三相逆变器建模与控制方法研究毕业论文.doc

三相逆变器建模与控制方法研究毕业论文目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 逆变器的定义分类及主要技术指标21.3 逆变器的发展与现状41.4 PWM控制简介51.5 逆变器建模简介及意义81.6 本课题的选题意义和研究内容8第2章 主电路的工作原理及数学模型102.1 三相逆变器结构及原理112.2三相逆变器在坐标系下的数学模型122.3 三相逆变器在坐标系下的数学模型162.4 坐标系下的前馈解耦控制策略172.5 本章小结21第3章 控制策略的研究223.1 电流内环的设计243.2 电压外环的设计253.3 主电路参数设计263.3.1 直流侧电压的选择263.3.2 交流侧电感电容的选择263.4 本章小结27第4章 仿真模型的建立与结果284.1 MATLAB的应用284.1.1 MATLAB的简介284.1.2 MATLAB的发展284.2MATLAB仿真304.2.1 开环仿真304.2.2 闭环仿真324.3 本章小结34结论35参考文献36致谢37附录138附录243附录347附录456I第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题背景逆变器，是指整流器(又称顺变器)的逆向变换器，其作用是通过半导体功率开关器件(如SCR，GTO，GTR，IGBT和功率MOSFET等)的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能的一种电力电子变换器。逆变器的应用将越来越重要。2l世纪是能源开发、资源利用与环境保护互相协调发展的世纪，能源的优化利用与清洁能源的开发，是能源资源与环境可持续发展战略的重要组成部分。具有世界三大能源之称的石油、天然气和煤等化石燃料将逐渐被耗尽，氢能源与再生能源将逐渐取代化石燃料而成为人类使用的主体能源，这种能源的变迁将迫使发电方式产生一次大变革，使用氢能源与再生能源的高效低污染燃料发电方式，将成为主体发电方式，因此，逆变技术在新能源的开发和利用领域有着广泛的应用前景。逆变电源的技术追求和发展趋势可以概括以下几个方面。1高频化。逆变电源的体积、重量主要是由储能元件决定，因此逆变电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20KHz，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5%10%，其主要材料可以节约90%甚至更高，还可以节电30%以上。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，逆变电源的体积、重量也将会越来越小。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。因此，高频化是逆变电源的主要发展方向。2低噪声。逆变器的缺点之一是噪声大。单纯地追求高频化，噪声也会随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。所以，尽可能地降低噪声影响是逆变电源的又一发展方向。3模块化。模块化有两方面的含义，包括功率器件的模块化和电源单元的模块化。常见的器件模块，含有一单元、两单元甚至六单元直至七单元。随着电源技术的发展，开关器件的驱动保护电路也集成到功率模块中去，构成了智能化功率模块，不但缩小了整机的体积，而且也方便了整机的设计制造。4数字化。现在数字式信号，数字电路越来越重要，数字信号处理技术也日趋完善，显示出越来越多的优点，如便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、提高系统抗干扰能力等，同时也为电源的并联技术发展提供了方便。5高可靠性。可靠性是所有电力电子装置的生命线。我们知道，在一个系统中，元件数量越少，可靠性越高。所以，在设计电源时，尽可能使用较少的元件，提高系统的集成度。这样就解决了电路复杂、可靠性差的问题，同时也简化了电路，使系统的可靠性得到了提高。6绿色化。随着各种政策法规的出台，对无污染电源的呼声越来越高。为了使电源系统绿色化，电源应加装高效滤波器，还应在电网输入端采用功率因数校正技术和软开关技术。节电也是绿色电源一个很重要的因素，因为发电是造成环境污染的重要原因，而节电就意味着发电容量的节约。由此可以看出研究逆变技术对科技发展和社会进步都有着很重要的作用，所以逆变技术的研究已经成为了全世界的热点。 