基于單相離網(wǎng)逆變器Matlab仿真

分為三大主要內(nèi)容：

一、設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

二、單電流環(huán)閉環(huán)仿真

三、電壓電流雙閉環(huán)仿真（PI_P）

1.1 單相離網(wǎng)逆變器主要參數(shù)計(jì)算

計(jì)算方式：運(yùn)行M文件，從工作區(qū)變量上下限選擇合理的參數(shù)

1.1.1 直流側(cè)電解電容計(jì)算

%直流側(cè)電解電容計(jì)算
T_60Hz=1/60;
Udc=400;
Uout=120;
fs=25000;
P=3000/0.92;    %系統(tǒng)輸出功率3000W,輸出效率92%
Cdc_min=6*T_60Hz/(2*Udc^2)*P;
Cdc_max=8*T_60Hz/(2*Udc^2)*P;    %Cdc_rel實(shí)際選取1200uF電容

1.1.2 輸出濾波電感計(jì)算

w=2*pi*60;    %輸出電壓頻率60Hz
I_nom=25;
I_max=I_nom*1.414;
deta_Imax=0.2*I_max;
L_max=0.05*Uout/(w*I_nom);      %電感上的壓降在額定電壓的5%以內(nèi)
L_min=Udc/(4*deta_Imax*fs);      %L_rel選取0.6mH

由上圖電流峰峰值可知，電感值設(shè)計(jì)合理，接近7A；方便后續(xù)電源輸出短路過(guò)流時(shí)，計(jì)算短路保護(hù)點(diǎn)（采樣電感電流，一個(gè)周期采樣一次，采樣放大后，加上偏置電壓，經(jīng)過(guò)雙比較器，輸出與邏輯，保護(hù)時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，被DSP采集標(biāo)志位，進(jìn)入中斷，觸發(fā)關(guān)波流程）

1.1.3 輸出濾波電容計(jì)算

fn=3500;      %LC濾波器的截止頻率為開(kāi)關(guān)頻率的1/10~1/4；這里設(shè)置約為1/8
L_rel=0.6e-3;
Cout_max=0.05*I_nom/(w*Uout);
Cout_min=1/((2*pi*fn)^2)/L_rel;   %輸出濾波電容取值為10uF
Cout_rel=10e-6;

下面進(jìn)入仿真專題

2.1 開(kāi)環(huán)控制模型

控制部分

2.2 單電流環(huán)控制模型

2.3 其中PI控制器設(shè)置參數(shù)為P=20 I=0; M文件控制代碼如下

%% 單電流環(huán)
current_ki=0;      %ki對(duì)閉環(huán)傳遞函數(shù)波特圖影響不大；主要影響開(kāi)環(huán)的低頻增益段，不影響相位裕度。加入Ki,輸出精度在要求范圍內(nèi)，可以不加Ki
current_kp=20;     %引入輸出電壓前饋到控制器，作為控制器的一部分，抵消主功率級(jí)控制框圖的輸入量；簡(jiǎn)化控制框圖
L_rel=0.6e-3;        %Ki影響輸出電壓精度，反映到閉環(huán)傳遞函數(shù)上，低頻增益
Cout_rel=10e-6;
r=0.005;
%%開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)
num=[current_kp current_ki];
den=[L_rel r 0];
G_current_open=tf(num,den)
bode(G_current_open);      %穿越頻設(shè)置在5K，開(kāi)關(guān)頻率的1/5
hold on
%%電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)      
num1=[current_kp current_ki];
den1=[L_rel r+current_kp current_ki];
G_current_close=tf(num1,den1)
bode(G_current_close);

由于這邊的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)計(jì)在25kHz，需要調(diào)試PI控制器參數(shù)，這里設(shè)置在4.5kHz左右（1/5），右下圖可知，相位裕度在90°，系統(tǒng)是穩(wěn)定的；

上圖波特圖KP值設(shè)置為20kHz;當(dāng)增大Kp到30時(shí)，系統(tǒng)已經(jīng)畸變了，觀察下圖H橋橋臂之間電壓可以發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)不是單極性時(shí)候的波形。（帶寬太高，濾波效果也較差）

為什么不需要Ki參數(shù)呢，調(diào)試波特圖如下所示：增大Ki，只會(huì)影響系統(tǒng)的低頻增益，對(duì)穿越頻率處的帶寬并不影響，也不影響相位裕度；

那影響低頻增益為什么可以不要Ki參數(shù)呢；可以這樣理解，低頻增益越大，系統(tǒng)的輸出電壓精度越高（直流量），可以從閉環(huán)傳遞函數(shù)在波特圖上的表現(xiàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，如下所示（多次放大波特圖，閉環(huán)傳遞函數(shù)在0db的波形）

