基于Matlab的孤立逆變?cè)吹脑O(shè)計(jì)與仿真

摘 要： 隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，微電網(wǎng)技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。逆變?cè)醋鳛槲㈦娋W(wǎng)的主要組成部分，逆變?cè)垂ぷ鞯姆€(wěn)定情況直接影響到微電網(wǎng)的電能質(zhì)量。PWM逆變器輸出波形的質(zhì)量和動(dòng)態(tài)性能主要決定因素是采用控制和實(shí)現(xiàn)方法。基于Matlab軟件平臺(tái)，采用雙環(huán)控制策略設(shè)計(jì)的逆變?cè)矗肕atlab?Simulink?SimPowerSystems的工具箱進(jìn)行建模仿真，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)方案的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞： Matlab； 逆變?cè)矗?建模仿真； 雙環(huán)控制

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）16?0164?03

0 引 言

隨著太陽(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(guó)家競(jìng)相研究的熱點(diǎn)，在美國(guó)、歐洲等技術(shù)成熟的國(guó)家和地區(qū)，以將其廣泛應(yīng)用在微電網(wǎng)中[1?3]。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(shí)施中得到了廣泛的應(yīng)用。設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行仿真，通過仿真驗(yàn)證了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)的合理性和有效性。

1 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(lái)控制。通過對(duì)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(duì)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(lái)調(diào)節(jié)，就會(huì)使輸入功率因數(shù)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(diào)節(jié)輸入功率時(shí)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 Modulation）型變頻電路，其基本的工作原理是對(duì)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(lái)替代正弦波。按要求的規(guī)則對(duì)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[4?5]。

2 孤立逆變?cè)措p環(huán)控制策略

如圖2所示，為設(shè)計(jì)的基于PWM孤立逆變?cè)吹碾妷弘娏麟p環(huán)控制原理圖。控制外環(huán)為電壓控制環(huán)，電壓[Vabc]的反饋值由測(cè)量模塊2測(cè)得，并與給定的參考值進(jìn)行比較，誤差信號(hào)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(cè)量模塊1測(cè)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(hào)，經(jīng)過PWM發(fā)生器離散化之后產(chǎn)生PWM控制信號(hào)[6]。

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(hào)[ut]既反映輸入信號(hào)[et]，又反映[et]對(duì)t的積分，即：

[ut=kPet+kPTI0tetdt]

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

在控制工程實(shí)踐中，PI控制器主要用來(lái)改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能[7]。PI參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)置，對(duì)控制效果至關(guān)重要，可調(diào)積分時(shí)間常數(shù)[TI]會(huì)影響系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間和穩(wěn)定性，可調(diào)比例系數(shù)[kP]會(huì)對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生影響。在本文設(shè)計(jì)的孤立逆變?cè)粗校霉こ陶ǖ姆椒ǎ瑢?duì)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(duì)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。

3 仿真結(jié)果

根據(jù)控制方案，設(shè)計(jì)的孤立逆變?cè)吹慕７抡媸褂肕atlab?Simulink?SimPowerSystems軟件平臺(tái)來(lái)完成。仿真時(shí)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(jì)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。

3.1 逆變?cè)捶抡娼Y(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(shí)間就達(dá)到了穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，經(jīng)測(cè)量模塊2測(cè)量輸出的電流[Iabc]和電壓[Vabc]，測(cè)量模塊1測(cè)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。

表1 仿真模型主要參數(shù)

逆變電源運(yùn)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(yùn)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。

3.2 電壓控制PI仿真結(jié)果

逆變電源運(yùn)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(hào)及經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后的輸出信號(hào)如圖9所示。由圖9的輸出波形可知，輸入到PI的Vd，Vq信號(hào)經(jīng)過短暫的波動(dòng)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(hào)，作為電流內(nèi)環(huán)控制的基準(zhǔn)信號(hào)，保證了電流內(nèi)環(huán)控制的穩(wěn)定性。

調(diào)節(jié)前的輸入波形

3.3 電流控制PI仿真結(jié)果

逆變電源運(yùn)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(hào)與經(jīng)電壓外環(huán)控制后輸入的基準(zhǔn)信號(hào)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(hào)，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后輸出穩(wěn)定的控制信號(hào)Vd，Vq，如圖10所示，輸出信號(hào)經(jīng)過短暫的震蕩收斂到了一個(gè)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(hào)，經(jīng)過PWM發(fā)生器離散化之后產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，保證了整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié) 語(yǔ)

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(diǎn)，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(jì)運(yùn)行的穩(wěn)定性、有效性和可行性，直接會(huì)影響到整個(gè)微電網(wǎng)供電的電能質(zhì)量。設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)特性。采用PI控制策略，利用Matlab軟件建立了實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的逆變電源具有很好的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理穩(wěn)定，參數(shù)的選擇合理有效。

參考文獻(xiàn)

[1] LASSETER R， ABBAS A， MARNAY C， et al. Integration of distributed energy resources： the CERTS micro?grid concept [R]. USA： California Energy Commission， 2003.

[2] 吳云亞，闞加榮，謝少軍.適用于低壓微電網(wǎng)的逆變器控制策略設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36（6）：39?44.

[3] 盛鹍，孔力，齊智平，等.新型電網(wǎng)：微電網(wǎng)（Microgrid）研究綜述[J].繼電器，2007，35（12）：75?81.

[4] 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[5] 蘇海濱.電力電子技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[6] 朱承邦，李樂，王曉鵬.SPWM控制的電壓、電流雙環(huán)逆變器建模及其仿真[J].中國(guó)船艦研究，2009（4）：54?57.

[7] 王孝武，方敏，葛鎖良.自動(dòng)控制理論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.