1.2 逆变器的定义分类及主要技术指标电能变换的类型有四种:1.DC-DC变换器,它是将一种电流电能变换为另一种电流电能的变换器；2.DC-AC变换器,它是将直流电能变换为交流电能的变换器，通常被称为逆变器；3.AC-AC变换器,它是将一种交流电能变换成为另外一种交流电能的变流器；4.AC-DC变换器,它是将交流电能变换为直流电能的变化器，通常被称为整流器。逆变器就是通过控制半导体功率开关的开通和关断作用，把直流电能转换成交流电能的一种交换装置，是整流变换的逆过程。逆变技术的种类很多，可按照很多种不同形式进行分类。其主要分类方式如下：1按逆变器输出交流电能的频率可分为工频逆变器、中频逆器和高频逆变器。工频逆变器的频率为5060的逆变器；中频逆变器的频率一般为400到十几；高频逆变器的频率一般为十几到。2按逆变器输出的相数可分为单相逆变器、三相逆变器和多相逆变器。 3按照逆变器输出电能的去向分可分为有源逆变器和无源逆变器。凡将逆变器输出的电能向工业电网输送的逆变器，称为有源逆变器；凡将逆变器输出的电能输向某种用电负载的逆变器称为无源逆变器。4按逆变器主电路的形式分可分为单端式逆变器、推挽式逆变器、半桥式逆变器和全桥式逆变器。5按逆变器主开关器件的类型可分为晶闸管逆变器、晶体管逆变器、场效应逆变器和绝缘栅双极晶体管（IGBT）逆变器等。又可将其归纳为“半控型”逆变器和“全控制”逆变器两大类。前者，不具备自关断能力，元器件在导通后即失去控制作用，故称之为“半控型”，普通晶闸管即属于这一类；后者，则具有自关断能力，即元器件的导通和关断均可由控制极加以控制，故称之为“全控型”，电力场效应晶体管和绝缘栅双权晶体管（IGBT）等均属于这一类。6按直流电源可分为电压源型逆变器（VSI）和电流源型逆变器（CSI）。前者，直流电压近于恒定，输出电压为交变方波；后者，直流电流近于恒定，输也电流为交变方波。直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。7按逆变器输出电压或电流的波形可分为正弦波输出逆变器和非正弦波输出逆变器。8按逆变器控制方式可分为调频式（PFM）逆变器和调脉宽式（PWM）逆变器。9按逆变器开关电路工作方式可分为谐振式逆变器，定频硬开关式逆变器和定频软开关式逆变器。10按逆变器换流方式分，可分为负载换流式逆变器和自换流式逆变器。逆变器的主要技术指标如下：1输入电压：逆变器直流侧输入电压的范围取决于功率管工作时所能承受的最高电压和逆变器的输出电压范围。本次课程设计采用的直流侧输入电压为800；2输出电压：逆变器工作在额定输入电压时，交流输出电压的有效值。本次课程设计采用的交流侧单相输出电压有效值为220；3输出电压频率：逆变器的交流侧输出电压的重复频率；4开关管的开关频率：本次设计采用。1.3 逆变器的发展与现状逆变器的原理早在1931年就在有关文献中提到过，1948年，美国西屋电气公司用贡弧整流器制成了3000Hz的感应加热用逆变器。1947年，第一只晶体管诞生，固态电力电子学随之诞生。1956年，第一只晶闸管问世，标志着电力电子学的诞生，并开始进入传统发展时期。在这个时期，逆变器继整流器之后开始发展。首先出现的是SCR电压型逆变器，1961年，提出了改进型强迫换向式逆变器，为当时SCR逆变器的发展奠定了基础。1960年以后，人们注意到改善逆变器输出波形的重要性，并开始进行研究。1962年，提出了“谐波中和消除法”，即后来常用的“多重叠加法”，标志着正弦波逆变器的诞生。1963年，提出了“消除特定谐波法”，为后来的优化PWM法奠定了基础，以实现特定的优化目标，如谐波最小，效率最优，转矩脉动最小等。20世纪70年代后期，可关断晶闸管GTO，电力晶体管GTR及模块相继实用化。20世纪80年代以来，电力电子技术与微电子技术相结合，产生了各种高频化的全控开关器件，并得到了迅速发展，如功率场效应管power MOSFET,绝缘门晶体管IGT或IGBT,静电感应晶体管SIT，静电感应晶闸管SITH,场控晶闸管MCT，以及MOS晶体管MGT等。这就使电力电子技术由传统发展时期进入到高频化时期。在这个时期，具有小型化和高性能特点的新型逆变技术层出不穷，特别是脉宽调制波形改善技术得到了飞速的发展。1964年，提出把通讯系统调制技术应用到逆变技术中的正弦波脉宽调制技术，由于当时开关器件的速度慢而未得到及时推广，直到1975年才把SPWM技术正式应用到逆变技术达到了一个新的高度。此后，各种不同的SPWM技术相继出现，如注入三次谐波的PWM，空间向量调制SVM，随机PWM，电流滞环PWM等，成为高速开关器件逆变器的主导控制方式。至此，正弦波逆变技术的发展已经基本完善。