重复控制逆变器的仿真分析研究
摘 要
本次设计主要以重复控制逆变器控制系统设计应用作为研究背景,运用MATLAB/Simulink仿真工具搭建相应的仿真模型。重复控制逆变器控制系统拥有很好的动态特性,运行稳定性高、调速的范围较大,性能可靠等,在实际生产制造中被广泛的应用。该模型仿真设计对重复控制逆变器PWM波可逆控制方法,通过 Matlab/Simulink仿真软件搭建仿真模型,运行仿真,并对仿真结果进行了分析。经过对控制系统进行仿真,可以明显的看出,重复控制逆变器控制系统响应快,没有超调量,运行稳定,抗外界干扰能力强等特点。
深入学习重复控制逆变器的整体结构和分类,针对重复控制逆变器控制系统当做研究对象。在对重复控制逆变器控制系统工作原理和各个部分的数学模型进行深入研究的基础上,在MATLAB/SIMULINK对不同部件的传递原理和数学模型进行了深入的研究,建立重复控制逆变器控制系统动力学模型,通过仿真结果验证,可以比较各种策略与方案,优化并确定相关参数。最后,对重复控制逆变器控制系统分析方法进行了详细比较分析,为科学决策提供可靠的依据。
本次设计经过模型搭建、仿真验证,在学习掌握重复控制逆变器工作特性的同时,参考得到的仿真结果,为更进一步的设计开发新的产品奠定坚实的基础。
关键词:重复控制,并网变换器,滤波器,建模与仿真
Abstract
The design of the repeated control inverter control system design and application as the research background, using Matlab /Simulink simulation tools to build the corresponding simulation model.Repetitive control inverter control system has good dynamic characteristics, high operation stability, speed range is large, reliable performance, etc., in the actual production and manufacturing is widely used.The simulation design of the model is to build a simulation model through MATLAB /Simulink simulation software for the reversible control method of PWM wave of the repetitive control inverter, and run the simulation, and analyze the simulation results.After the simulation of the control system, it is obvious that the repeated control inverter control system has the characteristics of fast response, no overshoot, stable operation, strong anti-interference ability and so on.
Further study the overall structure and classification of the repeated control inverter, and take the control system of the repeated control inverter as the research object.On repetitive control inverter control system working principle and the mathematical model of each part, on the basis of in-depth study, in the MATLAB/SIMULINK for different parts of the transmission principle and mathematical model studied, repetitive control inverter control system dynamics model is established, through the simulation results show, you can compare all kinds of strategy and plan,Optimize and determine relevant parameters.Finally, the analysis methods of the control system of the repeatable control inverter are compared and analyzed in detail, which provides a reliable basis for scientific decision-making.
This design after model building, simulation verification, in learning to master the repeated control inverter working characteristics at the same time, reference to the simulation results, for further design and development of new products to lay a solid foundation.
