基于MATLAB的高功率因数整流器仿真实验平台

1 概述

简单系统可直接建立模型，并分析模块之间的相互关系以及模块输入输出关系。但对相对复杂的系统，Simulink包含多个模块，使得各个模块之间的相互关系非常复杂，不利于分析。为此，可将具有一定功能的模块群进行封装，用户不必了解其内部结构，只需了解其功能和输入参数即可。而且每个模块可移植。仿真实验平台封装的主要模块包括：典型的单相整流器主电路，三相全控桥整流器主电路，检测模块(坐标变换)，脉冲产生模块，控制模块，测量模块等。通过仿真得到三相可逆PWM整流器的主电路电感值、开关频率等参数，并影响到输入电流总谐波失真(THD)、电源功率因数以及系统输出直流电压，从而为实际设计确定主电路的参数提供可靠依据，对三相可逆PWM整流器设计具有实际意义。

2 模块库的建立

仿真平台的建立是通过在Simulink Library Browser下面创建一个自己的模块库实现，新建库名为kongde。用右键打开模块库，并将自己封装的模块添加到库中。添加完所有模块并保存之后，点击Simulink Library Browser下面的kongcle，便显示了该模块库中的所有模块，如图1所示。仿真时，只需将各个功能模块从模块库中添加到模型文件中，设置相应的参数，并把各个功能模块按照原理连接即可观察结果。



3 模块封装

3．1 整流器主电路

所建的整流器主电路采用阻感负载。三相电压型PWM整流器主电路如图2所示。对于Simulink依据整流器的数学模型，采用开关函数微分方程组搭建模型，仿真运算速度较快。由于模块库对诸如IGBT的缓冲电路参数，开关延时等参数有细致建模，故而更接近真实情况，如图3所示。



3．2 控制模块

仿真时所用的控制模块是基于空间电压矢量的电流解耦控制算法，电流解耦控制模块如图4所示。



3．3 功率因数测量模块

因数测量包括功率因数、基波位移因数、畸变因数、以及有功功率、无功功率、视在功率等。对于三相系统，如果三相电压电流波形对称，则有功功率为三相有功之和，无功功率为三相无功之和，如图5所示。此模块可测量三相系统功率因数，以及有功、无功、视在功率等。

4 基于仿真模块的三相VSR系统的仿真

整个系统是由一个电压环和2个电流环组成的双内环单外环的双环控制结构，电压环不仅控制直流输出电压，并将电压环调节器的输出作为有功电流id的给定，无功电流iq的给定可以直接设为零。在电流电压双环系统中，作为内环的电流环直接决定着整个系统动静态特性的优劣。整个系统的仿真模型如图6所示，该系统包括主电路模块、检测模块、电流解耦控制模块、SVPWM模块以及测量模块。该模型中的主要模块均从kongde模块库中添加，按照功能连接好相应模块即可仿真。设置系统参数，具体参数如表l所示。



设置好参数后可对系统仿真。突增负载时交流侧电压、电流波形与直流侧负载波形如图7所示；突增负载时交流侧三相电流波形如图8所示；突减负载时交流侧电压电流波形与直流侧负载波形如图9所示；突减负载时交流侧三相电流波形如图10所示。





通过仿真结果可以看出：基于空间电压矢量的电流解耦控制算法，使三相VSR在稳态时交流侧电流波形对称且为正弦，相电流与相电压同相位，且直流侧电压稳定，负载突变时，电压有一定波动，但很快在一个周波内跟上给定值，可见系统具有较强的鲁棒性。通过测量可知，三相系统的功率因数近似为1，并测量其中一相的电压、电流，测得基波位移因数以及畸变因数均近似为l。在暂态过程中，电流具有快速的跟随性能，系统暂态过渡时间短。在负载突变发生时，都能保持正弦电流波形，并且保持高功率因数运行。三相VSR的基于空间电压矢量的电流解耦控制，直流侧电压更稳定，纹波更小，功率因数较高。同时三相VSR亦可运行在单位功率因数逆变状态。

5 结语

所建立的仿真平台可提供一个更深入学习基本理论的机会，而不是仅限于书本知识，在仿真过程中。必然会碰到各种问题，通过改变各种参数来分析波形，从而分析参数对整个仿真系统的影响。仿真平台有一定局限性，只对几种常见的整流器进行封装，同时有些参数固定，比如PWM周期(0．02 s)，若要改变周期，同时也得改变电源周期，这些还有待改进。