一般认为，逆变技术的发展可以分成如下三个阶段：1956-1980 年为传统发展阶段，这个阶段的特点是，开关器件以低速器件为主，逆变器的开关频率较低，输出电压波形改善以多重叠加法为主，体积重量较大，逆变效率较低，正弦逆变技术开始出现；1981-2000 年为高频化新技术阶段，这个阶段的特点是，开关器件以高速器件为主，逆变器的开关频率较高，波形改善以PWM为主，体积重量小，逆变效率高，正弦波逆变技术的发展日趋完善；2000 年至今为高速低污染阶段，这个阶段的特点是以逆变器的综合性能为主，低速与高速开关器件并用，多重叠加法与PWM法并用，不再偏向追求高速开关器件与高开关频率，高效环保的逆变技术开始出现。1.4 PWM控制简介PWM(Pulse-Width Modulation)控制就是对脉冲宽度进行调节的技术，是利用半导体功率器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压(VV)目的，或者通过控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频(vvvF)目的的一种控制技术。在离散系统中，冲量(窄脉冲的等效面积)相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其作用效果基本相同。典型的例子是正弦半波波形可看成是N个彼此相连、脉宽相等(都等于N)但幅值不同(脉冲的顶部不是直线，各脉冲的幅值按正弦规律变化)的脉冲组成的波形，这些脉冲序列可用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，按照矩形脉冲的中点和相应正弦部分的中点重合、而且每个矩形脉冲与相应的正弦部分面积相等的原则，就可得到如图1所示的等效脉冲序列。在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，通过控制逆变器输出电压的脉冲宽度和脉冲列的周期，便可实现变压变频。这就是PWM控制技术的理论依据。图1-1PWM控制原理图1964年ASchonung和HStemmler将通讯系统的调制技术借鉴到交流传动中，产生了正弦脉宽调制(SPWM)变频变压思想。由于它能同时实现变压、变频及抑制谐波，PWM控制技术一直是电气传动和能量变换领域的研究热点。近年来，借助于先进的数字处理器DSP等工具，PWM数字化控制策略更是不断翻新，目前已经提出并得到实际应用的PWM控制方案就不下十几种。从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最小，再到消除噪声等，PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和完善的过程。在比较各类相关资料的基础上，我们可将PWM控制技术分为三大类，正弦PWM(包括以电压、电流或磁通正弦为目标的各种SPWM方案)、优化PWM及随机PWM。在各种PWM控制技术中，正弦PWM(SPWM)是最常用的技术。用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值.该方法的实现有以下几种方案：1.等面积法该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释，用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中，通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断，以达到预期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点，可以准确地计算出各开关器件的通断时刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在计算繁琐，数据占用内存大，不能实时控制的缺点。2.自然采样法以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断，这就是自然采样法.其优点是所得SPWM波形最接近正弦波，但由于三角波与正弦波交点有任意性，脉冲中心在一个周期内不等间距，从而脉宽表达式是一个超越方程，计算繁琐，难以实时控制。3.规则采样法规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，一般采用三角波作为载波。其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断，从而实现SPWM法.