PDF《基于 PSCAD/EMTDC的空间矢量 PWM仿真研究》

基于 P S C A D/E MT D C 的空间矢量 P WM仿真研究 戴武昌

1 , 尚尔发

2 , 王健1,陶晶涛

3 ( 1.

东北电力大学电气工程学院, 吉林 吉林 132012;

2. 通辽盛发热电有限责任公司, 内蒙古 通辽 028051;

3. 中国华电集团哈尔滨发电有限公司, 黑龙江 哈尔滨 150040) 摘要:在分析了空间矢量 P WM( S V P WM) 基本原理的基础上, 基于 P S C A D/E MT D C软件, 对SVPWM的控制策 略进行仿真, 并对 P S C A D/E MT D C 及其主程序执行流程进行了详细介绍. 仿真结果验证了 S V P WM控制策略的 合理性. 关键词:空间矢量;

P S C A D/E MT D C ;

自定义模型;

仿真;

电力网络 中图分类号:T M762 文献标识码:A 文章编号 :1002 -1663( 2008) 03-0181 -04 S i m u l a t i o ns t u d yo f s p a c e v e c t o r p u l s e w i d t h mo d u l a t i o nb a s e do nP S C A D/E MT D C D A I Wu c h a n g

1 , S H A N GE r '

f a

2 , WA N GJ i a n

1 , T A OJ i n g t a o

3 ( 1.E l e c t r i cE n g i n e e r i n gS c h o o l , N o r t h e a s t D i a n l i U n i v e r s i t y , J i l i n132012, C h i n a ;

2.T o n g l i a oS h e n g f aT h e r ma l P o w e r C o . , L t d , T o n g l i a o028051, C h i n a ;

3.Ha r b i nP o w e r G e n e r a t i o nC o . , L t d , C h i n aH u a d i a nC o r p o r a t i o n , H a r b i n150040, C h i n a ) A b s t r a c t : T h e c o n t r o l t a c t i c o f s p a c e v e c t o r p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n( S V P WM )w a s s i m u l a t e d w i t ht h e s o f t w a r e o f P S C A D/E M T D Cb a s e d o na n a l y z i n g t h e b a s i c m e c h a n i s mo f S V P WMa n d , t h e r e s u l t s s h o w e dt h a t t h e c o n - t r o l t a c t i c o f S V P WMi s r e a s o n a b l e , m e a n w h i l e t h e p a p e r i n t r o d u c e d i n d e t a i l s t h e s o f t w a r e o f P S C A D /E M T D C a n dt h e w o r k i n g f l o wo f i t s m a i np r o g r a m . K e yw o r d s : s p a c e v e c t o r ;

P S C A D /E M T D C ;

c u s t o m i z e dm o d e l ;

s i m u l a t i o n ;

e l e c t r i c p o w e r n e t w o r k 与传统的 P WM方法相比, S V P WM具有可以 减少转矩脉动和铁损耗, 可以提高直流电源电压 的利用率,电流谐波含量少 ,并易于数字化实现等 优点 [ 1] .基于 P S C A D/E M T D C 软件, 从仿真的角 度对 S V P WM的控制策略进行了仿真研究 , 并对 P S C A D /E M T D C 及其主程序执行流程进行了分析.

1 S V P WM调制的基本原理 三相电压型逆变电路见图 1.图1中逆变器 上下桥臂的开关状态互为补充 , 所以只需要用上 桥臂的开关状态就足以描述逆变器的工作状态. 如果用

1 和

0 来表示开关器件的导通和关断, 那么逆变器工作状态共有 8种,分别对应 8个模 长等于 2U d/3的基本电压矢量 , 它们的空间分布 如图 2所示 . 图1三相电压型逆变电路 从图

2 可以看到, U

1 ~ U

6 为工作状态, 这6个空间矢量幅值相等相位互差 π/3电角度 , U

0 和U7状态为自由轮换状态.

8 个空间矢量的大小 可以表示为 : 收稿日期 :

2008 - 03-21 作者简介 :戴武昌 ( 1963- ) , 男,1984年毕业于东北电力学院电力自动化专业 , 高级工程师 . ―

181 ― 第30卷第3期 黑龙江电力 2008年 6月 图2基本电压空间矢量分布图 V k =

2 3 U de x p [ ( k - 1) π

3 ] , k =

1、… …、6 0, k = 0.

