基于PSIM及其DLL模块的单相全桥并网逆变器仿真

2023-11-15

摘要：本文简单地介绍了单相全桥并网逆变器的闭环控制原理，利用PSIM软件来进行仿真实验。

关键词：单相闭环控制 PSIM DLL 锁相环过零检测进网电流反馈 SPWM

因在研究过程中参考的不少文献忘记标记了，所以无法一一列出，如有侵权，请联系本人进行删改。再者，我自个水平有限，若有错误，烦请大伙不吝指正。

一、整体介绍

图1是一个简单的单相全桥并网逆变器的电路图。主电路无需赘述，关键看控制部分。首先，对于并网逆变器而言，要使得逆变产生的交流电压的大小、频率以及相位与电网电压一致，也就是要达到并网的要求。而对电网电压的频率和相位进行跟踪并使得输出电压始终与之保持一致的结构我们称之为“锁相环”(PLL，PhaseLockLoop)，具体如何实现后面再讲；接着是进行反馈控制。一般常见的做法是采集电网电流，与通过锁相环后产生的参考电流进行比较后，经过我们的控制器，最后产生驱动开关管通断的信号；最后是考虑我们的调制策略。一般是采用正弦波脉冲宽度调制（SPWM），而细分又有双极性调制，单极性调制，单极性倍频调制等等，这边简单介绍其中的两种。

图1 单相全桥并网逆变器电路及其闭环控制结构

综上所述，整个电路的工作流程是：实时采集电网电压，通过锁相环后，产生一个参考电流信号，与采集到的进网电流信号进行比较，误差值通过我们的控制器（常见的有PI控制器和PR控制器等等，这边采用比较简单的PI控制器）后，生成驱动信号，结合采用的调制策略，对四个开关管进行调制，从而产生与电网电压大小，频率以及相位都一致的输出电压。控制框图如图2。

图2 单相并网逆变器控制框图

二、锁相环及其利用DLL实现

锁相环的实现方式有很多，针对单相和三相系统，似乎也有不同的方法，这边只是介绍最简单的过零检测。其思想是：每检测到一个从负到正（或是从正到负）的零点时，就意味着距离上次检测到同样的过零点已经经过了一个电网电压周期的时间。通过计数这段时间，就知道了频率，再以此时为初始，就知道后面每时每刻电网电压的相位。
图3 锁相环实现原理

图3 锁相环实现原理

具体到DLL模块中的程序实现，由于PSIM是每过一个设定的时间步长进一次DLL模块，执行里面的程序，而设定的仿真时间步长一般很短，比如10e-7s，实际不需要这么频繁采集数据，更改占空比，所以一般可定义一个全局静态变量来进行计数，每经过一个开关周期的时间再来更改一次占空比，而这个开关周期就可作为时间的基准，也就相当于单片机中的一个定时器。有了时间基准后，可以计得一个电网电压周期的数值（比如为M)，那么在后面第i个时刻我们就知道此时的电压电压的相位为（i/M*2Π）。

另一个问题是如何生成参考电流信号。就我目前的理解是，设定好我们需要的输出功率，采集电网电压有效值（具体做法可以查询网上关于获取电压有效值的相关资料），就知道电流有效值为多少。举例来说，在单位功率因数下，设定输出功率为Po，输出电压有效值为Uo，那么我们的参考电流iref=1.414Po/Uosin(i/M*2Π）。

最后，要知道的是，象征电网电压周期的计数值可能会每个周期变化一次（由于电网电压频率不一定是时时保持在50Hz），另外，过零检测的缺点在于如果电网电压发生畸变，比如在短时间内有若干个过零点，那么我们获得的频率，相位就不一定准确了。

三、进网电流反馈及其实现

常见的PI控制器，由于跟踪的是交流信号，所以效果不会特别好~~（我自个还不太懂原因是啥，嘻嘻）~~ ，后面学者们又提出了新的PR控制器。但是PR控制器比较复杂，而且PI控制器加上电网电压前馈控制后，进网电流的质量已经足够（前馈控制请自行百度了解），所以这里采用PI控制器。

而这里需要介绍的就是如何将其利用程序实现。在matlab中可以直接添加传递函数模块，而在DLL模块中，我们需要编写c代码，就要将其离散化。据徐德鸿教授的《电力电子系统建模及控制》一书介绍，将模拟控制器离散化主要有三种方法：冲激响应不变法，阶跃响应不变法，双线性变换法。而通过冲激响应不变法得到的PI方程如下：

图4 PI控制器离散化

四、开关管的调制策略及其实现

学习“电力电子技术”课程的时候我们已经知道，SPWM的调制方法主要有双极性调制和单极性调制。

图5

具体的原理想必大家都已经清楚了，那么我们要了解的就是，在使用规则采样法确定开关管的通断时长时，每个开关周期中，占空比D=ur/Utri（其中ur为信号波的实时值，Utri为三角波的峰值）

图6

图7

具体到代码实现时，前文提到的电流反馈输出的值就相当于调制波，而如果设定三角波峰值为1，那么占空比就等于调制波。

接下来介绍两种不同的单极性调制方式，文字繁琐，代码如下：

//这边四个管子都是高频管
	if(D>0)
	{
		out[0]=1;
		out[1]=0;
		if(T1<=D*b)
		{
			out[2]=0;
			out[3]=1;
		}
		else
		{
			out[2]=1;
			out[3]=0;
		}
	}
	if(D<=0)
	{
		out[2]=1;
		out[3]=0;
		if(T1<=(fabs(D))*b)
		{
			out[0]=0;
			out[1]=1;
		}
	    else
		{
			out[0]=1;
			out[1]=0;
		}
	}
//这边将1，2作为低频管，3，4作为高频管使用
	if(D>0)
	{
		out[0]=1;
		out[1]=0;
		if(T1<=D*b)
		{
			out[2]=0;
			out[3]=1;
		}
		else
		{
			out[2]=1;
			out[3]=0;
		}
	}
	if(D<=0)
	{
		out[0]=0;
		out[1]=1;
		if(T1<=(fabs(D))*b)
		{
			out[2]=1;
			out[3]=0;
		}
	    else
		{
			out[2]=0;
			out[3]=1;
		}
	}
	//place your code here......end
}

解释：out[0]-out[3]分别对应开关管1-4的栅极；D为占空比；T1为当前计数值，每一个开关周期清零一次；b为一个开关周期所花费的计数值。

主要参考资料：
1，王兆安等，《电力电子技术》；
2，屈艾文，陈道炼，PSIM仿真软件及其在电力电子变换器仿真中的应用；
3，鲍陈磊，阮新波，王学华，潘冬华，李巍巍，翁凯雷，基于PI调节器和电容电流反馈有源阻尼的LCL型并网逆变器闭环参数设计；
4，赵清林，郭小强，邬伟扬，单相逆变器并网控制技术研究；
5，徐德鸿，《电力电子系统建模及控制》；
6，起个名字老重复，锁相环你知多少？30分钟带你玩转锁相环（单相三相锁相环）

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