当三角波只在其顶点（或底点）位置对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期（即采样周期）内的位置是对称的，这种方法称为对称规则采样。当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期（此时为采样周期的两倍）内的位置一般并不对称，这种方法称为非对称规则采样。规则采样法是对自然采样法的改进，其主要优点就是是计算简单，便于在线实时运算，其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦。其缺点是直流电压利用率较低，线性控制范围较小。1.5 逆变器建模简介及意义设计三相PWM逆变器需要探讨三相PWM变流器的动态模型和控制器的设计。三相PWM逆变器主电路建模的步骤如下；（1）建立开关模型。开关模型关于时间轴是不连续的，为时变系统。（2）建立精确的坐标系平均模型。静止坐标系平均模型是对在静止坐标系下原开关模型经开关周期平均而得到，为时变系统。（3）旋转坐标平均模型，为非线性系统。（4）求线性化小信号交流模型。（5）轴的解耦。高性能的逆变器必须考虑以下问题（1）高输入功率因数，较低的输出阻抗；(2)快速的暂态响应；(3)频率高、稳定性高、可靠性高 ；(4)低的电磁干扰；(5)智能化；(6)完善的网络功能。综上所述，建模可以简化电路参数的个数，易于控制，存在很多优点。1.6 本课题的选题意义和研究内容随着国民经济的高速发展和国内外能源供应的紧张，电能的开发和利用显得尤为重要。目前，国内外都在大力开发新能源，如太阳能发电、风力发电、潮汐发电等。一般情况下，这些新型发电装置输出不稳定的直流电，不能直接提供给需要交流电的用户使用。为此，需要将直流电变换成交流电，需要时可并入市电电网，这种DCAC变换需要逆变技术来完成。日常生活中使用的电源大多为单相交流电，而在工业生产中，由于诸多电力能量要求的电气设备均需要使用三相交流电，例如三相电动机。随着科技的日新月异，很多设备业已小型化，许多原来工厂中使用的大型三相电气设备都被改进为体积小，耗能低且便于携带的小型设备。尽管外形发生很大变化其使用的电源类型三相交流电却始终无法被取代。在一些条件苛刻的环境下，电力储能形式可能只有直流电，如若在这种条件下使用三相交流设备，就要求将直流电转变为特定要求的三相交流电以供使用，这就催生了三相逆变器的产生。本次毕业设计中主电路采用的是三相电压型半桥式逆变电路。本文研究的主要内容有：第1章：主要介绍了本课题三相逆变器的发展背景和研究此课题的意义，确定主电路类型及相关技术指标。第2章：三相逆变器的工作原理和建模过程，主要讲述了三相逆变器的工作原理以及具体的介绍了建模的过程。第3章：三相逆变器的控制方法以及策略，主要分析了内外环的设计过程及一些参数的设计。第4章：三相逆变器的开环及闭环的仿真过程，介绍建模后的电路及仿真图，分析仿真结果。37第2章 主电路的工作原理及数学模型 第2章 主电路的工作原理及数学模型本章首先分析了三相电压型PWM逆变器的工作原理，并在此基础上分别建立其在两相旋转坐标系下的数学模型，这些模型的建立将为后其控制系统的设计奠定基础。目前三相逆变器的主电路拓扑主要有三相桥式逆变器，三相半桥逆变器和三相四桥臂逆变器等。1三相半桥逆变器三相半桥逆变器也有结构简单，功率器件较少等特点。利用电源输入端的两个串联电容的中点，作为输出的中点，可构成三相四线制的输出。为了防止中点电位的偏移，串联电容的容值必须很大，使逆变器的体积和重量增加。而且半桥电路只是利用直流母线电压的一半，因此，三相半桥逆变器仅适合于低压小功率的场合。2组合式三相逆变器组合式三相逆变器由三个单相逆变器组合而成，每相逆变器相互独立。只要控制三相基准正弦波互差120度，将三台输出的地连在一起作为中线就可以实现三相四线制的输出。3三相四桥臂逆变器三相四桥臂逆变器是在三相桥式逆变器的基础上增加一个桥臂。该桥臂的作用是形成输出中点，减小不平衡负载时三相输出的不对称度。逆变器的输入端采用谐振直流环节时，四个桥臂的功率管均可实现零电压开关。虽然该逆变器的控制比较复杂，但仍是目前研究的一个热点。4三相桥式逆变器三相桥式逆变器的电路结构简单，采用的器件少，功率管承受母线电压。但是为了得到三相四线制的输出电压，提高逆变器带不平衡负载的能力，必须在输出端增加中点形成变压器，使逆变器的体积和重量显著增加。本次课程设计要求单相输出功率为10,中小功率输出，综合考虑，采用三相半桥逆变器。三相半桥逆变电路有电流型和电压型两种，电流型逆变电路输出电流不变，电压随负载变化而变化。