SPWM波控制逆变器双闭环PID调节器的建模与仿真

随着电力行业的快速发展，逆变器的应用越来越广泛，逆变器的好坏会直接影响整个系统的逆变性能和带载能力。逆变器的控制目标是提高逆变器输出电压的稳态和动态性能，稳态性能主要是指输出电压的稳态精度和提高带不平衡负载的能力；动态性能主要是指输出电压的THD(Total Hannonic Distortion)和负载突变时的动态响应水平。在这些指标中对输出电压的THD要求比较高，对于三相逆变器，一般要求阻性负载满载时THD小于2%,非线性满载(整流性负载)的THD小于5%.这些指标与逆变器的控制策略息息相关。文中主要介绍如何建立电压双环SPWM逆变器的数学模型，并采用电压有效值外环和电压瞬时值内环进行控制。针对UPS单模块10 kVA单相电压型SPWM逆变器进行建模仿真。通过仿真，验证了控制思路的正确性以及存该控制策略下的逆变器所具有的鲁棒性强，动态响应快，THD低等优点。并以仿真为先导，将其思想移植到具体开发中，达到预期效果。

1 三电平逆变器单相控制模型的建立

带LC滤波器的单相逆变器的主电路结构如图1所示。图1中L为输出滤波电感，C为滤波电容，T1,T2,T3,T4分别是用来驱动IGBT的三电平的SPWM波，U0为输出负载两端的电压。在建立控制系统的仿真模型时，需要采集负载两端的电压与实际要求的电乐值做比较，然后通过调节器可以得到所需要调节的值。在此仿真模型中，驱动波形采用的是三电平的SPWM波形，具体的产生原理在这不做详细描述。在Matlah的Simlink库中SPWM波的产生如图2所示，这里调制比设为0.8。

图1 三电平逆变器单相主电路

图2 四相SPWM产生电路

在B1,B2,B3,B4端口用模拟示波器观察其波形，结果如图3所示。

图3 四相SPWM驱动波形2 双环控制的选取

在逆变控制系统中，采用输出电压有效值反馈的方法进行控制，这种方法通过将输出电压有效值与实际所要求的电压有效值进行比较，误差信号与正弦信号相乘的结果作为SPWM的调制信号。这种方法的输出波形稳压精度较高，稳定性好，但最大的缺陷在于逆变器的动态响应很差，完全依靠逆变器的自然特性，输出电压的波形质量无法控制。当负载为非线性负载时，由于逆变器输出阻抗的影响，输出电压波形的THD比较大。为解决以上的缺陷，引入内环电压瞬时环，当负载发生变化时，采样回来的输出电压会在电压瞬时环的控制下，保持良好的动态响应，控制框图如图4所示。

图4 双环控制框图

在图4中，输入信号U为系统所要求的信号，U为系统输出信号。本系统将PID调节器1设置为电压瞬时值内环，将PID调节器2设置为电压均值外环。

3 建立仿真模型

在Simulink下构建三电平逆变器的仿真模型，该模型主要由三电平的SPWM产生电路，主拓扑电路，控制电路和负载电路4部分组成。控制电路实现了电压双环控制，同时为SPWM脉冲提供调制信号，负载可以选择阻性载或整流载。

3.1 建立主拓扑电路

首先来建立逆变器的主拓扑电路。根据图1所示的电路原理，在Matlab环境下新建一个上程，然后存Simulink库根据需要找出二极管和IGBT,连接电路图便可得到如图5所示的单相逆变器的主拓扑仿真模型。