Key words: Repetitive control, grid-connected converters, filters, modeling and simulation
目录
摘 要........................................................................................... 1
第一章 绪论.................................................................................... 4
1.1 概述...................................................................................... 5
1.2 课题研究的现状............................................................... 7
1.3 逆变器控制技术的研究现状........................................ 9
1.4 仿真工具MATLAB/Simulink简介......................... 10
1.5 课题的研究内容及章节安排...................................... 12
第二章 重复控制理论研究..................................................... 13
2.1 引言.................................................................................... 13
2.2 重复控制的基本思想................................................... 13
2.3 重复控制器性能分析................................................... 17
2.3.1 稳定性分析.............................................................. 17
2.3.1 谐波抑制分析......................................................... 19
2.4 内模控制和重复控制.................................................... 19
第三章 分布式发电系统中重复控制技术研究................ 20
3.1 单单相并网逆变器系统概述..................................... 20
3.2 逆变器的稳态分析........................................................ 22
第四章 重复控制逆变器系统仿真....................................... 26
4.1 重复控制逆变器系统仿真模型.................................. 26
4.2 仿真输出波形及分析..................................................... 27
4.3 本章小结......................................................................... 30
第五章 结束语.......................................................................... 30
参考文献........................................................................................ 31
致 谢........................................................................................ 33
第一章 绪论
1.1 概述
伴随着世界经济的高速发展,对能源的需求也不断加剧,当前能源已无法满足经济日益增长的需求,加之煤、石油和天然气等不可再生能源的储量日益贫乏,全球面临能源匮乏的危机,能源问题已经演变成制约各国经济发展的关键要素。同时,随着大量燃烧化石能源而产生的环境问题也日益突出,人类的生活将受到极大的影响。因此,开发利用新能源及可再生能源,构建可持续发展的新型能源体系,在近年来已经吸引了越来越多深受能源问题困扰的国家的注意力。
随着电力电子器件的开发和电力电子技术的不断发展,逆变器装置的面貌也日新月异,尤以装置的体积、重量、和性能方面变化最为突出。其中电力半导体式逆变器装置的应用最为广泛,在很多方面已经取代了电子管式逆变器装置。电力半导体式逆变器装置的电路结构与其工作频率、功率无关,都是由整流器、滤波器、逆变器及其控制和保护电路组成[1-2],如图1-1 所示。设备工作时,三相工频电流经整流器整流,滤波器滤波后,成为平滑直流送到逆变器。逆变器是采用电力半导体器件作为电子开关的,它将直流电转变成较高频率的电流供给负载,是逆变器装置中不可缺少的组成部分,因此逆变器的控制电路非常重要,它决定了设备的工作频率和输出功率。
重复控制逆变器在逆变性能方面具有很大的优势,特别是在并网和逆变保护方面,可以满足很大的范围内进行逆变控制,所以重复控制逆变器广泛的应用在光伏发电、风力发电并网等领域中。同时,伴随着自动控制领域的不断创新,有很多智能的控制方法策略使用在重复控制逆变器控制方向上,这也促使重复控制逆变器系统普遍的使用在各种试验设备的高精密仪器上。重复控制逆变器拥有很多其他逆变器不具备的优点,比如说具有响应速度快、响应效率高和运行逆变范围广等。