7 ( 1) 根据三相系统向两相系统变换保持幅值不变 的原则 ,参考电压的空间矢量可表示为 V r e f= 2( V A r e f + α V B r e f+ α

2 V Cr e f ) /3 = V α r e f+ j V β r e f ( 2) 式中, α = e j 2π

3 将参考电压矢量 V r e f 用逆变器开关导通状态 表示为 : V r e f= T k T s V k + T k +1 T s V k +

1 ( 3) 式中, T k = 3T s U d [ V α r e f s i n ( k π

3 ) - V βr e f c o s ( k π

3 ) ] T k +1 = 3T s U d [ V βr e f c o s ( ( k - 1) π

3 ) - V α r e f s i n ( ( k - 1) π

3 ) ] k = 1, 2, 3, 4,

5 2 基于 P S C A D /E M T D C 的SVPWM 实现 2.

1 P S C A D/E M T D C 简介 E M T D C( e l e c t r o-m a g n e t i ct r a n s i e n ti nD C s y s t e m ) 是20世纪

70 年代中期发展起来的一个 离线仿真的电磁暂态仿真软件, 是PSCAD/E M T - D C 仿真的核心程序 [ 2] .经过近 30年的发展, 目 前其已具有了十分完善的 E M T D C 的元件模型库 和功能 ,被广泛应用于交直流电力系统研究、 电力 电子仿真以及非线性控制等领域 , 日益成为一种 世界各国通用的形象化的电力系统分析软件.其 大规模的计算容量、 完整而准确的元件模型库 、 稳 定高效的计算内核 、 友好的界面和良好的开放性 等特点 ,已经被世界各国的科研机构 、 学校和电气 工程师所广泛使用. P S C A D 是与 E M T D C 完美结合的一个强大的 图形用户界面, 使用户可以在一个完全集合的图 形环境下构造仿真电路、运行仿真 、管理数据、输 出和分析仿真结果,极大地方便了用户使用,保证 并提高了研究工作的质量和效率. P S C A D/E M T D C 的主要功能是进行电力系统 时域和频域计算仿真 ,典型应用是计算电力系统 遭受扰动或参数变化时, 电参数随时间变化的规 律;

另外, P S C A D/E M T D C 软件包可以广泛应用于 高压直流输电 、F A C T S 控制器的设计 、电力系统 谐波分析及电力电子领域的仿真计算. P S C A D / E M T D C 还具有良好的开放性 ,用户可以深入其程 序内部 ,强大的自定义功能及支持子网嵌套的功 能 ,使用户可以根据自己需要创建具有特定功能 的、更实用灵活的电路模块和仿真环境 .自定义 模型是 P S C A D/E M T D C 的一大优点 . 2.

2 P S C A D/E M T D C 的主程序执行流程 E M T D C 主程序由两部分组成 : 系统动态程序 段和电力网络求解模块,如图 3所示 . 图3EMT D C主程序结构图 系统动态程序段完全由用户定义 ,通过它用 户可以在 E M T D C 主程序中嵌入自己的程序代 码 ,方法有两种: a . 在元件定义中直接加入 F O R T R A N 代码 ;

b . 在元件定义中调用外部用 F O R T R A N 或C语言编写的子程序. 系统动态程序段包括 2个子程序段: 主动态 子程序 ( D S D Y N ) 和输出定义子程序 ( D S O U T ) , 这 两个子程序分别位于网络求解模块的前后 .一般 情况下 , 动态控制代码应加在 D S D Y N程序段, D S O U T 主要用于输出求解后的网络变量 .在网 络求解之前 , E M T D C 主程序提供了用户模型和电 力网络的接口,用户模型中的动态子程序 D S D Y N 可以得到网络中任意步长时的节点电压和支路电 流 ,经过用户模型的处理, 反馈给电力网络中的控 ―

182 ― V o l . 30, N o .

3 H e i l o n g j i a n gE l e c t r i c P o w e r J u n .

2008 图4三相电压型逆变电路主电路 制部分 [ 3] . 同样,利用用户定义的输出子程序 D S O U T 、 E M T D C 程序可以输出任意时间步长处的自定义 计算值 ,还可以实现指定输出文件和输出格式等 各种功能. 2.

