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正文內(nèi)容

基于matlab的單相逆變器并網(wǎng)控制技術(shù)仿真研究畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2024-07-22 01:38 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 到一致;同時調(diào)頻調(diào)相法是將調(diào)頻調(diào)相同時進(jìn)行,即通過調(diào)頻實(shí)現(xiàn)調(diào)相,調(diào)頻的同時能過實(shí)現(xiàn)調(diào)相,使頻率和相位同時與輸入達(dá)到一致[27]。本文先使用指針歸零法,然后再作改進(jìn)。本文利用DSP2808內(nèi)部eCAP模塊的eCAP 1來捕獲電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)。電網(wǎng)電壓過零信號通常由過零比較電路產(chǎn)生,過零比較電路產(chǎn)生電網(wǎng)電壓同步方波信號送入eCAP 1,當(dāng)eCAP 1檢測到過零信號的上升沿時,觸發(fā)eCAP 1中斷,并將此時間點(diǎn)作為正弦基準(zhǔn)信號的起點(diǎn),即正弦表指針復(fù)位到零,則實(shí)現(xiàn)了鎖相功能;每次定時器下溢中斷觸發(fā)時,正弦表指針便增加1位,將表中對應(yīng)的正弦值賦給變量在主程序中計(jì)算SPWM波的占空比。發(fā)生定時器下溢中斷時,為了對發(fā)生中斷的次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),可以設(shè)置一個變量n,在eCAP 1再次捕獲到電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)時,首先判斷n是否超出頻率正常范圍,設(shè)定頻率正常范圍為49Hz~51Hz,則n的正常范圍為196~204,然后比較變量n和載波比N,如果n=N,說明頻率相同,定時器周期值不變;如果變量n≠N,定時器周期值改為,式中T*為根據(jù)前一個載波周期算出的新的載波周期,并將該值賦給周期寄存器,用于計(jì)算下一個正弦周期SPWM波的占空比。經(jīng)過以上步驟,調(diào)制波頻率變化,對應(yīng)改變載波頻率,保證載波比不變,還能實(shí)現(xiàn)輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相[28]。同步鎖相的實(shí)現(xiàn)主要依靠兩個中斷配合實(shí)現(xiàn),定時器下溢中斷和上升沿捕捉中斷。 故障保護(hù)中斷程序設(shè)計(jì)在上主電之前,通常要先做好系統(tǒng)的保護(hù)。IPM模塊本身具有故障保護(hù)功能,為了更好的實(shí)現(xiàn)保護(hù),提高系統(tǒng)的可靠性,硬件上使用了三態(tài)門LVXC3245,可以通過控制OE端控制PWM的輸出,OE端拉高時,可以封鎖PWM輸出。軟件設(shè)計(jì)時加入了故障保護(hù)中斷,配合硬件電路,一旦產(chǎn)生故障信號,比如出現(xiàn)過壓、過流、短路等故障時,IPM發(fā)出故障信號,觸發(fā)故障中斷,封鎖脈沖,斷開繼電器。保護(hù)中斷要求響應(yīng)迅速。 N Y N Y 上升沿捕捉中斷流程圖 故障保護(hù)中斷流程圖5 并網(wǎng)逆變器控制策略的研究與實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能要并入電網(wǎng),電壓幅值、頻率、功率因數(shù)等都需要滿足公共電網(wǎng)的要求,但是隨著風(fēng)速的變化,風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也會發(fā)生相應(yīng)的改變,這就會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出的電能不能滿足電網(wǎng)要求,所以很有必要在風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間引入電力電子整流逆變裝置,通過對該裝置的控制使最終輸出的電能滿足電網(wǎng)要求,實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行。 SPWM技術(shù)簡介PWM控制技術(shù),也稱脈寬調(diào)制技術(shù),顧名思義,就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。脈寬調(diào)制利用的是面積等效原理,上下兩塊脈沖雖然形狀不同,但是面積相等,意味著沖量相等,相同面積的脈沖加在慣性環(huán)節(jié)上,輸出特性基本相同,所以二者可以等效[20]。 