近几年,重复控制逆变器被广泛的应用在并网系统上,主要因为其具备运行成本低、控制逻辑简单、响应效率高等优点,同时被普遍应用在发电并网各种设备中。然而,重复控制逆变器在并网控制系统中应用时,会面临很多问题,经常会造成很多预想不到的问题,鉴于此种问题,本次设计使用Matlab/Simulink仿真工具中搭建重复控制逆变器系统模型,通过仿真得出结论与理论进行对比,充分验证其精确性,为重复控制逆变器系统的生产应用打好坚实的基础,节省大量的研发投入和成本投入。本次设计推导出重复控制逆变器的数学模型,在Matlab/Simulink软件中搭建重复控制逆变器控制系统模型,最终通过模拟仿真进行分析。
1.2 课题研究的现状
固态逆变器电源技术的发展与功率半导体器件的发展和现代控制技术的发展密切相关,其主要研究热点有以下几个方面:
(1)功率半导体器件的大容量化、高频化将带动逆变器电源的大容量化和高频化。目前工业加热领域对高频逆变器电源的需求很大,但是由于目前电力电子器件制造水平的限制,固态高频逆变器电源在高频段还难以完全替代电子管电源。另外,固态高频逆变器电源通常功率较大,对功率器件、无源器件、电缆、布线、接地、屏蔽以及驱动电路均有许多特殊要求。同时,逆变器电源的大容量化只能从电路的拓扑结构和控制方法上寻找解决方案。多台电源的串、并联技术是在器件串、并联技术基础上进一步实现电源装置大容量化的最有效手段。但是,器件的串、并联必须妥善解决器件的均压和均流问题,这对器件的筛选、缓冲电路以及电源的布局布线要求非常严格。
(2)随着逆变器处理生产线自动化控制程度及对电源可靠性要求的提高,逆变器电源正向智能化控制方向发展;采用高性价比的数字化控制电路不仅可以充分发挥微处理器的实时数据处理能力,而且可以克服模拟控制电路元件易老化、温度漂移、对电磁噪声敏感等缺点,还可以实现电源工作状态的实时监测和控制,确保电源的高效稳定运行。此外,具有计算机智能接口、远程控制、故障自动诊断等功能的固态逆变器电源必将成为下一个发展目标。
(3)随着对整个电网无功及谐波污染要求的提高,具有高功率因数低谐波污染电源也将成为今后发展的一个方向。由于逆变器电源一般功率都很大,传统的晶闸管相控整流器会对电网造成严重的谐波污染。随着电网对用户的功率因数和谐波污染指标的要求越来越严格,具有单位功率因数、低谐波污染的PWM 整流器将会得到越来越广泛的应用,“绿色”逆变器电源必将成为今后的发展方向。
重复控制逆变器的发展,先是从有刷重复控制逆变器开始的,因为其具有稳定的扭矩控制特性,被广泛的应用在运动控制行业。但是有刷重复控制逆变器拥有一个一直以来难以解决的问题,因为其自身需要通过机械刷来控制换相,极大地影响电机运行的稳定性,从而在很多领域无法使用。经过各国电机科研人员的不断创新和努力,美国技术人员设计出一款通过控制栅极来达到直流转交流的水银整流器。第二年,慢慢的市场上的重复控制逆变器都开始使用整流管来代替机械刷进行工作,也因此诞生了重复控制逆变器。几年后,有专家设计出采用离子仪器实现电机的定子电枢绕组按其转子位置换接的电机,这种想法和现代的重复控制逆变器基本结构己经非常相近了,同时代表重复控制逆变器的正式诞生。
正弦波式重复控制逆变器系统是根据永磁同步电机机械性能演变出现的。起初,专家使用永磁材料取代同步电机的电磁线圈和滑动环,发明了永磁同步电机。后来为了使之能够自行启动,通常在电机转子外配置一个鼠笼或是特殊的转子结构和滞磁层,从而增加电机转矩。如今变频技术得到了快速的发展,永磁同步电机在启动时主要依靠变频技术,因此配置鼠笼己没有意义,这样就使永磁同步电机的内部结构得到了一定程度的简化。
二十世纪末至二十一世纪初,随着高品质,低价格的新一代永磁材料的诞生和全控开关元件的产生,重复控制逆变器系统也得到了长足的发展。也是从此时开始,高电磁激励,高转矩输入的第三代数铁硼永磁材料已经被重复控制逆变器系统广泛使用。同时使用霍尔器件作为位置检测器和三相全桥驱动方式增强电机转矩,使之应用范围更加广泛。
现如今,随着重复控制逆变器系统的研究与发展的不断累积,永磁材料的质不断的上升和完善,尤其是数铁硼材料的抗腐蚀性和可靠性的提高以及电子电力技术的进一步发展,标志着重复控制逆变器技术己经逐渐趋于完善,同时使重复控制逆变器的开发和应用进入到全新的阶段。
1.3 逆变器控制技术的研究现状
随着电力电子技术的不断发展,大量功率器件被应用于各种用电场合,导致公用电网中谐波含量增加。尤其是以整流性负载为主的用电场合,局部电网中谐波含量甚至能达到 60%左右,严重影响其他用电设备和用户的用电安全。其危害主要表现为以下几个方面:
第一,电网中的元件受谐波影响而产生谐波损耗,导致系统中发电、输电以及用电设备效率降低,大量的三次谐波电流通过甚至会导致线路过热而引发火灾。
第二,电机和变压器长时间工作在高谐波含量的电网中会引起其内部发热增加,导致工作效率明显降低。
第三,大量谐波还会对电网中电容器的工作状况造成影响,严重时还会损坏电容器,造成系统成本增加。
目前治理谐波污染的方法主要有以下三种:(1)研发用于电力电子设备生产的新型材料,改进常用电力电子电路的控制方法,从根源上减少谐波的产生。(2)安装谐波补偿装置。目前常用的谐波补偿装置可分为无源型和有源型两种。(3)提升现有滤波器的性能,设计更符合实际电网要求的逆变器控制方法,降低并网电流中的谐波含量。下节介绍的重复控制技术,就是从提高并网电流的电能质量入手,从而达到降低入网电流中谐波含量的目地。
1.4 仿真工具MATLAB/Simulink简介
现如今,MATLAB仿真工具被普遍应用在各行各业,该软件最初是由美国MathWorks公司推出的,用于商业化数学工具,功能十分强大,具有控制算法设计、数据可视化分析和数学公式计算等功能。其中主要用到的仿真软件有两种,分别是MATLAB和Simulink模块。
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