基于Matlab的孤立逆變電源設計方案

基于Matlab軟件平臺，采用雙環(huán)控制策略設計的逆變源，利用Matlab-Simulink-SimPowerSystems的工具箱進(jìn)行建模仿真，驗證了本文所設計方案的可行性和有效性。

0引言

隨著(zhù)太陽(yáng)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(diǎn)，逐漸成為了各國家競相研究的熱點(diǎn)，在美國、歐洲等技術(shù)成熟的國家和地區，以將其廣泛應用在微電網(wǎng)中。逆變電源作為一種有效的電力供應源，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(shí)施中得到了廣泛的應用。

本文設計的基于PWM的孤立逆變電源，其控制模型采用電壓外環(huán)和電流內環(huán)雙環(huán)控制策略，電壓外環(huán)和電流內環(huán)均采用PI控制方式。應用Matlab軟件建立實(shí)驗模型進(jìn)行仿真，通過(guò)仿真驗證了控制系統設計方案的合理性，以及雙環(huán)控制策略的應用效果，分析仿真結果證明了系統設計方案的合理性和有效性。

1 PWM逆變器的電路結構和工作原理

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(guò)改變Ud的大小來(lái)控制。通過(guò)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(wú)論是對負載或是交流電網(wǎng)都是不利的；如果輸出功率用相控方式來(lái)調節，就會(huì )使輸入功率因數降低，同時(shí)由于有濾波大電容存在于中間直流環(huán)中，使得調節輸入功率時(shí)慣性較大，系統響應緩慢。

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(chēng)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(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行有規律的控制，使輸出端得到等幅不等寬的脈沖列，并用這些脈沖列來(lái)替代正弦波。按要求的規則對脈沖列的各脈沖寬度進(jìn)行調制，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。



2孤立逆變源雙環(huán)控制策略

如圖2所示，為設計的基于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(guò)PI控制器調節后作為電流內環(huán)基準；控制內環(huán)為電流控制環(huán)，由測量模塊1測得的反饋的電流值Iabc1與電流基準進(jìn)行比較產(chǎn)生的誤差信號，經(jīng)過(guò)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-積分控制規律的控制器，其框圖如圖3所示，其控制規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為可調比例系數，TI為可調積分時(shí)間常數。

在控制工程實(shí)踐中，PI控制器主要用來(lái)改善控制系統的穩態(tài)性能。PI參數的準確設置，對控制效果至關(guān)重要，可調積分時(shí)間常數TI會(huì )影響系統達到穩定的時(shí)間和穩定性，可調比例系數kP會(huì )對系統的響應時(shí)間產(chǎn)生影響。在本文設計的孤立逆變源中，利用工程整定的方法，對外環(huán)電壓反饋值vabc進(jìn)行調節的PI調節器，其參數整定值為：kP =0.25，TI =300；對內環(huán)電流反饋Iabc1進(jìn)行調節的PI調節器，其參數整定值為：kP =1.25，TI =1.

3仿真結果

根據控制方案，設計的孤立逆變源的建模仿真使用Matlab-Simulink-SimPowerSystems軟件平臺來(lái)完成。仿真時(shí)間設定為0.3 s，仿真數據均采用標幺值，仿真模型如圖5所示。設計的電壓外環(huán)和電流內環(huán)的PI控制模型分別如圖6、圖7所示。