SPWM波控制逆變器雙閉環(huán)PID調(diào)節(jié)器的建模與仿真

隨著電力行業(yè)的快速發(fā)展，逆變器的應(yīng)用越來越廣泛，逆變器的好壞會(huì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的逆變性能和帶載能力。逆變器的控制目標(biāo)是提高逆變器輸出電壓的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，穩(wěn)態(tài)性能主要是指輸出電壓的穩(wěn)態(tài)精度和提高帶不平衡負(fù)載的能力；動(dòng)態(tài)性能主要是指輸出電壓的THD(Total Hannonic Distortion)和負(fù)載突變時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)水平。在這些指標(biāo)中對(duì)輸出電壓的THD要求比較高，對(duì)于三相逆變器，一般要求阻性負(fù)載滿載時(shí)THD小于2%,非線性滿載(整流性負(fù)載)的THD小于5%.這些指標(biāo)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(shù)學(xué)模型，并采用電壓有效值外環(huán)和電壓瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)進(jìn)行控制。針對(duì)UPS單模塊10 kVA單相電壓型SPWM逆變器進(jìn)行建模仿真。通過仿真，驗(yàn)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(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，THD低等優(yōu)點(diǎn)。并以仿真為先導(dǎo)，將其思想移植到具體開發(fā)中，達(dá)到預(yù)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(jié)構(gòu)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分別是用來驅(qū)動(dòng)IGBT的三電平的SPWM波，U0為輸出負(fù)載兩端的電壓。在建立控制系統(tǒng)的仿真模型時(shí)，需要采集負(fù)載兩端的電壓與實(shí)際要求的電樂值做比較，然后通過調(diào)節(jié)器可以得到所需要調(diào)節(jié)的值。在此仿真模型中，驅(qū)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(xì)描述。在Matlah的Simlink庫(kù)中SPWM波的產(chǎn)生如圖2所示，這里調(diào)制比設(shè)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察其波形，結(jié)果如圖3所示。

圖3 四相SPWM驅(qū)動(dòng)波形2 雙環(huán)控制的選取

在逆變控制系統(tǒng)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(hào)與正弦信號(hào)相乘的結(jié)果作為SPWM的調(diào)制信號(hào)。這種方法的輸出波形穩(wěn)壓精度較高，穩(wěn)定性好，但最大的缺陷在于逆變器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)很差，完全依靠逆變器的自然特性，輸出電壓的波形質(zhì)量無法控制。當(dāng)負(fù)載為非線性負(fù)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(nèi)環(huán)電壓瞬時(shí)環(huán)，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，采樣回來的輸出電壓會(huì)在電壓瞬時(shí)環(huán)的控制下，保持良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，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(hào)U為系統(tǒng)所要求的信號(hào)，U為系統(tǒng)輸出信號(hào)。本系統(tǒng)將PID調(diào)節(jié)器1設(shè)置為電壓瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)，將PID調(diào)節(jié)器2設(shè)置為電壓均值外環(huán)。

3 建立仿真模型

在Simulink下構(gòu)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?fù)潆娐罚刂齐娐泛拓?fù)載電路4部分組成。控制電路實(shí)現(xiàn)了電壓雙環(huán)控制，同時(shí)為SPWM脈沖提供調(diào)制信號(hào)，負(fù)載可以選擇阻性載或整流載。

3.1 建立主拓?fù)潆娐?/strong>

首先來建立逆變器的主拓?fù)潆娐贰８鶕?jù)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(kù)根據(jù)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?fù)浞抡婺Ｐ汀?/p>

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