谐振型逆变器系统仿真及控制器参数设计开题报告

全文总字数：6779字

1. 研究目的与意义（文献综述）

1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1研究意义

1.1.1促进新能源的开发和利用随着电力电子技术的迅猛发展，逆变技术广泛应用于航空、航天、航海等国防领域和电力系统，交通运输、邮电通信、工业控制等民用领域。特别是随着石油、煤和天然气等主要能源日益紧张，新能源的开发和利用越来越受到人们的重视。利用新能源的关键技术逆变技术，能将蓄电池、太阳能电池和燃料电池等其他新能源转化的直流电能变换成交流电能与电网并网发电。因此，逆变技术在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位。1.1.2提高供电质量国民经济的高速发展和国内外能源供应日益紧张，电能的开发和利用显得更为重要。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dc-ac变换需要逆变技术来完成。

2. 研究的基本内容与方案

2、研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

研究目标:

针对现有PID控制、比例控制控制方式在动态特性、稳态精度、开关损耗、稳定运行等方面存在诸多缺点，设计一种电压电流双闭环准比例谐振控制型逆变器模型，消除静差、提高逆变器输出正弦波形质量。

研究内容:

1. 介绍当代逆变器的发展现状和在各领域的应用情况。对以逆变器为核心的各种中频电源、不间断电源和变频电源等的现状及发展前景进行分析，指出对逆变器进行研究的必要性。

2. 介绍谐振逆变器的结构与原理，建立单相全桥逆变器模型，给出主电路拓扑并建立其简化模型。建立平均状态空间模型。对LC滤波器设计方式和参数选取进行分析并构建双闭环控制模型。

3. 介绍PID控制器的系统构图及其原理。并建立模型。为了实现逆变器

   输出电压的无静差调节，提出采用比例谐振控制器的方法，分析该控制器的性能及现实可行性，在此基础上引出准比例谐振控制器。在同样的参数条件下，对上述三种控制器分别建立双闭环控制模型。分析电流内环和电压外环的开环、闭环频率特性，探究三种方案的优缺点。

4. 对于已建立的PID控制模型、比例控制模型和准比例控制模型。搭建MATLAB仿真模型，该模型包括单极性SPWM控制逆变桥模块、LC滤波器模块和准比例谐振控制器模块等。对逆变器在阻性满载、阻性半载、阻感性负载和非线性负载条件下的稳态特性和动态特性进行仿真，并分析结果。

5. 系统的软硬件设计。合理设计开关管、控制电路、信号滤波器和驱动电路等，绘制系统软件结构流程图，分析系统在各负载状态下的运行状况。

   拟采用的技术方案及措施:

   （1）谐振型逆变器系统设计，包括主电路、控制电路原理图

   （2）系统结构框图设计

   （3）控制框图设计；

   （4）谐振型控制器设计

   （5）谐振型控制器参数设计

   （6）matlab建模和仿真结果分析

   请依照上述6点详细展开

   另外根据这6点总结出研究目标和研究内容

   仿真及控制器参数设计

   拟采用的技术方案及措施

1. 谐振型逆变器系统设计，包括主电路，控制电路原理图

   单相逆变器的电流拓扑主要分为两种，分别为半桥式逆变电路和全桥式逆变电路。因为全桥式逆变电路可以承受更大的系统功率以及可以实现单极性SPWM的控制方式，所以本文采用全桥式逆变电路。其电路拓扑如图1所示。

   图1 单相全桥式逆变电路拓扑

   对于逆变器的SPWM控制来说，一般分为单极性SPWM控制和双极性SPWM控制。相对于双极性控制，单极性控制可以大大降低电压中的谐波含量，且可以有效减小滤波电感的体积，所以本文采用单极性SPWM控制方式。

   （2）系统结构框图设计

   根据逆变器主电路图以及准备采用的单极性SPWM控制方式设计在连续域下的逆变器主电路的方框图如下

   设计逆变器框图

   图2 逆变器主电路方框图

   （3）控制框图设计

   采用包括电容电流内环电压外环控制和电感电流内环电压外环控制，在此基础上，加入电流内环和电压外环环节和负载电流前馈环节。得到电感电流内环电压外环控制系统通用方框图如图3所示。

   图3 控制系统方框图

（4）谐振型控制器设计

由于比例控制器在基波频率处可以实现无静 差跟踪和抗电网电压扰动，但其在非基波频率处增益很小，如果电网频率发生偏移，增益将明显下降，且不能有效地抑制电网谐波。因此，本文采用一种容易实现的准比例控制器，既能保持比例控制高增益的优点，又增大了带宽，减小由电网频率偏移带来的影响。准比例控制器的传递函数表达式为

（1）

式中为阻尼系数，为截止频率。

在准比例控制器的控制下，可以得到系统的控制框图，如图4所示。

图4准比例控制器系统图

（5）谐振型控制器参数设计

由式(12)可知，影响其性能的参数有、和。为了分析它们各自对准PR控制器的影响情况，设其中2个为定值，另一个变化，通过控制器的波特图观察频率特性。通过控制器在不同参数下的波特图分析其规律并且查询相关文献可知：起调节控制器增益并影响到系统的带宽。 侧重于对基波频率处系统增益的调节。 影响控制器的比例增益；当增大时，控制器的比例增益也增大。

综合考虑以上因素，本文选取的控制器参数为：

（1）设=10，=0.01，分析对准比例谐振逆变器的影响。

（2）设=0，=0.01，分析对准比例谐振逆变器的影响。

（3）设=5，=0.01，进一步分析对准比例谐振逆变器的影响。

（4）设=5，=100，分析对准比例谐振逆变器的影响。

在设计准比例谐振逆变器时应结合三者对系统控制效果的影响，并分析上述四组数据的频率特性曲线，合理的进行参数设计。

根据上述关于谐振型逆变器的设计以及在查阅相关文献后，对双闭环SPWM逆变器进行MATLAB建模及仿真。初步设计本系统将包括五个模块。

1. 参考电压及给定电压给定模块

2. 准比例谐振控制器模块

3. 单极性SPWM控制逆变桥模块

4. LC滤波器模块

5. 负载模块

   逆变器系统参数设计如下表所示。

   表1 系统仿真参数

3. 研究计划与安排

3、进度安排

第1周 撰写并完成开题报告，无错字、别字，格式规范；

第2周 修改、完善开题报告，进行开题答辩，主要对研究意义（1-3句话）、目标（1-3句话）、内容（1-3句话）、技术路线，重点就技术路线中主电路框图、控制电路框图进行讲解；

4. 参考文献（12篇以上）

4、参考文献

[1]陈坚.现代电力电子技术

[2]孟凡军，李正熙.基于dsp的一种不对称规则spwm采样算法.电机技术.2006年第二期