逆变器自适应控制策略的研究

 2022-01-17 11:01

论文总字数:20033字

目 录

1 绪论 3

1.1选题背景 3

1.2逆变器的分类介绍 3

1.3逆变器的技术发展 4

2 逆变器的结构、原理与控制策略 4

2.1逆变器的结构 4

2.2逆变器的原理 6

2.3逆变器的控制策略 7

2.3.1 控制策略概述 7

2.3.2 PID控制原理 7

2.3.3 自适应控制原理 8

3 逆变器的仿真说明与仿真搭建 10

3.1仿真环境介绍 10

3.2仿真元件与模块 11

3.2.1输入输出模块 11

3.2.2直流电压源 11

3.2.3 IGBT(绝缘栅双极晶闸管) 11

3.3 电压电流表及示波器 13

3.4 PID控制模块 13

3.5 自适应模糊控制模块 14

3.6 基于PID的逆变器仿真模型 15

3.7 基于PID自适应控制策略的逆变器仿真模型 16

4 仿真运行调试分析 17

4.1 PID策略下的仿真 17

4.2 自适应控制策略下的仿真 19

4.3 仿真运行结果对比 20

5总结与展望 21

附录 22

参考文献 24

致谢 26

逆变器的自适应控制策略研究

刘厚实

Abstract: The inverter has a wide range of applications, and it is usually controlled by a conventional PID control strategy. Through the MATLAB environment to build the inverter simulation model, make the adaptive fuzzy control strategy apply to the inverter control system, and by simulation, verified the accuracy of the simulation model and the feasibility and superiority of the adaptive control strategy in the inverter.

Key words: inverter ; PID control strategy ; Adaptive fuzzy control strategy

1 绪论

1.1选题背景

逆变器(又称变流器、反流器,或称电压转换器;Inventor)作为日常生产生活中被广泛应用以电能转换的装置,是一种基于高频电桥电路将直流输入(例如电池、电瓶等)转变成交流输出(在国内通常为220v50HZ的正弦波或是方波)的电力电子接口[1]。一般来说,逆变器是一种将直流电转变为交流电的装置(即AC转DC),它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路构成。

现如今,逆变器作为一门综合性的专业技术,它涵盖了电力、电子、自动控制理论以及微处理器等方面的多科学领域,也是当前电力电子相关科研课题和产业的研究热点之一。逆变器广泛应用于航海、航空、电力传输、交通通信等领域,在日常生活中,它常常出现在空调、电脑、摄影机等等设备中。举例来说,在电脑或是服务器机房中常常会用到USP电源(不间断电源、Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply)[2],当市电输入正常时,UPS将电源稳压后提供给负载使用,当突然停电时,UPS电源可以将内置蓄电池里的直流电逆变为交流电供给设备使用,从而防止因突然断电而导致的数据丢失损毁等问题。

我们处在一个“移动”的时代,移动通讯、移动办公、移动支付、移动休闲和娱乐。在移动的状态中,人们不但需要有电池或是电瓶提供的低压直流电,同时也更加需要不可或缺的220V交流电,而逆变器就是这样一种满足我们需求的装置。

1.2逆变器的分类介绍

逆变器作为日常生产生活中广泛应用进行能量转换的电力电子接口,其种类多种多样, 分类标准也各有异同。按照电路的形式和输出的交流信号,可以分为半桥逆变器、全桥逆变器和三相桥式逆变器。如若依据输出端是否有源来区分,即输出电能的流向,则又可以分为有源逆变和无源逆变两个方面。

半桥逆变器:主体结构为串联的两个开关,两个开关的中点作为输出端,通过控制每个开关的导通、关断决定输出的电压。半桥逆变器协同两个分压电容,实现输出双端之间的高频交流电。在开关旁通常需要并联续流二极管,当遇到感性负载时起到续流的目的。半桥逆变器使用正负双电压源,能够输出双端的完全交流、含有直流分量的交流以及完全直流信号[3]

全桥逆变器:将两个桥臂连接成方形,其中每个桥臂各含有两个开关,这两组开关的中点即为逆变电路的两个输出端口,等同于通过取两个半桥间的电压差,获得正反双向的交流输出。在无需配合额外器件的情况下,全桥逆变器可以仅采用单电压源输出负载需要的电流信号。

三相桥式逆变器:三相桥式逆变器在结构上与全桥逆变器雷同,区别在其桥臂有三个,这三组开关中点也就构成了输出端的三个端口,分别取每两端之间电压差就可以获得三相电需求的各相电压。通过控制这三组六个开关的导通、关断时间次序,在输出的端口能够一组三相电信号,这组信号幅值大小相同、频率相同、每相间相位差均为120°。

