基于单相离网逆变器Matlab仿真

分为三大主要内容：

一、设计参数计算

二、单电流环闭环仿真

三、电压电流双闭环仿真（PI_P）

1.1 单相离网逆变器主要参数计算

计算方式：运行M文件，从工作区变量上下限选择合理的参数

1.1.1 直流侧电解电容计算

%直流侧电解电容计算
T_60Hz=1/60;
Udc=400;
Uout=120;
fs=25000;
P=3000/0.92;    %系统输出功率3000W,输出效率92%
Cdc_min=6*T_60Hz/(2*Udc^2)*P;
Cdc_max=8*T_60Hz/(2*Udc^2)*P;    %Cdc_rel实际选取1200uF电容

1.1.2 输出滤波电感计算

w=2*pi*60;    %输出电压频率60Hz
I_nom=25;
I_max=I_nom*1.414;
deta_Imax=0.2*I_max;
L_max=0.05*Uout/(w*I_nom);      %电感上的压降在额定电压的5%以内
L_min=Udc/(4*deta_Imax*fs);      %L_rel选取0.6mH

由上图电流峰峰值可知，电感值设计合理，接近7A；方便后续电源输出短路过流时，计算短路保护点（采样电感电流，一个周期采样一次，采样放大后，加上偏置电压，经过双比较器，输出与逻辑，保护时，比较器翻转，被DSP采集标志位，进入中断，触发关波流程）

1.1.3 输出滤波电容计算

fn=3500;      %LC滤波器的截止频率为开关频率的1/10~1/4；这里设置约为1/8
L_rel=0.6e-3;
Cout_max=0.05*I_nom/(w*Uout);
Cout_min=1/((2*pi*fn)^2)/L_rel;   %输出滤波电容取值为10uF
Cout_rel=10e-6;

下面进入仿真专题

2.1 开环控制模型

控制部分

2.2 单电流环控制模型

2.3 其中PI控制器设置参数为P=20 I=0; M文件控制代码如下

%% 单电流环
current_ki=0;      %ki对闭环传递函数波特图影响不大；主要影响开环的低频增益段，不影响相位裕度。加入Ki,输出精度在要求范围内，可以不加Ki
current_kp=20;     %引入输出电压前馈到控制器，作为控制器的一部分，抵消主功率级控制框图的输入量；简化控制框图
L_rel=0.6e-3;        %Ki影响输出电压精度，反映到闭环传递函数上，低频增益
Cout_rel=10e-6;
r=0.005;
%%开环传递函数
num=[current_kp current_ki];
den=[L_rel r 0];
G_current_open=tf(num,den)
bode(G_current_open);      %穿越频设置在5K，开关频率的1/5
hold on
%%电流环闭环传递函数      
num1=[current_kp current_ki];
den1=[L_rel r+current_kp current_ki];
G_current_close=tf(num1,den1)
bode(G_current_close);

由于这边的开关频率设计在25kHz，需要调试PI控制器参数，这里设置在4.5kHz左右（1/5），右下图可知，相位裕度在90°，系统是稳定的；

上图波特图KP值设置为20kHz;当增大Kp到30时，系统已经畸变了，观察下图H桥桥臂之间电压可以发现，已经不是单极性时候的波形。（带宽太高，滤波效果也较差）

为什么不需要Ki参数呢，调试波特图如下所示：增大Ki，只会影响系统的低频增益，对穿越频率处的带宽并不影响，也不影响相位裕度；

那影响低频增益为什么可以不要Ki参数呢；可以这样理解，低频增益越大，系统的输出电压精度越高（直流量），可以从闭环传递函数在波特图上的表现发现问题，如下所示（多次放大波特图，闭环传递函数在0db的波形）

2.4 查看单电流环下，THD主要指标性能（系统存在静差）

下面进行单电流环下，FFT分析

输出带载3A时，THD值2.19%

输出带载30A时，THD值0.92%

为什么会出现这样的现象呢，我们梳理自动控制框图，电流环控制其实是是采样电感电流的，提前采样，并没有经过后级的CR变量（不在闭环控制当中）。因此，需要考虑，当输出的负载扰动或者带不同载时，CR变量是怎么影响THD指标的，我们从传递函数出发：

M文件代码如下所示（也可以自己推导，自动控制原理课本系统稳定性章节）：

L1=0.0006;
C1=0.00001;
r=0.005;
Rout=4.8;                        %改变R5值，观察波特图
bode(tf([Rout],[Rout*C1 1]));    %单电流环控制没有包括输出负载和输出电容，输出电容和负载并联的传递函数低频段增益大于0db,随着负载R5值越大，谐波质量越差

运行M文件，观察波特图，如下所示：红色线为R0=4.8 ;蓝色为R0=48；由图可知，随着负载的增大，后级CR并联组成的传递函数在60Hz处，增益减小，因此谐波也会被放大的小些，THD减小；

由上面分析，因此，我们需要进入电压环外环，把CR参数变量引进我们的控制中，下面进入电压环仿真分析：

2.5 电压环空载/满载闭环仿真模型

先分析空载情况：目的是为了调试出电压环Kp值，电压环kp增大，相位裕度减小，稳定性不好，kp过小，带宽太窄，容易影响60Hz基波；带宽过大，仿真输出电压发散；另外一点，空载时，R0接近无穷大，整个系统的级联系统发生改变，需要兼顾空满载两者；

den2=[Cout_rel 0 0];      %输出空载，R0接近无穷大

den3=[Ro*Cout_rel 1 0];   %带载，分母的区别

观察波特图（已调试好，如下代码）：改变Ki,影响低频增益，相位裕度比较靠近，影响不大；

改变Kp,很影响带宽，这里Kp等于0.45，带宽跑在4.2kHz左右，合理；

voltage_kp=0.45;   
voltage_ki=1400;

当带宽继续增大时，系统仿真已经发生发散现象，如下所示：输出滤波效果明显很差，H桥中臂电压已经发生异常现象；

确定好Kp后，接着分析带载情况下，波特图：放大波特图在60Hz位置，可以发现，改变Ki，对60Hz位置处的闭环传递函数影响很大，我们单相逆变器输出想要的120Vac/60Hz被衰减了，跟随性不好，输出电压精度变差，偏离目标值；

Ki值调试到1400时（已调试好），增益是-0.05db;

接着进入FFT分析，观察跟随性和THD指标：可以看到，输出满载25A时，THD值0.90%；输出电压峰值168.8V,在我们的输出电压要求范围内：120*1.414=169.68V ±1V；

一通道：输出电压 二通道：电感电流 三通道：单极性H桥中臂电压

再观察空载情况下THD指标：

空载输出电压指标在要求范围内，如下所示：

2.6 输出负载跳变测试（验证闭环响应性能）

50%~100%负载切载测试，输出无超调