3 S V P WM的PSCAD/E M T D C 仿真实现 S V P WM在PSCAD/E M T D C 中的主电路如图 4所示. E M T D C 提供了功能完整而准确的元件 模型库 ,主电路中的各个元件均可以在元件库中 找到. S V P WM控制系统功能图如图

5 所示.考虑 到控制系统的调试方便 , 对SVPWM控制系统采 取模块化设计方法 ,即对控制系统功能框图中的 每一相应功能部分 ,均编制相应的模块来实现其 功能.而PSCAD/E M T D C 提供的强大的自定义 模型的功能 ,使用户可以根据自己需要很方便地 创建具有特定功能的模型 . 图5SVPWM的控制系统功能框图 图 6为在 P S C A D /E M T D C 中搭建的 a b c 三 相系统 α β两相系统变换 模块的自定义模型. 其中, E a r e f 、E br e f 、E c r e f 为三相参考电压 , H T p w m为控 制周期 T s的一半. E a r e f 、E b r e f 、E c r e f 、H T p w m为自定 义模型的输入量 . U a l p h a, U b e t a 为经过 a b c 三相系 统αβ两相系统变换后的 α 轴和 β 轴分量. U a l p h a、U b e t a 为自定义模型的输出量. 图6abcαβ变换模块 图7SVPWM的编程流程图 ―

183 ― 第30卷第3期 黑龙江电力 2008年 6月 其余自定义模型略去暂不介绍. 图7为SVPWM的编程流程图 .

3 仿真结果及谐波分析 S V P WM仿真主电路如图 4所示.仿真参数 为:开关元件的开关频率为

2 k H z , 负载为三相对 称阻感负载 ( 负载电阻为

10 Ψ , 电感为 0.

1 H ) . 直流侧电压 U d为1.

2 k V ,仿真时间为 0.

5 s .交 流电源频率为

50 H z .仿真结果波形如图 8至图 11所示. 图8负载 a 相电压 E a波形 图9负载线电压 E a b波形 图10 负载 a 相电流 I a 波形 图11 负载相电流 I a频谱

4 结论 基于 P S C A D /E M T D C 软件, 从仿真的角度对 S V P WM进行了研究.仿真结果表明 : a . 相对于传统的 P WM来说 , S V P WM具有谐 波少、电压利用率高、易于数字化实现等特点.它 简化了电路设计, 提高了可靠性和实时性.仿真 结果验证了其控制策略的合理性和有效性 . b . P S C A D /E M T D C 具有大规模的计算容量、 完整而准确的元件模型库 、 稳定高效的计算内核、 友好的界面和良好的开放性等特点 ,是分析和研 究电力系统的有力工具. 参考文献 : [ 1] 高景德 , 王祥珩 , 李发海 . 交流电机及其系 统的分析 ( 第二 版)[M] . 北京 : 清华大学出版社 , 2005. [ 2] 钟波 , 赵华 军.PSCAD/E M T D C 程 序与 M A T L A B 语 言接 口的 研究 [ J ] . 广东电力 , 2005, 18( 8) . [ 3] 袁涛 , 郑建勇 , 曾伟 , 等.PSCAD/E M T D C 中自定义模型研究及 其在有源 滤波器控 制算法仿真中的应用 [ J ] . 电气应用 , 2006, 25( 11) . ( 编辑 李世杰 ) ( 上接第 180页) b . 数值分析结果表明 : 采用六角切向燃烧 ,炉 内气流流场分布稳定.六角布置燃烧器的锅炉, 在燃烧器缺角运行时, 依然可以形成较为合理的 炉内气流流场.由此可以判断热态运行时锅炉燃 烧稳定 .由于 1号、4号补气条件不同, 这两个角 的一次风射流容易贴壁 ( 在冷态空气动力场试验 时可以明显看到这种现象 ) , 应引起重视 ,防止大 面积结渣现象的发生 . c . 采用数值分析的方法, 可以很好的解决类 似炉内流场问题 . 参考文献 : [ 1] 陈义良 . 更通用的 κ-ε湍流 模型[J].工程热物理学报 , 1990, 11( 3) . [ 2] 范维澄 , 万岳鹏 . 流动及燃烧的模型与计算 [ M ] . 合肥 : 中国科 学技术大学出版社 , 1992. [ 3] 赵坚行 . 燃烧的数值模拟 [ M ] . 北京 : 科学技术出版社 , 2002. ( 编辑 侯世春 ) ―

184 ― V o l . 30, N o .

3 H e i l o n g j i a n gE l e c t r i c P o w e r J u n . 2008 ........