这里主要介绍电压性逆变器的主要特点（1）其直流侧为电压源，直流侧电压基本无脉动（2）由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，由于滤波器作用其输出为三相正弦波，并且与负载阻抗角无关（3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率。本次课程设计要求单相输出电压有效值为220，频率为50，所以主电路采用三相电压型半桥逆变电路。2.1 三相逆变器结构及原理 三相逆变器的直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为了分析方便，画成串联的两个电容器并标出假想中的N和单相半桥，全桥逆变电路相同，电压型三相桥式逆变电路的工作方式为180导电方式，即每个桥臂的导电角度为180，同一相上下两个臂交替导通，各相开始导电的角度依次相差120。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个下面两个，也可能是上面两个下面一个臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，因此被称为纵向换流。图2-1三相逆变器主电路图图2-1给出了三相电压型PWM逆变器的主电路结构图，主要由直流侧，逆变桥及输出LC滤波器组成。L为交流侧电感，起着滤波和传递能量的作用；C为滤波电容，起着滤除直流电压上开关纹波和平衡直流输入和输出能量的作用。为直流电压，和分别为直流侧输入和输出电流。（i=1,2,3,4,5,6）(i=1,2,3,4,5,6)分别表示对应相的全控型开关器件IGBT和相应的反并联续流二极管，R为交流侧负载。图2-1中每一相桥臂的两个开关器件工作于互补状态，即上管开通时下管截止，反之，下管开通时上管截止，这样在不同时刻，参与工作的每相电路就被分成了上管导通和下管导通两种状态。由于每相桥臂有两种开关模式，因此三相PWM逆变器共有种开关模式，如果定义单极性二值逻辑开关函数：2.2三相逆变器在坐标系下的数学模型数学模型是人们研究物理现象的重要手段，准确有效的数学模型不仅能够准确的描述物理现象的本质，也便于人们对其进行有效的设计、计算和仿真分析。在电路设计时，对于简单电路，可以直接通过试验完成，而对于复杂电路，则需要先建立一套准确的数学模型，根据数学模型从理论上分析、计算电路各方面性能，为进一步的试验研究提供必要的理论依据，然后再通过试验完成电路设计。就PWM逆变器而言，无论其功率电路还是控制电路都具有非线性和时变性，其设计非常复杂，因此，在设计之初，建立一套完整的、准确的数学模型非常必要。单相逆变器的建模比较简单，只要用电压和电流的关系就可以得到输入和输出之间的关系。而三相逆变器的输出有三相，输入只有一相，输入输出之间的关系比较复杂，不能用单一的式子来表达输入输出之间的关系。三相需要转化成两相，才能设置参数，之后才能设计电流环和电压环。目前对电力电子建模的方法主要有：拓扑建模法，输出建模法，开关函数建模法。拓扑建模法根据装置不同运行状态下的不同拓扑结构分别写成微分方程，再根据结构变化的顺序依次确定它的初值并求解方程，建模较为复杂，依次求解十分繁琐。输出建模法根据装置输出的电压电流关系建立模型，把装置等效为电压源或电流源后得到状态方程，这种建模方式较为简单，对输出电压电流关系分析比较明确和直接，但难以详细了解内部的工作过程和器件的状态。开关函数建模法通过傅里叶级数描述开关函数，建立装置输入输出间的传递关系，它不局限于电路的结构和开关期间的开关波形，而是根据开关传递函数的类型，通过同样的开关函数来描述同样作用不同电路结构或开关波形的装置，能明确的突出装置输入输出的特性。经过对比分析建模方法最后决定采用开关函数建模法。表2-1直流侧、交流侧电量与开关函数之间的关系00000000000010-110010-1100011-101010010-101011-10011001-10111000000 由上表可以写出交流侧三相线电压与直流电压的关系： （2-1）式中，= - ，= - ，= - ； （2-2） （2-3） （2-4）定义虚拟电流,并满足关系 （2-5） (2-6) (2-7) 而且，由（2-5）式和（2-6）式得 ,整理得 (2-8) 类似可以求得虚拟电流 (2-9) (2-10) 由上表可以求得交流侧三相电流与直流电流的关系： (2-11)代入式（2-2）（2-4），（2-5）（2-7），得到（2-12） 根据主电路图列写三相电压型PWM逆变器交流侧状态方程为： (2-13)把（2-8）（2-9）（2-10）代入（2-13）中得： (2-14)由电流守恒得： (2-15)把（2-1）式代入（2-14）式得： (2-16) (2-17)由于开关函数为不连续函数，对以上状态方程求开关周期平均，并定义线间占空比为： (2-18)三相电压型PWM逆变器的开关周期平均模型为： (2-19) (2-20) (2-21)三相电压型PWM逆变器的开关周期平均模型为四阶系统。