基于單相離網逆變器Matlab仿真

分為三大主要內容：

一、設計參數計算

二、單電流環閉環仿真

三、電壓電流雙閉環仿真（PI_P）

1.1 單相離網逆變器主要參數計算

計算方式：運行M文件，從工作區變量上下限選擇合理的參數

1.1.1 直流側電解電容計算

%直流側電解電容計算
T_60Hz=1/60;
Udc=400;
Uout=120;
fs=25000;
P=3000/0.92;    %系統輸出功率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實際選取1200uF電容

1.1.2 輸出濾波電感計算

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
L_min=Udc/(4*deta_Imax*fs);      %L_rel選取0.6mH

由上圖電流峰峰值可知，電感值設計合理，接近7A；方便后續電源輸出短路過流時，計算短路保護點（采樣電感電流，一個周期采樣一次，采樣放大后，加上偏置電壓，經過雙比較器，輸出與邏輯，保護時，比較器翻轉，被DSP采集標志位，進入中斷，觸發關波流程）

1.1.3 輸出濾波電容計算

fn=3500;      %LC濾波器的截止頻率為開關頻率的1/10~1/4；這里設置約為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;

下面進入仿真專題

2.1 開環控制模型

控制部分

2.2 單電流環控制模型

2.3 其中PI控制器設置參數為P=20 I=0; M文件控制代碼如下

%% 單電流環
current_ki=0;      %ki對閉環傳遞函數波特圖影響不大；主要影響開環的低頻增益段，不影響相位裕度。加入Ki,輸出精度在要求范圍內，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，抵消主功率級控制框圖的輸入量；簡化控制框圖
L_rel=0.6e-3;        %Ki影響輸出電壓精度，反映到閉環傳遞函數上，低頻增益
Cout_rel=10e-6;
r=0.005;
%%開環傳遞函數
num=[current_kp current_ki];
den=[L_rel r 0];
G_current_open=tf(num,den)
bode(G_current_open);      %穿越頻設置在5K，開關頻率的1/5
hold on
%%電流環閉環傳遞函數      
num1=[current_kp current_ki];
den1=[L_rel r+current_kp current_ki];
G_current_close=tf(num1,den1)
bode(G_current_close);

由于這邊的開關頻率設計在25kHz，需要調試PI控制器參數，這里設置在4.5kHz左右（1/5），右下圖可知，相位裕度在90°，系統是穩定的；

上圖波特圖KP值設置為20kHz;當增大Kp到30時，系統已經畸變了，觀察下圖H橋橋臂之間電壓可以發現，已經不是單極性時候的波形。（帶寬太高，濾波效果也較差）

為什么不需要Ki參數呢，調試波特圖如下所示：增大Ki，只會影響系統的低頻增益，對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參數呢；可以這樣理解，低頻增益越大，系統的輸出電壓精度越高（直流量），可以從閉環傳遞函數在波特圖上的表現發現問題，如下所示（多次放大波特圖，閉環傳遞函數在0db的波形）

2.4 查看單電流環下，THD主要指標性能（系統存在靜差）

下面進行單電流環下，FFT分析

輸出帶載3A時，THD值2.19%

輸出帶載30A時，THD值0.92%

為什么會出現這樣的現象呢，我們梳理自動控制框圖，電流環控制其實是是采樣電感電流的，提前采樣，并沒有經過后級的CR變量（不在閉環控制當中）。因此，需要考慮，當輸出的負載擾動或者帶不同載時，CR變量是怎么影響THD指標的，我們從傳遞函數出發：

M文件代碼如下所示（也可以自己推導，自動控制原理課本系統穩定性章節）：

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]));    %單電流環控制沒有包括輸出負載和輸出電容，輸出電容和負載并聯的傳遞函數低頻段增益大于0db,隨著負載R5值越大，諧波質量越差

運行M文件，觀察波特圖，如下所示：紅色線為R0=4.8 ;藍色為R0=48；由圖可知，隨著負載的增大，后級CR并聯組成的傳遞函數在60Hz處，增益減小，因此諧波也會被放大的小些，THD減??；

由上面分析，因此，我們需要進入電壓環外環，把CR參數變量引進我們的控制中，下面進入電壓環仿真分析：

2.5 電壓環空載/滿載閉環仿真模型

先分析空載情況：目的是為了調試出電壓環Kp值，電壓環kp增大，相位裕度減小，穩定性不好，kp過小，帶寬太窄，容易影響60Hz基波；帶寬過大，仿真輸出電壓發散；另外一點，空載時，R0接近無窮大，整個系統的級聯系統發生改變，需要兼顧空滿載兩者；

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

den3=[Ro*Cout_rel 1 0];   %帶載，分母的區別

觀察波特圖（已調試好，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;

當帶寬繼續增大時，系統仿真已經發生發散現象，如下所示：輸出濾波效果明顯很差，H橋中臂電壓已經發生異?，F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，可以發現，改變Ki，對60Hz位置處的閉環傳遞函數影響很大，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，偏離目標值；

Ki值調試到1400時（已調試好），增益是-0.05db;

接著進入FFT分析，觀察跟隨性和THD指標：可以看到，輸出滿載25A時，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：120*1.414=169.68V ±1V；

一通道：輸出電壓 二通道：電感電流 三通道：單極性H橋中臂電壓

再觀察空載情況下THD指標：

空載輸出電壓指標在要求范圍內，如下所示：

2.6 輸出負載跳變測試（驗證閉環響應性能）

50%~100%負載切載測試，輸出無超調