u 0 ωt u 0 ωt SPWM調(diào)制基本原理示意圖SPWM調(diào)制是PWM的一種形式,經(jīng)它調(diào)制輸出的波形是SPWM波,具有正弦波的特性,加在感性或容性等慣性環(huán)節(jié)上時,其輸出結(jié)果類似正弦波。逆變器常采用這種調(diào)制方法。將直流輸入電壓加在逆變器的輸入端,通過SPWM調(diào)制生成驅(qū)動脈沖控制開關(guān)管的動作進(jìn)而生成SPWM波,再經(jīng)過濾波電容濾波后即可得到正弦輸出。SPWM調(diào)制技術(shù)又分為單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制兩種方式。,圖中調(diào)制波,幅值為,頻率。載波為全波三角波,頻率為,幅值為。同時定義調(diào)制比為正弦調(diào)制波的輔助與三角載波的幅值之比,頻率比為三角載波與正弦調(diào)制波的頻率之比。 雙極性SPWM調(diào)制原理由上圖可見,當(dāng)時,開關(guān)管VV4 導(dǎo)通而VV3截至,橋臂中點(diǎn)間電壓;當(dāng)時,開關(guān)管VV4截止而VV3導(dǎo)通,橋臂中點(diǎn)間電壓。通過上述過程,就將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}寬按正弦規(guī)律變化的正弦脈沖序列。,這種調(diào)制方式使用半波三角波作為載波,當(dāng)大于零時,載波為正的半波;當(dāng)小于零時,載波為負(fù)的半波。在雙極性調(diào)制中,四個開關(guān)管都工作在高頻狀態(tài),而在單極性調(diào)制中,一對開關(guān)管工作在高頻狀態(tài),而另一對開關(guān)管工作在低頻狀態(tài)[11]。當(dāng)時,V3一直截止而V4一直導(dǎo)通,此時當(dāng)時,開關(guān)管V1導(dǎo)通而V2截至,橋臂中點(diǎn)間電壓;當(dāng)時,開關(guān)管V1截止而V2導(dǎo)通,橋臂中點(diǎn)間電壓。當(dāng)時,V3一直導(dǎo)通而V4 一直截止,此時當(dāng)時,開關(guān)管V1導(dǎo)通而V2截至,橋臂中點(diǎn)間電壓;當(dāng)時,開關(guān)管V1截止而V2導(dǎo)通,橋臂中點(diǎn)間電壓。從上述過程中看出,在輸出波形中包含有,0和三個狀態(tài),因此這種調(diào)制方式也被稱為三態(tài)調(diào)制。 單極性SPWM調(diào)制原理 逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時的控制策略分析 并網(wǎng)逆變器的輸出控制并網(wǎng)逆變器可看作一個有源逆變系統(tǒng),是用來將從前級(光伏電池、風(fēng)機(jī))經(jīng)整流得到的直流電進(jìn)行轉(zhuǎn)換,輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電再饋入電網(wǎng),并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)就是控制逆變器的輸出滿足并網(wǎng)條件,保證有效并網(wǎng)。并網(wǎng)逆變器有不同的輸入輸出方式,總的來說,并網(wǎng)逆變器共有四種方式:電壓源輸入控制輸出電壓、電壓源輸入控制輸出電流、電流源輸入控制輸出電壓、電流源輸入控制輸出電流[21,22]。四種方式中,先分析輸入為電流源的情形。逆變器如果以電流源作為輸入,需要在直流側(cè)串聯(lián)電感以穩(wěn)定直流輸入,但是電感的引入會使系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)變差[23]。另外,實(shí)際應(yīng)用中多數(shù)電源都是電壓型的,所以并網(wǎng)逆變器很少以電流源作輸入,大多采用電壓源輸入。逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時,輸出控制分電壓控制和電流控制[24,25,26,27]。如果采用電壓控制,是把電網(wǎng)電壓看作基準(zhǔn)值,電網(wǎng)電壓直接決定并網(wǎng)電流和輸出電壓的好壞,只有當(dāng)電網(wǎng)電壓比較穩(wěn)定、擾動很小時,才能得到令人滿意的并網(wǎng)電流和電壓,如果電網(wǎng)電壓存在畸變或由于故障導(dǎo)致不平衡,并網(wǎng)電流和電壓隨之會受到極大影響,從而導(dǎo)致輸出波形不符合要求[23]。當(dāng)采用電壓源輸入控制輸出電流的方式時,系統(tǒng)只需要控制輸出電流,它的波形好壞受電網(wǎng)電壓的影響較小,即使電網(wǎng)出現(xiàn)大的擾動,輸出依然符合并網(wǎng)要求。