若输入为直流，占空比函数为三相对称正弦波，则稳态时输出电压，电流均为正弦波。2.3 三相逆变器在坐标系下的数学模型三相电压型PWM逆变器的开关周期平均模型包含三相电量，在以基波频率旋转坐标中三相对称平衡电流将成为直流量，这样可以简化三相系统开关周期模型。 （2-22） 为逆变器输出基波的频率。坐标系到坐标系的变换为，式中为静止坐标系的矢量，为旋转坐标系的矢量，从旋转坐标系到静止坐标系的反变换为，略去o轴方程最后整理得：(2-23) (2-24) (2-25)建模后的结构框图如下图所示：图2-2 三相逆变器主电路的结构框图2.4 坐标系下的前馈解耦控制策略2.3节讨论了三相逆变器在坐标系下的数学模型，对于三相交流对称系统，若只考虑交流基波分量，则稳态时模型的的,分量均为直流变量。逆变器的控制目标是提高逆变器的输出电压的稳态和动态性能，稳态性能主要是指输出电压的稳态精度和提高带不平衡负载的能力；动态性能指的是输出电压的THD和负载突变时的动态响应水平。在这些指标中输出电压的THD要求比较高，对于三相逆变器，一般要求阻性负载满载是其值为小于2%，非满载是其值应小于5%，这些指标与控制器的控制策略息息相关。逆变电源的控制技术从总体上可以分为两类：基于周期的控制、基于瞬时的控制。基于周期的控制是通过对前一周期和多个周期的输出波形进行处理，利用所得到的结果对当前的控制进行校正的控制方法。从本质上看，基于中期的控制是通过对误差的周期性补偿，实现稳态的无静差效果。但是为了提高逆变器输出电压波形的动态响应速度，出现了瞬时值反馈的控制方法。基于瞬时值控制是根据当前误差对输出波形进行有效的实时控制，可以分为单闭环PID控制，单闭环滞环控制，电压电流双闭环控制，无差拍控制，滑膜控制等等。在本次毕业设计中采用双环控制，即电压外环和电流内环。利用电压外环实现对输出电压的稳定控制,电流内环实现对输出电流的控制,以此获得良好的动态响应能力和稳定的输出电压。2.3节详细介绍了三相逆变器在坐标系的数学模型，有式（2-23）可得 （2-26）式中，三相交流侧电压输出的d,q分量；三相交流侧线电流输出的d,q分量。图2-3 三相逆变器电流内环解耦控制结构图从三相逆变器模型方程可以看出，由于三相逆变器d,q轴变量相互耦合，因而给控制器设计造成一定困难。 将（2-26）稍作变形，改写为 （2-27） 如果令 （2-28）将（2-28）式代入模型方程（2-29），可得： （2-29）从上式可以看出，当以和作为等效电流控制变量时，d,q轴电流是独立控制的，相当于对一个一阶系统对象进行控制，比较简单，其主要原因是引入了电流状态反馈（，）和输出电压（）作为前馈补偿，使得系统输入电流解耦，同时动态性能进一步提高。等效控制变量和可以由电流环PI调节器输出，即可表示为 (2-30) 式中， 电流内环比例调节增益和积分调节增益； 电流指令值。将式（2-30）代入（2-28），可得控制变量的控制方程： （2-31） 由此，可以画出电流内环的解耦控制结构，如图2-3所示。根据式（2-24）可得 （2-32）将上式两个方程稍作变形，改写为 （2-33）如果令 （2-34） （2-35）等效控制变量和可以由电压环调节器输出，即可表示为: (2-36) (2-37)，为电压外环比例调节增益和积分调节增益;，为电流指令值。将（2-36）（2-37）代入（2-34）(2-35),可得控制变量，的控制方程 （2-38） （2-39）图2-4 电压外环的控制结构图第2章 主电路的工作原理及数学模型 由此，可画出电压外环的控制结构，如2-4所示。2.5 本章小结本章对三相逆变器的拓扑电路进行了分析，采用开关函数法进行数学建模，把三相逆变器在坐标下的数学模型转换到两相同步旋转坐标系下的数学模型，电压前馈解耦，实现轴和轴的独立控制。采用电压电流双闭环控制三相电压型逆变器，即利用电压外环实现对输出电压的稳定控制，电流内环实现对输出电流的控制。 第3章 控制策略的研究 第3章 控制策略的研究逆变器的建模及控制策略分析表明，引入前馈解耦控制后，逆变器输出侧,轴输出电流分别成为独立的控制对象，这为控制系统的设计打下了良好的基础。同时，逆变器的开关管，续流二极管和集成电路调节器都是小惯性的器件，经过合理的简化处理，整个系统可以用低阶线性模型近似。由此，采用基于经典控制理论的工程设计方法就成为可能。