电压电流双环控制逆变器仿真模型

资 源 简 介

该项目构建了一个高性能的电压电流双环控制逆变器仿真模型，专门针对逆变器在开发过程中参数难以整定、系统稳定性欠佳等痛点进行了深度优化与设计。系统逻辑上分为电压外环和电流内环，电压外环负责实时监控输出端电压有效值与相位，确保输出电压与参考基准保持高度一致；电流内环则通过对滤波电感电流的快速迭代控制，显著提升了系统的动态响应性能并提供瞬时过流保护。 该仿真项目解决了传统单环控制方法在非线性负载下波形畸变严重的缺陷，利用预先整定好的高精度PID参数，使得系统在负载切换、直流母线电压波动等扰动下仍能保持极高的鲁棒性

详 情 说 明

电压电流双环控制逆变器仿真系统

项目介绍

本项目构建了一个基于离散域数学模型的高性能单相全桥逆变器仿真系统。通过引入电压外环与电流内环的双闭环控制策略，解决了电力电子变换器开发过程中常见的系统失稳、参数整定困难以及非线性负载适应性差等核心痛点。该仿真系统不仅精准模拟了逆变桥、LC滤波器以及负载的物理特性，还完整重现了数字控制器（如DSP或微控制器）的运算逻辑，是电力电子算法预研与工程设计的核心工具。

功能特性

1. 高精度双环控制结构：采用电压外环控制输出电压幅值与相位，电流内环负责电感电流的快速跟踪与限流，实现系统的极速动态响应。
2. 离散化建模仿真：采用欧拉法（Euler Method）对LC滤波器进行离散差分化建模，采样频率高达200kHz，模拟真实的数字信号处理过程。
3. 负载扰动抗性验证：系统内置负载跳变模块，模拟从轻载到重载的瞬时切换，验证控制算法在复杂工况下的鲁棒性。
4. 自动化性能指标分析：内置快速傅里叶变换（FFT）分析功能，自动计算系统稳态运行时的总谐波失真（THD）。
5. 多维度可视化监测：系统提供包括电压跟踪、电流响应、控制误差、频谱分布等在内的6个维度实时监测图表。

使用方法

1. 环境准备：启动MATLAB开发环境。
2. 运行仿真：直接运行主程序脚本。
3. 观察结果：

- 仿真结束后将自动弹出结果对比图，展示电压与电流的跟踪精度。 - 在MATLAB命令行窗口查看最终计算所得的系统THD数值。

1. 参数调整：可根据需求在代码开头的参数设置区修改滤波电感（L）、电容（C）、直流母线电压（Vdc）或PI控制器的比例积分系数进行对比测试。

系统要求

• MATLAB R2016b 或更高版本。
• 基础控制系统工具箱（可选，程序主要基于原生数学运算实现）。

功能逻辑详解

该仿真系统严格按照电力电子闭环控制的时序进行逻辑设计，核心流程如下：

1. 参数初始化与离散化设定 系统设定采样频率为200kHz，仿真总时长为0.12s。同时定义了2.5mH电感及25uF电容等硬件物理参数。通过预设的时间向量，为后续的循环计算奠定离散时间基准。

2. 参考信号与负载扰动模拟 程序生成一个50Hz的标准正弦参考电压。在仿真进行到0.06s时，负载电阻由20欧姆突降至10欧姆。这一逻辑设计的目的是测试控制系统在负载骤增、电流瞬时拉大时的电压恢复能力。

3. 闭环控制算法执行

• 电压外环（PI控制）：实时计算参考电压与实测输出电压的误差，通过比例积分运算生成电感电流的指令值。代码中特别加入了1000的数值限幅，有效防止积分饱和现象。
• 电流内环（PI控制）：将外环生成的电流指令与感知到的电感电流进行对比。电流环的极高运行效率保证了系统能够对抗非线性扰动。
• 解耦与调制信号生成：在电流环输出基础上叠加了电压前馈（v_out_prev），以实现系统解耦，并最终转化为[-1, 1]范围内的占空比信号。

4. 物理对象差分建模 系统放弃了简单的传递函数建模，转而使用更接近物理本质的差分方程描述LC滤波器：

• 电感电流更新：基于基尔霍夫电压定律（KVL），考虑电感等效内阻的影响。
• 电容电压更新：基于基尔霍夫电流定律（KCL），考虑负载电流对输出电压的影响。

5. 频谱分析与效能评估 程序截取系统进入稳态后的波形片段（0.08s至0.1s），通过FFT变换提取基波及谐波分量，最终根据总谐波能量与基波能量的比值计算出THD。

关键实现细节分析

• 抗饱和算法：在电压环和电流环的积分运算中，分别设置了1000和2000的硬限幅，这模拟了实际工程中数字控制器的寄存器限制，防止在启动或扰动瞬间产生的积分超调。
• 双环频率协同：通过高频采样（200kHz）相对于下载波频率（10kHz）的过采样设计，确保了在每个调制周期内控制指令的精确下发。
• 状态更新策略：代码采用“先计算、后更新”的序列逻辑，严格遵循离散系统的因果律，确保仿真中的反馈信号与硬件实际运行的时间轴高度贴合。
• 等效受控源建模：在调制环节将SPWM简化为受控电压源模型（m * Vdc），在保证计算效率的同时，准确反映了母线电压波动对系统增益的影响。