因此,本設(shè)計(jì)采用電壓源輸入控制輸出電流的方式。 并網(wǎng)電流控制策略研究選取并網(wǎng)電流iL作為逆變器的控制量,可以通過對逆變器輸出電壓Uab的控制來完成對iL的控制;或者直接對iL進(jìn)行控制。因此電流控制技術(shù)按照采用何種控制方式的不同,分為兩大類:間接電流控制和直接電流控制。間接電流控制也稱為相位和幅值控制,考慮的是穩(wěn)態(tài)控制,沒有考慮動態(tài)過程,在已知穩(wěn)態(tài)電流給定的情況下,根據(jù)SPWM通過控制PWM輸出基波電壓的幅值和相位間接對并網(wǎng)電流進(jìn)行控制。該控制方法簡單易行且不需檢測并網(wǎng)電流。但其動態(tài)響應(yīng)較慢,同時控制復(fù)雜、信號計(jì)算過程中還要考慮電路參數(shù)的影響,如果參數(shù)變化,會影響控制效果[28]。假設(shè)輸入電網(wǎng)的功率為P,則有 ()從而有 ()另外,逆變器輸出電壓滿足 ()而對于SPWM逆變器,輸出電壓基波滿足 ()其中m為調(diào)制度。所以,有關(guān)系 ()從上述關(guān)系可以看出,在電網(wǎng)電壓和電感確定的情況下,根據(jù)給定的功率和并網(wǎng)電流,通過式()和式()就可以算出Uab相對與Ugrid的超前角φ和SPWM的調(diào)制度m,這種關(guān)系是一一對應(yīng)的,只要控制了φ和m,就控制了輸出電壓的幅值和相位,并最終實(shí)現(xiàn)控制并網(wǎng)電流。直接電流控制法需要引入電流反饋,先通過運(yùn)算得到指令值,然后令反饋值跟蹤指令值。對于并網(wǎng)逆變器來說,要求輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相,為了獲得與電網(wǎng)電壓同步的正弦波電流指令信號,通常利用鎖相環(huán)得到電網(wǎng)電壓同步信號,然后再乘以電流幅值給定,得到正弦波參考電流,然后控制實(shí)際輸出電流跟蹤這個參考電流。和間接電流控制相比,直接電流控制引入了電流反饋,可以獲得更好的動態(tài)響應(yīng)特性,但控制相對復(fù)雜,并且要求電流采樣信號有很高的實(shí)時性。不過隨著DSP技術(shù)的發(fā)展,實(shí)時性已不是很難實(shí)現(xiàn),所以直接電流控制得到廣泛應(yīng)用。直接電流控制的最大特點(diǎn)就是引入了瞬時值反饋,該控制方式被大量研究,實(shí)際應(yīng)用中常采用的有電流滯環(huán)控制、三角波比較控制等,本文對這兩種控制方式的工作原理做了簡單分析。(1)電流滯環(huán)控制將實(shí)際的電流信號和指令電流信號進(jìn)行比較,二者的差值送入滯環(huán)比較器,由滯環(huán)比較器輸出PWM驅(qū)動信號去控制逆變橋。該控制方法簡單可行,搭建模擬電路就能夠?qū)崿F(xiàn)。當(dāng)開關(guān)管采用較高開關(guān)頻率時,有很快的響應(yīng)速度,并且受負(fù)載及電路參數(shù)的影響小[29]。但通常在設(shè)計(jì)滯環(huán)寬度采用固定的數(shù)值,這樣做的結(jié)果將會導(dǎo)致一個PWM開關(guān)周期中,開關(guān)管頻率不固定,濾波器設(shè)計(jì)起來比較困難,很難獲得良好的濾波效果。 電流滯環(huán)控制原理圖(2)三角波比較控制將反饋電流信號與給定電流信號進(jìn)行比較,比較后的誤差信號經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出與高頻三角載波比較產(chǎn)生了PWM驅(qū)動信號。該控制方法無法實(shí)現(xiàn)對正弦信號的無靜差跟蹤,同時積分的引入則會產(chǎn)生電流相移,影響逆變器輸出電能質(zhì)量,所以有時直接采用P調(diào)節(jié)器。但該方法下開關(guān)管的開關(guān)頻率一定,輸出電流的頻譜固定,濾波器容易設(shè)計(jì),所以使用的比較多。 三角波比較控制原理圖 并網(wǎng)電流閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型電流閉環(huán)設(shè)計(jì)是整個控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心,作好電流閉環(huán)的設(shè)計(jì),可以使系統(tǒng)獲得良好的電流的動、靜態(tài)特性,可以使電流對外界擾動信號有很好的抗干擾性。本文采用基于瞬時值反饋的三角波比較控制。,從圖中可以看出,參考電流IL*與采樣得到的并網(wǎng)電流瞬時反饋值iL先作一個比較,二者誤差送入控制器,經(jīng)過調(diào)節(jié)輸出的信號作為調(diào)制波與三角波比較,得到SPWM信號,經(jīng)過驅(qū)動電路去驅(qū)動IPM模塊,再經(jīng)電感濾波后得到符合要求的并網(wǎng)電流。