有源逆变器:依据分类标准,若逆变器的输出须并入电网后再使用,则归类于有源逆变。然而原本在输出端已经包含电压波动的情况下,逆变器起到的作用仅为对外输出电能。因为受到输出端电压波动的影响,逆变器机构可以实现自动关断,在控制时无需实施强制关断,所以可以使用诸如晶闸管这类较为便宜的半控元件做开关。

无源逆变器:若是逆变器的输出直接连接负载,并不需要再次并入电网,则归类为无源逆变。在这个情况下,由于输出端的电压没有波动,逆变器需要对通断过程做到严格控制,因此,此时的逆变器在结构上必须使用全控型元件,如可关断晶闸管。

1.3逆变器的技术发展

随着时代的发展,当今逆变技术也随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的发展进步而不断改进,逆变的技术发展正向着高效率、小体积、高功率密度、低功率损耗、高可靠性、高频化、模块化、智能化的方向发展[4]。为了达成这样的目标,离不开现代控制理论和控制策略的引入。PID控制策略作为最早一批发展起来的控制策略,因为其算法简单、鲁棒性好和可靠性相对较高等因素,所以在逆变器的控制过程中被广泛应用 [5]

当逆变器采用PID或是平均值反馈控制时,如果普通调节器在系统突然收到干扰或者系统参数发生变化,则整个系统可能由于时滞、调整策略等等产生的非线性因素的影响,其控制效果往往达不到理想的水平,其动态性能还需要进一步的提高才能满足实际需求[6]

在最新一代的逆变器中由于应用了实时反馈控制技术,使逆变器的性能获得一定提高。它是针对老一代逆变器处理非线性负载是出现的适应性不强、动态性能不好的短处提出的。实时反馈控制技术作为近些年来发展出的新型电源控制技术,现在仍处于不停的发展和完善中[7]。这项技术的应用使逆变器的性能有了质变的提升[8]。由此可见,通过合理的控制策略的应用,可以实现提高逆变器性能的目标,这也是本文重点研究对象。即通过对逆变器的仿真模型的搭建和控制策略的研究,将新型控制策略方式:自适应控制引入逆变器的控制过程中[9]。通过仿真,验证自适应控制策略下逆变器的调节精度、可靠性、稳定性等性能,证明自适应控制策略仿真的正确性和优越性。

2 逆变器的结构、原理与控制策略

2.1逆变器的结构

通常DC/AC逆变器的组成分为两块:一是半导体功率集成元件(集成电路),二是逆变开关电路。

现如今,逆变器的快速发展是以大功率半导体开关器件的发展为基础,从最开始最普通的普通晶闸管(SCR,也成为可控硅)到可关断晶体管(GTO)和大功率晶体管(GTR)已经是一个飞跃,但是更新型电子元器件的出现,诸如功率场效应晶体管(VMOSFET),绝缘栅双极晶体管(IGBT)的出现增加了逆变器构成元器件的选择范围;随着电力电子技术的更进一步发展,更为新型的静电感应晶体管(SIT)、MOS控制晶体管(MGT)、静电感应晶闸管(SITH)、MOS控制晶闸管(MCT)以及智能型的功率模块(IPM)等大功率的期间的出现,也使得可供逆变器采用的电力电子开关类的元件向着高频化、全控化、集成化、节能化和多功能化的方向发展[10]

表2.1 逆变器使用的电力电子开关相关元器件分类

类型/种类

元器件名称

元器件符号

双极型

普通晶闸管

SCR

可关断晶闸管

GTO

大功率晶体管

GTR

双向晶闸管

TRIS

静电感应晶闸管

SITH

单极型

功率场效应管

VMOSFET

静电感应晶体管

SIT

复合型

绝缘栅双极晶体管

IGBT

MOS控制晶体管

MGT

MOS控制晶闸管

MCT

智能型功率模块

IPM

逆变器系统的核心部分是逆变开关电路,也是常说的逆变电路。逆变电路通关半导体开关器件的导通与关断来实现逆变的功能。当然,一个完整逆变电路的构成,除了主逆变电路之外,还需要具有输入输出电路、控制电路、辅助电路和保护电路等组成[11]

图2.1逆变开关电路的组成结构

图2.1为逆变电路组成结构的具体说明,其中各部分电路的主要功能:

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