对于少数的经典系统结构，如果预先深入研究，弄清系统的参数和系统性能指标的关系，并写成简单公式或制成简明图表，这样在设计实际系统时，只要能把它校正成典型系统的形式，就可以利用现成的公式和图表来进行参数计算，使得设计过程简便易行。这样一种化一般为典型的方法就称为工程设计方法。一般来说，分子阶次为m，分母阶次为n的开环传递函数可表示为: (3-1)式中，为开环增益；和为时间常数；为开环系统在平面坐标原点上的极点的重数。根据=0,1,2,3.等不同数值，分别称为型，型，型，型.系统。经典控制理论证明，型系统在稳态时是有静差的，而型和型以上的系统很难稳定，因此，常用的典型系统为典型型和型。一般来说，在动态性能中典型型系统可以在跟随性能上做到超调量小，但抗扰性能稍差；而典型型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。这是设计时选择典型系统的重要依据。本次设计考虑到负载突变情况，采用典型型系统进行调节。经典型系统的开环传递函数为： （3-2）其开环传递函数伯德图中有二个转折点和。整定时要求开环伯德曲线以穿越分贝线，由此获得良好的稳定性和动静态性能，截止频率必须位于和之间。引入变量，是开环传递伯德图中斜率为的中频段的宽度，称作“中频段”。由于中频段的状况对控制系统的动态品质起着决定性的作用，因此值是典型型系统设计中的一个很关键的参数。对于一定的值，只有一个确定的参数,其计算公式为： （3-3）在工程设计中，如果两个参数都任意选择，工作量显然比较大，如果能够在两个参数之间找到某种对动态性能有利的关系，有了这个关系，选择其中一个参数就可以推算出另一个，那么双参数的设计问题就可以退化成单参数设计问题，自然就方便多了。因此，一旦选定参数，即可根据上式算出所对应的值。参数的选择需要综合考虑典型型系统的动态跟随性。为此，采用闭环幅頻特性峰值最小准则，可以找到和两个参数之间的一种最佳配合。这一准则表明，对于一定的值，只有一个确定的可以得到最小的闭环幅頻特性峰值。表3-1列出了不同中频宽值时，值和对应的最佳频比。表3-1 不同值时的值和对应的最佳频比34567891021.671.51.41.331.291.251.221.51.61.671.711.751.781.801.822.02.53.03.54.04.55.05.5由表3-1的数据可见，加大中频宽，可以减小，从而降低超调量，但同时也将减小，使系统的快速性减弱。经验表明，在1.2-1.5之间时，系统的动态性能较好，有时也允许达到1.8-2.0，所以值可以在3-10之间选择。更大时，降低的效果就不显著了。表3-2 典型系统动态抗扰性能指标与参数的关系34567891072.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%2.452.702.853.003.153.253.303.4013.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85由表3-2中的数据可见，一般来说，值越小，也越小，和都短，因而抗扰性能越好。这个趋势与跟随性能指标中超调量与值的关系恰好相反，反映了快速性与稳定性的矛盾。但是，当时，由于震荡次数的增加，越小，恢复时间反而拖长了。由此可见，是较好的选择，这与跟随性能中调节时间最短的条件是一致的。把典型型系统跟随性和抗扰的各项性能指标综合起来看，应该是一个很好的选择。3.1 电流内环的设计电流内环实现了解耦控制，由于两电流内环的对称性，因而下面以控制为例讨电流调节器的设计,考虑电流内环信号采样的延迟和PWM控制的小惯性特性，电流内环结构如下图所示： 图3-1 电流内环结构图 图中为电流内环电流采样周期，暂不考虑电压扰动，将PI调节器传递函数写成零极点形式，即，将下时间常数，合并，得简化的电流内环结构，如下图所示： 图3-2 简化后的电流内环结构图电流内环按典型型系统设计时，虽然电流内环控制具有良好的跟随性能，但系统抗扰能力较差，为了改善电流内环的抗扰性能，可以考虑采用典型型系统设计。从上图中可得电流内环传递函数： （3-4）为尽量提高电流响应的快速性，对典型型系统而言，可设计较宽的中频宽（），工程上取，按典型型系统参数设计关系可得到： （3-5）解得 （3-6） （3-7）3.2 电压外环的设计图3-3 简化后的电压外环结构图 电压外环的闭环传递函数：； （3-8），工程上一般取=0.707，由此可以算出调节器参数。 ，。3.3 主电路参数设计本次毕业设计中需要设计的参数主要有直流侧电压的选择，交流侧电感电容的选择，设计参数的选择会在以下小节中详细介绍。