独立逆变器系统MATLAB-simulink建模及仿真

         独立逆变器不同于并网逆变器，是一种将直流电转换为特定频率与幅值交流电的电力电子装置，一般作为EPS、UPS以及孤岛微电网系统的雏形装置。由于其负载的多样性导致独立逆变器必须具备快速适应负载变化的特性。本设计通过对独立逆变器系统传递函数分析并由分析结果设计PID控制器，实现了电压电流三闭环的控制系统仿真，其仿真结果在不同比例系数下做了比较，同开环系统相比更具备快速响应能力和更高的系统稳定性，对不同的负载变化也更加满足响应要求。

一、系统框架图

      本设计逆变器主电路如图所示，经过LCL滤波器，滤除高频成分在负载处获得光滑的正弦波，控制技术采用正弦脉宽调制法（SPWM），图中L1、L2为滤波电感，其各自线路有等效阻抗RL。

假设负载为电阻R时，输出电压与输入电压之间的传递函数为：

 

     当负载为R无穷大时，得到逆变空载时的传递函数：

        由于逆变器在空载时的阻尼最小，振荡性最为强烈，控制难度也大，因此控制器的设计也必须基于空载来进行，逆变器空载时的传递函数可表示为： 

其中， 

        设计中，滤波电感L=2mH，RL=1Ω，滤波电容C=20uF，功率管开关频率为10KHz，代入式可得： 

阻尼系数 转折频率为

       由自控原理知识，系统在转折频率处出现较大的谐振峰值，且随着负载R得不断增大谐振峰值也增加，在R无穷大空载时，谐振峰值达到最大， 为了保证系统在任何负载条件下都能够稳定，设计时以空载状态下谐振频率点处的稳定性作为设计指标。

二、PID算法及控制器设计

       模拟式PID算法表达式为

      其中， 为控制器的输出信号，为误差信号，是比例系数，是积分时间常数，是微分时间常数，写成传递函数形式： 

以和式代替积分，以增量代替微分，离散化后，为

其中，T为采样周期，令积分系数，微分系数，则有 

增量式PID算法为：

        当逆变器采用PID控制方式时，由于被控对象本身为相位滞后系统，逆变桥在系统中的作用也等效为一阶保持器，具有一个开关周期的滞后效应，再加上数控系统本身的计算延迟，使整个系统滞后效应非常明显，宜采用P调节器或微分作用很小的PD调节器，不宜采用具有滞后作用的积分运算。

        PID控制器参数的整定一般采用试凑法，先采用比例控制器，KP有小到大逐渐改变直到系统变得不稳定，如果此时可以得到满意的系统特性，表明只采用比例调节器即可。如果系统的动态特性和 稳定精度不能满足要求，可采用PI调节器。开始时，把参数TI设大一些，然后反复调整KP和TI。如果系统的动态特性不能满足要求，可以再加入微分调节器。TD由小到大逐次改变，并相应改变KP值，反复试凑，直到得到满意的性能为止。

        在控制过程中，不希望输出值出现极限状态，为安全起见，设置了上限限位和下限限位。

 三、仿真建模及结果分析

1、独立逆变器建模

        独立逆变器不同于并网逆变器，这是一种将直流电转换为特定频率与幅值交流电的电力电子装置，一般作为EPS、UPS以及孤岛微电网系统的雏形装置。直流侧接蓄电池，由大电容稳压，经逆变桥转换为交流电，再经滤波器输出至负载端，由于负载的多样性导致独立逆变器必须具备快速适应负载变化的特性。
       利用matlab建立了基于电压电流内环的单相独立逆变器的仿真模型，如图2所示。

 

         电压外环的输出量Uref*(311V)与输出端电压Uac的误差值送入PID调节器，PID调节器输出信号Iref*，Iref*作为电流内环的给定信号，电流互感器采集的负载电流信号与Iref*的误差值送入PID调节器，产生用于产生PWM脉冲的调制波信号，从而保证独立逆变器输出端电压与负载电流的稳定性。PID调节器的输出可用于限制负载电流幅值以防止系统过流从而起到保护独立逆变器的作用。

        SPWM产生模块如下图：

         IGBT全桥逆变双脉冲输入模块如下图：

 

 2、仿真结果

 独立逆变器输出电压与电流波形

独立逆变器输出电压波形

独立逆变器输出电压反馈处误差波形

四、1KW储能逆变器功能说明

1、储能逆变器两种工作模式

（1）并网模式（并网充电、并网放电）；（2）独立逆变模式。

2、运行状态描述

        当逆变器器开机进入初始状态时，控制系统将完成自检，以验证控制和传感器系统的完整性。监控和保护功能正常启动，变流器进入停机状态。停机状态时，储能变流器封锁IGBT脉冲，断开交直流继电器。待机状态时，储能变流器封锁IGBT脉冲，但闭合交直流继电器，变流器处于热备份状态。

        储能逆变器可以在不同模式中转换，需要满足的条件如图7所示。

 3、功能描述

①运行信息，即运行指示灯和实时数据显示功能。实时数据显示包括：“直流电压”，“直流电流”，“电网电压”，“电网电流”，“电网频率”，“机内温度”，“充电功率”，“放电功率”，“有功功率”，“无功功率”，“功率因数”以及当前工作状态，各模块温度等等。

②三种模式功能：

充电模式---包括恒压充电、恒流充电、恒功率充电；

放电模式---包括限压放电、恒流放电、恒功率放电；

控制模式---包括待机、停机、计时充放电、独立逆变功能。

③参数设置功能：

系统参数设置---包括密码设置、时钟、电量校正、恢复出厂；

保护参数设置---直流过压点、直流欠压点、电网过频值、电网欠频值、电网过压值、电网欠压值；

通讯参数设置---设置设备地址、波特率、通讯方式。

④历史信息查询功能：

历史事件---机器最近的100条运行信息（非故障）；

故障信息---机器最近的100条故障信息，包括发生时间和故障类型。