基于Matlab的孤立逆变电源的设计方案及测试

引言

随着太阳能、风能等可再生能源的发展，分布式发电以其环境污染少、能源综合利用率高、供电可靠等优点，逐渐成为了各国家竞相研究的热点，在美国、欧洲等技术成熟的国家和地区，以将其广泛应用在微电网中。逆变电源作为一种有效的电力供应源，成为了微电网的重要组成部分，并在微电网的研究和实施中得到了广泛的应用。

本文设计的基于PWM 的孤立逆变电源，其控制模型采用电压外环和电流内环双环控制策略，电压外环和电流内环均采用PI控制方式。应用Matlab软件建立实验模型进行仿真，通过仿真验证了控制系统设计方案的合理性，以及双环控制策略的应用效果，分析仿真结果证明了系统设计方案的合理性和有效性。

PWM逆变器的电路结构和工作原理

在交-直-交变频器中，通常要求直流电路采用可控硅整流电路，如图1(a)所示。逆变输出的电压Uo 的大小可以通过改变Ud 的大小来控制。通过对逆变器触发电路频率的控制，可以改变输出电压Uo 的频率。但是，这种变频电路存在有缺陷：如果输出的交流电压为含有较多谐波的矩形波，这无论是对负载或是交流电网都是不利的;如果输出功率用相控方式来调节，就会使输入功率因数降低，同时由于有滤波大电容存在于中间直流环中，使得调节输入功率时惯性较大，系统响应缓慢。

为解决上述缺陷，可以采用如图1(b)所示的变频电路。这种电路通常称为PWM(Pulse Width Modula-tion)型变频电路，其基本的工作原理是对逆变电路中开关器件的通断进行有规律的控制，使输出端得到等幅不等宽的脉冲列，并用这些脉冲列来替代正弦波。按要求的规则对脉冲列的各脉冲宽度进行调制，既可改变电路输出电压的大小，又可以改变输出电压的频率。

孤立逆变源双环控制策略

如图2 所示，为设计的基于PWM 孤立逆变源的电压电流双环控制原理图。控制外环为电压控制环，电压Vabc 的反馈值由测量模块2测得，并与给定的参考值进行比较，误差信号经过PI控制器调节后作为电流内环基准;控制内环为电流控制环，由测量模块1测得的反馈的电流值Iabc1 与电流基准进行比较产生的误差信号，经过PWM发生器离散化之后产生PWM控制信号。

PI控制器是具有比例-积分控制规律的控制器，其框图如图3 所示，其控制规律是指控制器的输出信号u(t)既反映输入信号 e(t)，又反映 e(t)对t的积分，即：

式中：kP 为可调比例系数，TI 为可调积分时间常数。

在控制工程实践中，PI控制器主要用来改善控制系统的稳态性能。PI参数的准确设置，对控制效果至关重要，可调积分时间常数TI 会影响系统达到稳定的时间和稳定性，可调比例系数kP 会对系统的响应时间产生影响。在本文设计的孤立逆变源中，利用工程整定的方法，对外环电压反馈值vabc 进行调节的PI调节器，其参数整定值为：kP =0.25，TI =300；对内环电流反馈Iabc1 进行调节的PI调节器，其参数整定值为：kP =1.25，TI =1。仿真结果

根据控制方案，设计的孤立逆变源的建模仿真使用Matlab-Simulink-SimPowerSystems软件平台来完成。仿真时间设定为0.3 s，仿真数据均采用标幺值，仿真模型如图5所示。设计的电压外环和电流内环的PI控制模型分别如图6、图7所示。

模型仿真的主要参数如表1所示。

1、逆变源仿真结果

根据表1 的参数设置进行建模仿真，仿真开始后，逆变电源在很短暂的时间就达到了稳态运行，经测量模块2测量输出的电流Iabc 和电压Vabc ，测量模块1测量输出的电流Iabc1 ，以及调制系数m 的输出波形如图7、图8所示。

逆变电源运行达到稳态后，由图7输出的电压和电流波形分析可知，逆变电源达到稳后的运行状态非常稳定，达到了预期的效果。由图8可知，调制系数m 在经过短暂的震荡之后收敛到0.85~0.9稳定的区间，表明了调制控制的稳定性。

2、电压控制PI仿真结果

逆变电源运行达到稳态后，电压外环控制模块的PI调节的输入信号及经过PI调节后的输出信号如图9 所示。由图9 的输出波形可知，输入到PI的Vd，Vq 信号经过短暂的波动收敛到0，并输入到PI调节器中，经PI调节器调节后输出较为稳定的误差信号，作为电流内环控制的基准信号，保证了电流内环控制的稳定性。

3、电流控制PI仿真结果

逆变电源运行达到稳态后，电流内环控制模块经过PI 调节后的输出Vd，Vq 和电压Uabc 的波形如图10 所示。

在电流内环调节中，电流经d-q 变换得到信号与经电压外环控制后输入的基准信号作比较，比较结果作为电流控制环的PI调节输入信号，经PI调节后输出稳定的控制信号Vd，Vq，如图10 所示，输出信号经过短暂的震荡收敛到了一个稳定的状态，表明了电流内环控制系统稳定性。输出的电压Uabc作为PWM发生器的输入信号，经过PWM发生器离散化之后产生PWM控制信号，形成一个闭环控制系统，保证了整个控制系统的稳定运行。

结语

本文通过分析分布式发电作为高效、清洁的发电方式，以其具有投资少、可与环境兼容等优点，及其在微电网中得到了广泛的应用。逆变电源作为微电网的重要组成部分，其设计运行的稳定性、有效性和可行性，直接会影响到整个微电网供电的电能质量。方案设计的电压外环和电流内环双环控制的逆变电源，电压外环可以增加系统的稳定性和消除静态误差，电流内环可以提高系统的快速性和动态特性。采用PI 控制策略，利用Matlab 软件建立了实验仿真平台。仿真结果表明，本方案所设计的逆变电源具有很好的稳态性能和动态性能，控制系统设计合理稳定，参数的选择合理有效。