2.4 查看單電流環(huán)下，THD主要指標(biāo)性能（系統(tǒng)存在靜差）

下面進(jìn)行單電流環(huán)下，F(xiàn)FT分析

輸出帶載3A時(shí)，THD值2.19%

輸出帶載30A時(shí)，THD值0.92%

為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象呢，我們梳理自動(dòng)控制框圖，電流環(huán)控制其實(shí)是是采樣電感電流的，提前采樣，并沒(méi)有經(jīng)過(guò)后級(jí)的CR變量（不在閉環(huán)控制當(dāng)中）。因此，需要考慮，當(dāng)輸出的負(fù)載擾動(dòng)或者帶不同載時(shí)，CR變量是怎么影響THD指標(biāo)的，我們從傳遞函數(shù)出發(fā)：

M文件代碼如下所示（也可以自己推導(dǎo)，自動(dòng)控制原理課本系統(tǒng)穩(wěn)定性章節(jié)）：

L1=0.0006;
C1=0.00001;
r=0.005;
Rout=4.8;                        %改變R5值，觀察波特圖
bode(tf([Rout],[Rout*C1 1]));    %單電流環(huán)控制沒(méi)有包括輸出負(fù)載和輸出電容，輸出電容和負(fù)載并聯(lián)的傳遞函數(shù)低頻段增益大于0db,隨著負(fù)載R5值越大，諧波質(zhì)量越差

運(yùn)行M文件，觀察波特圖，如下所示：紅色線為R0=4.8 ;藍(lán)色為R0=48；由圖可知，隨著負(fù)載的增大，后級(jí)CR并聯(lián)組成的傳遞函數(shù)在60Hz處，增益減小，因此諧波也會(huì)被放大的小些，THD減?。?/p>

由上面分析，因此，我們需要進(jìn)入電壓環(huán)外環(huán)，把CR參數(shù)變量引進(jìn)我們的控制中，下面進(jìn)入電壓環(huán)仿真分析：

2.5 電壓環(huán)空載/滿載閉環(huán)仿真模型

先分析空載情況：目的是為了調(diào)試出電壓環(huán)Kp值，電壓環(huán)kp增大，相位裕度減小，穩(wěn)定性不好，kp過(guò)小，帶寬太窄，容易影響60Hz基波；帶寬過(guò)大，仿真輸出電壓發(fā)散；另外一點(diǎn)，空載時(shí)，R0接近無(wú)窮大，整個(gè)系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)發(fā)生改變，需要兼顧空滿載兩者；

den2=[Cout_rel 0 0];      %輸出空載，R0接近無(wú)窮大

den3=[Ro*Cout_rel 1 0];   %帶載，分母的區(qū)別

觀察波特圖（已調(diào)試好，如下代碼）：改變Ki,影響低頻增益，相位裕度比較靠近，影響不大；

改變Kp,很影響帶寬，這里Kp等于0.45，帶寬跑在4.2kHz左右，合理；

voltage_kp=0.45;   
voltage_ki=1400;

當(dāng)帶寬繼續(xù)增大時(shí)，系統(tǒng)仿真已經(jīng)發(fā)生發(fā)散現(xiàn)象，如下所示：輸出濾波效果明顯很差，H橋中臂電壓已經(jīng)發(fā)生異?，F(xiàn)象；

確定好Kp后，接著分析帶載情況下，波特圖：放大波特圖在60Hz位置，可以發(fā)現(xiàn)，改變Ki，對(duì)60Hz位置處的閉環(huán)傳遞函數(shù)影響很大，我們單相逆變器輸出想要的120Vac/60Hz被衰減了，跟隨性不好，輸出電壓精度變差，偏離目標(biāo)值；

Ki值調(diào)試到1400時(shí)（已調(diào)試好），增益是-0.05db;

接著進(jìn)入FFT分析，觀察跟隨性和THD指標(biāo)：可以看到，輸出滿載25A時(shí)，THD值0.90%；輸出電壓峰值168.8V,在我們的輸出電壓要求范圍內(nèi)：120*1.414=169.68V ±1V；

一通道：輸出電壓 二通道：電感電流 三通道：?jiǎn)螛O性H橋中臂電壓

再觀察空載情況下THD指標(biāo)：

空載輸出電壓指標(biāo)在要求范圍內(nèi)，如下所示：

2.6 輸出負(fù)載跳變測(cè)試（驗(yàn)證閉環(huán)響應(yīng)性能）

50%~100%負(fù)載切載測(cè)試，輸出無(wú)超調(diào)