基于Matlab的孤立逆变电源设计方案

　　基于Matlab软件平台，采用双环控制策略设计的逆变源，利用Matlab-Simulink-SimPowerSystems的工具箱进行建模仿真，验证了本文所设计方案的可行性和有效性。

　　0 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。

　　1 PWM逆变器的威廉希尔官方网站 结构和工作原理

　　在交-直-交变频器中，通常要求直流威廉希尔官方网站 采用可控硅整流威廉希尔官方网站 ，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。通过对逆变器触发威廉希尔官方网站 频率的控制，可以改变输出电压Uo 的频率。但是，这种变频威廉希尔官方网站 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）所示的变频威廉希尔官方网站 。这种威廉希尔官方网站 通常称为PWM（Pulse Width Modula-tion）型变频威廉希尔官方网站 ，其基本的工作原理是对逆变威廉希尔官方网站 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，既可改变威廉希尔官方网站 输出电压的大小，又可以改变输出电压的频率。

　　

　　2 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.

　　3 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。

　　

　　3.1 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。

　　3.2 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。

　　

　　3.3 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。

　　

　　4 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。