3.3.1 直流侧电压的选择三相桥式逆变电路交流侧输出基波有效值为0.45，本文要求输出单相基波电压有效值为220，所以，考虑实际电路中的寄生电阻、电容等器件以及电路损耗等。所以要在此电压基础上提高一些，本次设计中直流侧输入电压取值800。同时，要求输出频率为50。3.3.2 交流侧电感电容的选择忽略电感电阻及线路阻抗，滤波器输出电压相对于逆变器输出电压的传递函数为 （3-9）为自然震荡角频率，为阻尼比，影响滤波效果的参数主要是转折频率与阻尼比，选择逆变器的的输出LC滤波器的转折频率，它对开关频率以及其附近频带的谐波具有明显的抑制作用，在本次设计中，开关频率，取LC滤波器的转折频率为开关频率的。取L=8，C=1F，最大谐波电流，工程上要求最大谐波电流不能超过负载电流的，负载电流,在此，取最大谐波电流不能超过负载电流的，通过计算得到参数大小，此时，最大谐波电流为0.69A,符合要求。3.4 本章小结本章采用电压前馈的方法使耦合的轴和轴实现了解耦控制，使参数的设计比较简单，电流内环和电压外环的设计方案使控制更加精确和稳定。根据设计要求，计算出来输入电压和滤波器参数。第4章 仿真模型的建立与结果分析 第4章 仿真模型的建立与结果4.1 MATLAB的应用电力电子器件自身的开关非线性，给电力电子电路和系统的分析带来了一定的复杂性和困难，一般常用波形分析和分段线性化处理的方法来研究电力电子系统。对于复杂的电力电子电路和系统，现代计算机仿真技术为电力电子电路和系统的分析提供了崭新的方法，是电力电子技术必不可少的手段之一。本章引入MATLAB作为仿真工具，对上述几章的理论分析和实际系统设计作了验证。4.1.1 MATLAB的简介MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载使用。4.1.2 MATLAB的发展MATLAB名字由MATrix和 LABoratory 两词的前三个字母组合而成。那是20世纪七十年代后期的事：时任美国新墨西哥大学计算机科学系主任的Cleve Mole教授出于减轻学生编程负担的动机，为学生设计了一组调用LINPACK和EISPACK库程序的“通俗易用”的接口，此即用FORTRAN编写的萌芽状态的MATLAB。经几年的校际流传，在Little的推动下，由Little、Moler、Steve Bangert合作，于1984年成立了MathWorks公司，并把MATLAB正式推向市场。从这时起，MATLAB的内核采用C语言编写，而且除原有的数值计算能力外，还新增了数据图视功能。MATLAB以商品形式出现后，仅短短几年，就以其良好的开放性和运行的可靠性，使原先控制领域里的封闭式软件包（如英国的UMIST，瑞典的LUND和SIMNON，德国的KEDDC）纷纷淘汰，而改以MATLAB为平台加以重建。在时间进入20世纪九十年代的时候，MATLAB已经成为国际控制界公认的标准计算软件。到九十年代初期，在国际上30几个数学类科技应用软件中，MATLAB在数值计算方面独占鳌头，而Mathematica和Maple则分居符号计算软件的前两名。Mathcad因其提供计算、图形、文字处理的统一环境而深受中学生欢迎。MathWorks公司于1993年推出MATLAB4.0版本，从此告别DOS版。4.x版在继承和发展其原有的数值计算和图形可视能力的同时，出现了以下几个重要变化：（1）推出了SIMULINK。这是一个交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境。它的出现使人们有可能考虑许多以前不得不做简化假设的非线性因素、随机因素，从而大大提高了人们对非线性、随机动态系统的认知能力。（2）开发了与外部进行直接数据交换的组件，打通了MATLAB进行实时数据分析、处理和硬件开发的道路。（3）推出了符号计算工具包。1993年MathWorks公司从加拿大滑铁卢大学购得Maple的使用权，以Maple为“引擎”开发了Symbolic Math Toolbox 1.0。MathWorks公司此举加快结束了国际上数值计算、符号计算孰优孰劣的长期争论，促成了两种计算的互补发展新时代。（4）构作了Notebook 。MathWorks公司瞄准应用范围最广的Word ，运用DDE和OLE，实现了MATLAB与Word的无缝连接，从而为专业科技工作者创造了融科学计算、图形可视、文字处理于一体的高水准环境。1997年春，MATLAB5.0版问世，紧接着是5.1、5.2，以及1999年春的5.3版。与 4.x相比，现今的MATLAB拥有更丰富的数据类型和结构、更友善的面向对象、更加快速精良的图形可视、更广博的数学和数据分析资源、更多的应用开发工具。MATLAB提供了系统模型图形输入工具sim