SPWM波控制單相逆變器雙閉環(huán)PID調節器的Simulink建模與仿真

隨著(zhù)電力行業(yè)的快速發(fā)展，逆變器的應用越來(lái)越廣泛，逆變器的好壞會(huì )直接影響整個(gè)系統的逆變性能和帶載能力。逆變器的控制目標是提高逆變器輸出電壓的穩態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，穩態(tài)性能主要是指輸出電壓的穩態(tài)精度和提高帶不平衡負載的能力；動(dòng)態(tài)性能主要是指輸出電壓的THD（TotalHannonicDistortion）和負載突變時(shí)的動(dòng)態(tài)響應水平。在這些指標中對輸出電壓的THD要求比較高，對于三相逆變器，一般要求阻性負載滿(mǎn)載時(shí)THD小于2%,非線(xiàn)性滿(mǎn)載（整流性負載）的THD小于5%.這些指標與逆變器的控制策略息息相關(guān)。文中主要介紹如何建立電壓雙環(huán)SPWM逆變器的數學(xué)模型，并采用電壓有效值外環(huán)和電壓瞬時(shí)值內環(huán)進(jìn)行控制。針對UPS單模塊10kVA單相電壓型SPWM逆變器進(jìn)行建模仿真。通過(guò)仿真，驗證了控制思路的正確性以及存該控制策略下的逆變器所具有的魯棒性強，動(dòng)態(tài)響應快，THD低等優(yōu)點(diǎn)。并以仿真為先導，將其思想移植到具體開(kāi)發(fā)中，達到預期效果。

1三電平逆變器單相控制模型的建立

帶LC濾波器的單相逆變器的主電路結構如圖1所示。圖1中L為輸出濾波電感，C為濾波電容，T1,T2,T3,T4分別是用來(lái)驅動(dòng)IGBT的三電平的SPWM波，U0為輸出負載兩端的電壓。在建立控制系統的仿真模型時(shí)，需要采集負載兩端的電壓與實(shí)際要求的電樂(lè )值做比較，然后通過(guò)調節器可以得到所需要調節的值。在此仿真模型中，驅動(dòng)波形采用的是三電平的SPWM波形，具體的產(chǎn)生原理在這不做詳細描述。在Matlah的Simlink庫中SPWM波的產(chǎn)生如圖2所示，這里調制比設為0.8.

圖1三電平逆變器單相主電路

圖2四相SPWM產(chǎn)生電路

在B1,B2,B3,B4端口用模擬示波器觀(guān)察其波形，結果如圖3所示。

圖3四相SPWM驅動(dòng)波形

2雙環(huán)控制的選取

在逆變控制系統中，采用輸出電壓有效值反饋的方法進(jìn)行控制，這種方法通過(guò)將輸出電壓有效值與實(shí)際所要求的電壓有效值進(jìn)行比較，誤差信號與正弦信號相乘的結果作為SPWM的調制信號。這種方法的輸出波形穩壓精度較高，穩定性好，但最大的缺陷在于逆變器的動(dòng)態(tài)響應很差，完全依靠逆變器的自然特性，輸出電壓的波形質(zhì)量無(wú)法控制。當負載為非線(xiàn)性負載時(shí)，由于逆變器輸出阻抗的影響，輸出電壓波形的THD比較大。為解決以上的缺陷，引入內環(huán)電壓瞬時(shí)環(huán)，當負載發(fā)生變化時(shí)，采樣回來(lái)的輸出電壓會(huì )在電壓瞬時(shí)環(huán)的控制下，保持良好的動(dòng)態(tài)響應，控制框圖如圖4所示。

圖4雙環(huán)控制框圖

在圖4中，輸入信號U為系統所要求的信號，U為系統輸出信號。本系統將PID調節器1設置為電壓瞬時(shí)值內環(huán)，將PID調節器2設置為電壓均值外環(huán)。

3建立仿真模型

在Simulink下構建三電平逆變器的仿真模型，該模型主要由三電平的SPWM產(chǎn)生電路，主拓撲電路，控制電路和負載電路4部分組成?？刂齐娐穼?shí)現了電壓雙環(huán)控制，同時(shí)為SPWM脈沖提供調制信號，負載可以選擇阻性載或整流載。

3.1建立主拓撲電路

首先來(lái)建立逆變器的主拓撲電路。根據圖1所示的電路原理，在Matlab環(huán)境下新建一個(gè)上程，然后存Simulink庫根據需要找出二極管和IGBT,連接電路圖便可得到如圖5所示的單相逆變器的主拓撲仿真模型。

圖5單相逆變器主拓撲結構圖

其中，B1、B2、B3、B4分別代表四相SPWM波形驅動(dòng)波形，+BUS、0分別表示圖1中的Ud/2和N,C1和C2之間的電壓即位圖1中的U1.

3.2負載電路建模

負載分為阻性載和整流載，為了更好的驗證PID調節器的性能，在此假定整流載和阻性載同時(shí)存在，然后中間用開(kāi)關(guān)來(lái)控制所帶的負載特性。負載建模如圖6所示。

圖6負載（阻性載和整流載可選）

當手動(dòng)開(kāi)關(guān)位于1時(shí)，負載特性為整流載。反之，當手動(dòng)開(kāi)關(guān)位于0時(shí)，負載特性為阻性載。圖6中，D1為開(kāi)關(guān)信號，D2、D3為連接到輸出端的連接端口。

3.3閉環(huán)控制電路以及輸出電路建模

閉環(huán)控制電路的模型如圖7所示。圖7中；模擬示波器1中的1端口為輸出端C1和C2未經(jīng)過(guò)電容濾波而得到的輸出電壓，2端口為輸出端C1和C2經(jīng)過(guò)電容濾波后得到的輸出電壓，3端口為輸出電壓經(jīng)過(guò)一個(gè)增益器之后所得到的對應的輸出電壓，4端口為系統輸出電流，5端口為控制負載特性選擇的開(kāi)關(guān)信號。仿真波形如圖8所示。

圖7閉環(huán)控制電路

圖8輸出端口電壓仿真波形

根據圖4提出的控制策略，輸出電壓經(jīng)過(guò)一個(gè)均值器之后與系統所要求得到的信號進(jìn)行比較，比較后的差值經(jīng)過(guò)PID調節（電壓瞬時(shí)內環(huán)調節），同理，可以建立電壓均值外環(huán)控制模型。

在上述模擬示波器2中，1端口為第一次PID調節器之前的差值Errorl,仿真波形如圖9所示。

圖9經(jīng)過(guò)PID調節器之前的差值信息波形

通過(guò)圖8,可以很明顯的看到，當負載特性發(fā)生變化時(shí)，電流波形和輸出電壓波形會(huì )發(fā)生明顯的變化。當負載為阻性載時(shí)，輸出電壓電流均為正弦信號。當負載為整流載時(shí)，輸出電壓電流信號出現一定的失真。