个电源间能量的传送
（1）图2.1（a）表示直流电源E1和E2同极性相连。
当E1＞E2时，回路中的电流为
（1）
式中R为回路的总电阻。
此时电源E1输出电能E1I，其中一部分为R所消耗的I2R，其余部分则为电源E2所吸收的E2I。
注意上述情况中，输出电能的电源其电势方向与电流方向一致，而吸收电能的电源则二者方向相反。
（2）在图2.1（b）中，两个电源的极性均与图2.1（a）中相反，但还是属于两个电源同极性相连的形式。
如果电源E2＞E1，则电流方向如图，回路中的电流I为
（2）
此时，电源E2输出电能，电源E1吸收电能。
（3）在图2.1（c）中，两个电源反极性相连，则电路中的电流I为
（3）
此时电源E1和E2均输出电能，输出的电能全部消耗在电阻R上。
如果电阻值很小，则电路中的电流必然很大；若R=0，则形成两个电源短路的情况。
综上所述,可得出以下结论：
（1）两电源同极性相连，电流总是从高电势流向低电势电源，其电流的大小取决于两个电势之差与回路总电阻的比值。
如果回路电阻很小，则很小的电势差也足以形成较大的电流，两电源之间发生较大能量的交换。
（2）电流从电源的正极流出，该电源输出电能；而电流从电源的正极流入，该电源吸收电能。
电源输出或吸收功率的大小由电势与电流的乘积来决定，若电势或者电流方向改变，则电能的传送方向也随之改变。
（3）两个电源反极性相连，如果电路的总电阻很小，将形成电源间的短路，应当避免发生这种情况。
2.1.2基本工作原理
（a）提升重物；（b）放下重
物
图2.2直流卷扬系统
（1）整流工作状态（0＜α＜π/2）
图2.2所示为直流卷扬系统，对于单相全控整流桥，从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度称为控制角，当控制角α在0～π/2之间的某个对应角度触发晶闸管时，上述变流电路输出的直流平均电压为Ud=Udocosα，因为此时α均小于π/2，故Ud为正值。
在该电压作用下，直流电机转动，卷扬机将重物提升起来，直流电机转动产生的反电势为ED，且ED略小于输出直流平均电压Ud，此时电枢回路的电流为
（4）
（2）中间状态（α=π/2）
当卷扬机将重物提升到要求高度时，自然就需在某个位置停住，这时只要将控制角α调到等于π/2的位置，变流器输出电压波形中，其正、负面积相等，电压平均值Ud为零，电动机停转，反电势ED也同时为零。
此时，虽然Ud为零，但仍有微小的直流电流存在。
注意，此时电路处于动态平衡状态，与电路切断、电动机停转具有本质的不同。
（3）有源逆变工作状态（π/2＜α＜π）
上述卷扬系统中，当重物放下时，由于重力对重物的作用，必将牵动电机使之向与重物上升相反的方向转动，电机产生的反电势ED的极性也将随之反相。
如果变流器仍工作在α＜π/2的整流状态，从上面曾分析过的电源能量流转关系不难看出，此时将发生电源间类似短路的情况。
为此，只能让变流器工作在α＞π/2的状态，因为当α＞π/2时，其输出直流平均电压Ud为负，出现类似图2.1（b）中两电源极性同时反向的情况，此时如果能满足ED＞Ud，则回路中的电流为
（5）
电流的方向是从电势ED的正极流出，从电压Ud的正极流入，电流方向未变。
显然，这时电动机为发电状态运行，对外输出电能，变流器则吸收上述能量并馈送回交流电网去，此时的电路进入到有源逆变工作状态。
2.1.3问题的提出
接下来深入分析上述电路，电路在α＞π/2时是否能够工作？
如何理解此时输出直流平均电压Ud为负值的含义?
上述晶闸管供电的卷扬系统中，当重物下降，电动机反转并进入发电状态运行时，电机电势ED实际上成了使晶闸管正向导通的电源。
当α＞π/2时，只要满足Ed＞|u2|，晶闸管就可以导通工作，在此期间，电压ud大部分时间均为负值，其平均电压Ud自然为负，电流则依靠电机电势ED及电感Ld两端感应电势的共同作用加以维持。
正因为上述工作特点，才出现了电机输出能量，变流器吸收并通过变压器向电网回馈能量的情况。
（1）外部条件
务必要有一个极性与晶闸管导通方向一致的直流电势源。
这种直流电势源可以是直流电机的电枢电势，也可以是蓄电池电势。
它是使电能从变流器的直流侧回馈交流电网的源泉，其数值应稍大于变流器直流侧输出的直流平均电压。
（2）内部条件
要求变流器中晶闸管的控制角α＞π/2，这样才能使变流器直流侧输出一个负的平均电压，以实现直流电源的能量向交流电网的流转。
上述两个条件必须同时具备才能实现有源逆变。
对于半控桥或者带有续流二极管的可控整流电路，因为它们在任何情况下均不可能输出负电压，也不允许直流侧出现反极性的直流电势，所以不能实现有源逆变。
2.2三相半波有
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