基于Matlab的孤立逆變電源的設(shè)計方案及測試

引言

隨著太陽能、風(fēng)能等可再生能源的發(fā)展，分布式發(fā)電以其環(huán)境污染少、能源綜合利用率高、供電可靠等優(yōu)點，逐漸成為了各國家競相研究的熱點，在美國、歐洲等技術(shù)成熟的國家和地區(qū)，以將其廣泛應(yīng)用在微電網(wǎng)中。逆變電源作為一種有效的電力供應(yīng)源，成為了微電網(wǎng)的重要組成部分，并在微電網(wǎng)的研究和實施中得到了廣泛的應(yīng)用。

本文設(shè)計的基于PWM 的孤立逆變電源，其控制模型采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制策略，電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)均采用PI控制方式。應(yīng)用Matlab軟件建立實驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行仿真，通過仿真驗證了控制系統(tǒng)設(shè)計方案的合理性，以及雙環(huán)控制策略的應(yīng)用效果，分析仿真結(jié)果證明了系統(tǒng)設(shè)計方案的合理性和有效性。

PWM逆變器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理

在交-直-交變頻器中，通常要求直流電路采用可控硅整流電路，如圖1(a)所示。逆變輸出的電壓Uo 的大小可以通過改變Ud 的大小來控制。通過對逆變器觸發(fā)電路頻率的控制，可以改變輸出電壓Uo 的頻率。但是，這種變頻電路存在有缺陷：如果輸出的交流電壓為含有較多諧波的矩形波，這無論是對負(fù)載或是交流電網(wǎng)都是不利的;如果輸出功率用相控方式來調(diào)節(jié)，就會使輸入功率因數(shù)降低，同時由于有濾波大電容存在于中間直流環(huán)中，使得調(diào)節(jié)輸入功率時慣性較大，系統(tǒng)響應(yīng)緩慢。

為解決上述缺陷，可以采用如圖1(b)所示的變頻電路。這種電路通常稱為PWM(Pulse Width Modula-tion)型變頻電路，其基本的工作原理是對逆變電路中開關(guān)器件的通斷進(jìn)行有規(guī)律的控制，使輸出端得到等幅不等寬的脈沖列，并用這些脈沖列來替代正弦波。按要求的規(guī)則對脈沖列的各脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變電路輸出電壓的大小，又可以改變輸出電壓的頻率。

孤立逆變源雙環(huán)控制策略

如圖2 所示，為設(shè)計的基于PWM 孤立逆變源的電壓電流雙環(huán)控制原理圖?？刂仆猸h(huán)為電壓控制環(huán)，電壓Vabc 的反饋值由測量模塊2測得，并與給定的參考值進(jìn)行比較，誤差信號經(jīng)過PI控制器調(diào)節(jié)后作為電流內(nèi)環(huán)基準(zhǔn);控制內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)，由測量模塊1測得的反饋的電流值Iabc1 與電流基準(zhǔn)進(jìn)行比較產(chǎn)生的誤差信號，經(jīng)過PWM發(fā)生器離散化之后產(chǎn)生PWM控制信號。

PI控制器是具有比例-積分控制規(guī)律的控制器，其框圖如圖3 所示，其控制規(guī)律是指控制器的輸出信號u(t)既反映輸入信號 e(t)，又反映 e(t)對t的積分，即：

式中：kP 為可調(diào)比例系數(shù)，TI 為可調(diào)積分時間常數(shù)。

在控制工程實踐中，PI控制器主要用來改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。PI參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)置，對控制效果至關(guān)重要，可調(diào)積分時間常數(shù)TI 會影響系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時間和穩(wěn)定性，可調(diào)比例系數(shù)kP 會對系統(tǒng)的響應(yīng)時間產(chǎn)生影響。在本文設(shè)計的孤立逆變源中，利用工程整定的方法，對外環(huán)電壓反饋值vabc 進(jìn)行調(diào)節(jié)的PI調(diào)節(jié)器，其參數(shù)整定值為：kP =0.25，TI =300；對內(nèi)環(huán)電流反饋Iabc1 進(jìn)行調(diào)節(jié)的PI調(diào)節(jié)器，其參數(shù)整定值為：kP =1.25，TI =1。仿真結(jié)果