其中,Uab為逆變橋輸出電壓,Ugrid為電網(wǎng)電壓,G1(s)為控制器傳遞函數(shù),G2(s)為逆變橋傳遞函數(shù),G3(s)為濾波器傳遞函數(shù)。 UgridiL* + Uab + iL 控制器 逆變橋 濾波器 并網(wǎng)電流閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖,可以建立其數(shù)學(xué)模型。對逆變器的輸出端有: ()式中,為逆變橋輸出電壓,為電網(wǎng)電壓,為并網(wǎng)電流,為濾波電感值,為電感的串聯(lián)等效電阻。將式()寫成復(fù)頻域形式,有 ()其中, ()即為濾波器傳遞函數(shù)。本文采用電流瞬時值反饋與三角波比較控制,在三角波比較控制中,PI控制器應(yīng)用最為廣泛,其傳遞函數(shù)為: ()式中,和分別是PI控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。本文設(shè)計(jì)的逆變器開關(guān)頻率取10kHz,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率,如果忽略開關(guān)管的延時及死區(qū)時間的影響,將逆變橋等效為一個小慣性環(huán)節(jié),傳遞函數(shù)為: ()式中,是一個開關(guān)周期,為逆變器增益,與PI調(diào)節(jié)器的最大限幅值有關(guān)。 + + PI控制器 逆變橋 濾波器 并網(wǎng)電流PI控制結(jié)構(gòu)框圖 PI控制器參數(shù)設(shè)計(jì)為獲得理想的動態(tài)穩(wěn)定性,并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速響應(yīng),將控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成一個二階系統(tǒng),采用工程上常用的“二階最佳”法對PI參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。,控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為: ()為了使PI調(diào)節(jié)器抵消并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中較大的時間常數(shù),令 ()此時系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為 ()顯然系統(tǒng)屬于典型的I型系統(tǒng)。典型的I型系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的一般形式為 ()按照“二階最佳”法設(shè)計(jì),即令式()中KT=。對比式(),得 ()所以,有 ()代入式(),有 ()上面介紹了PI控制器參數(shù)設(shè)計(jì)的工程設(shè)計(jì)方法,該方法建立在逆變器傳遞函數(shù)已知的基礎(chǔ)上,式()給出的逆變器傳遞函數(shù)只是一種經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?,和?shí)際還是有誤差的,所以得到的P,I參數(shù)只是理論指導(dǎo)值,實(shí)際測試過程中要作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。6 基于SPWM的并網(wǎng)系統(tǒng)MATLAB/Simulink仿真 MATLAB簡介MATLAB是由美國Mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中,為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案,并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言的編輯模式,代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等,主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。在一些實(shí)際應(yīng)用中,如果系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜,不適合用分析和編程的方法建模。在這種情況下,功能完善的Simulink程序可以用來方便地建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。Simulink是由Mathworks軟件
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