基于MATLAB的高功率因數(shù)整流器仿真實驗平臺研究

1 概述
    簡單系統(tǒng)可直接建立模型，并分析模塊之間的相互關系以及模塊輸入輸出關系。但對相對復雜的系統(tǒng)，Simulink包含多個模塊，使得各個模塊之間的相互關系非常復雜，不利于分析。為此，可將具有一定功能的模塊群進行封裝，用戶不必了解其內(nèi)部結(jié)構，只需了解其功能和輸入?yún)?shù)即可。而且每個模塊可移植。仿真實驗平臺封裝的主要模塊包括：典型的單相整流器主電路，三相全控橋整流器主電路，檢測模塊(坐標變換)，脈沖產(chǎn)生模塊，控制模塊，測量模塊等。通過仿真得到三相可逆PWM整流器的主電路電感值、開關頻率等參數(shù)，并影響到輸入電流總諧波失真(THD)、電源功率因數(shù)以及系統(tǒng)輸出直流電壓，從而為實際設計確定主電路的參數(shù)提供可靠依據(jù)，對三相可逆PWM整流器設計具有實際意義。

2 模塊庫的建立
    仿真平臺的建立是通過在Simulink Library Browser下面創(chuàng)建一個自己的模塊庫實現(xiàn)，新建庫名為kongde。用右鍵打開模塊庫，并將自己封裝的模塊添加到庫中。添加完所有模塊并保存之后，點擊Simulink Library Browser下面的kongcle，便顯示了該模塊庫中的所有模塊，如圖1所示。仿真時，只需將各個功能模塊從模塊庫中添加到模型文件中，設置相應的參數(shù)，并把各個功能模塊按照原理連接即可觀察結(jié)果。

3 模塊封裝
3．1 整流器主電路
    所建的整流器主電路采用阻感負載。三相電壓型PWM整流器主電路如圖2所示。對于Simulink依據(jù)整流器的數(shù)學模型，采用開關函數(shù)微分方程組搭建模型，仿真運算速度較快。由于模塊庫對諸如IGBT的緩沖電路參數(shù)，開關延時等參數(shù)有細致建模，故而更接近真實情況，如圖3所示。

3．2 控制模塊
    仿真時所用的控制模塊是基于空間電壓矢量的電流解耦控制算法，電流解耦控制模塊如圖4所示。

3．3 功率因數(shù)測量模塊
    因數(shù)測量包括功率因數(shù)、基波位移因數(shù)、畸變因數(shù)、以及有功功率、無功功率、視在功率等。對于三相系統(tǒng)，如果三相電壓電流波形對稱，則有功功率為三相有功之和，無功功率為三相無功之和，如圖5所示。此模塊可測量三相系統(tǒng)功率因數(shù)，以及有功、無功、視在功率等。

4 基于仿真模塊的三相VSR系統(tǒng)的仿真
    整個系統(tǒng)是由一個電壓環(huán)和2個電流環(huán)組成的雙內(nèi)環(huán)單外環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構，電壓環(huán)不僅控制直流輸出電壓，并將電壓環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出作為有功電流id的給定，無功電流iq的給定可以直接設為零。在電流電壓雙環(huán)系統(tǒng)中，作為內(nèi)環(huán)的電流環(huán)直接決定著整個系統(tǒng)動靜態(tài)特性的優(yōu)劣。整個系統(tǒng)的仿真模型如圖6所示，該系統(tǒng)包括主電路模塊、檢測模塊、電流解耦控制模塊、SVPWM模塊以及測量模塊。該模型中的主要模塊均從kongde模塊庫中添加，按照功能連接好相應模塊即可仿真。設置系統(tǒng)參數(shù)，具體參數(shù)如表l所示。

    設置好參數(shù)后可對系統(tǒng)仿真。突增負載時交流側(cè)電壓、電流波形與直流側(cè)負載波形如圖7所示；突增負載時交流側(cè)三相電流波形如圖8所示；突減負載時交流側(cè)電壓電流波形與直流側(cè)負載波形如圖9所示；突減負載時交流側(cè)三相電流波形如圖10所示。

    通過仿真結(jié)果可以看出：基于空間電壓矢量的電流解耦控制算法，使三相VSR在穩(wěn)態(tài)時交流側(cè)電流波形對稱且為正弦，相電流與相電壓同相位，且直流側(cè)電壓穩(wěn)定，負載突變時，電壓有一定波動，但很快在一個周波內(nèi)跟上給定值，可見系統(tǒng)具有較強的魯棒性。通過測量可知，三相系統(tǒng)的功率因數(shù)近似為1，并測量其中一相的電壓、電流，測得基波位移因數(shù)以及畸變因數(shù)均近似為l。在暫態(tài)過程中，電流具有快速的跟隨性能，系統(tǒng)暫態(tài)過渡時間短。在負載突變發(fā)生時，都能保持正弦電流波形，并且保持高功率因數(shù)運行。三相VSR的基于空間電壓矢量的電流解耦控制，直流側(cè)電壓更穩(wěn)定，紋波更小，功率因數(shù)較高。同時三相VSR亦可運行在單位功率因數(shù)逆變狀態(tài)。

5 結(jié)語
    所建立的仿真平臺可提供一個更深入學習基本理論的機會，而不是僅限于書本知識，在仿真過程中。必然會碰到各種問題，通過改變各種參數(shù)來分析波形，從而分析參數(shù)對整個仿真系統(tǒng)的影響。仿真平臺有一定局限性，只對幾種常見的整流器進行封裝，同時有些參數(shù)固定，比如PWM周期(0．02 s)，若要改變周期，同時也得改變電源周期，這些還有待改進。