根據(jù)控制方案，設(shè)計的孤立逆變源的建模仿真使用Matlab-Simulink-SimPowerSystems軟件平臺來完成。仿真時間設(shè)定為0.3 s，仿真數(shù)據(jù)均采用標(biāo)幺值，仿真模型如圖5所示。設(shè)計的電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的PI控制模型分別如圖6、圖7所示。

模型仿真的主要參數(shù)如表1所示。

1、逆變源仿真結(jié)果

根據(jù)表1 的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行建模仿真，仿真開始后，逆變電源在很短暫的時間就達(dá)到了穩(wěn)態(tài)運行，經(jīng)測量模塊2測量輸出的電流Iabc 和電壓Vabc ，測量模塊1測量輸出的電流Iabc1 ，以及調(diào)制系數(shù)m 的輸出波形如圖7、圖8所示。

逆變電源運行達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，由圖7輸出的電壓和電流波形分析可知，逆變電源達(dá)到穩(wěn)后的運行狀態(tài)非常穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的效果。由圖8可知，調(diào)制系數(shù)m 在經(jīng)過短暫的震蕩之后收斂到0.85~0.9穩(wěn)定的區(qū)間，表明了調(diào)制控制的穩(wěn)定性。

2、電壓控制PI仿真結(jié)果

逆變電源運行達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，電壓外環(huán)控制模塊的PI調(diào)節(jié)的輸入信號及經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后的輸出信號如圖9 所示。由圖9 的輸出波形可知，輸入到PI的Vd，Vq 信號經(jīng)過短暫的波動收斂到0，并輸入到PI調(diào)節(jié)器中，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后輸出較為穩(wěn)定的誤差信號，作為電流內(nèi)環(huán)控制的基準(zhǔn)信號，保證了電流內(nèi)環(huán)控制的穩(wěn)定性。

3、電流控制PI仿真結(jié)果

逆變電源運行達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，電流內(nèi)環(huán)控制模塊經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)后的輸出Vd，Vq 和電壓Uabc 的波形如圖10 所示。

在電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)中，電流經(jīng)d-q 變換得到信號與經(jīng)電壓外環(huán)控制后輸入的基準(zhǔn)信號作比較，比較結(jié)果作為電流控制環(huán)的PI調(diào)節(jié)輸入信號，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后輸出穩(wěn)定的控制信號Vd，Vq，如圖10 所示，輸出信號經(jīng)過短暫的震蕩收斂到了一個穩(wěn)定的狀態(tài)，表明了電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。輸出的電壓Uabc作為PWM發(fā)生器的輸入信號，經(jīng)過PWM發(fā)生器離散化之后產(chǎn)生PWM控制信號，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，保證了整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

結(jié)語

本文通過分析分布式發(fā)電作為高效、清潔的發(fā)電方式，以其具有投資少、可與環(huán)境兼容等優(yōu)點，及其在微電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用。逆變電源作為微電網(wǎng)的重要組成部分，其設(shè)計運行的穩(wěn)定性、有效性和可行性，直接會影響到整個微電網(wǎng)供電的電能質(zhì)量。方案設(shè)計的電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制的逆變電源，電壓外環(huán)可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和消除靜態(tài)誤差，電流內(nèi)環(huán)可以提高系統(tǒng)的快速性和動態(tài)特性。采用PI 控制策略，利用Matlab 軟件建立了實驗仿真平臺。仿真結(jié)果表明，本方案所設(shè)計的逆變電源具有很好的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能，控制系統(tǒng)設(shè)計合理穩(wěn)定，參數(shù)的選擇合理有效。