闭环交直交整流逆变稳压电路Matlab/Simulink仿真

开环电路具体有结构简单,容易实现的特点,但抗干扰能力弱。对于常见的交-直-交整流逆变电路,若采用开环控制,不仅在输入电压遭受扰动时输出无法很好稳定,而且也不能具备输出电压可调的优点。下面的模型给开环交-直-交整流逆变电路加上电压负反馈,用于控制输出电压稳定。逆变输出为单相交流,负载用电阻,输出交流反馈到控制系统(反馈信号标识为Vabc有误,应为Vo),Vref为目标电压(1为有效值220V,幅值311V),控制系统输出对应PWM波形到逆变器,用于调节输出电压。

当Vref=1,即控制输出电压幅值为311V,仿真得到输出电压波形如下,含有特定高次谐波,电压波形幅值接近311V的控制目标。

当需要调整输出电压幅值,比如Vref=0.8,即控制输出电压幅值为311*0.8= 248.9V,仿真得到输出电压波形如下,输出电压波形幅值接近控制目标。

 

S函数变占空比PWM发生器Simulink仿真

大家见惯了占空比为恒定值的PWM发生器,下面我们来看一个变占空比PWM发生器。假使我们需要一个特殊的PWM发生器,其占空比变化规则如下:前2.9us占空比从0.1线性增加到0.7,2.9us到50us线性减小到0.25,50us到100us线性减小到0.1。

该PWM发生器此处可以用S函数模块模拟,输出包含PWM波形和同一时刻的占空比,用示波器查看。Simulink模型如下图所示。

整个过程的仿真结果如下,PWM波周期为0.02us,仿真时长100us。由于PWM波频率较高,波形较密。占空比变化有三个过程,分别对应三段直线。

选其中第一个变化过程放大观察,如下图(波形的横轴放大到0-3us)。可见随着占空比从0.1逐渐增加到0.7,方波的脉宽逐渐变大。

 

暂态和稳态情况下电流互感器(CT)饱和matlab/simulink仿真模拟

电流互感器的饱和分为暂态饱和和稳态饱和,其中暂态饱和存在的主要原因有两个:一是故障切除后电流互感器普遍存在的铁心剩磁,铁心剩磁能使互感器在一次电流大于正常电流时很快达到暂态饱和;二是电力系统发生短路故障时,短路电流中大量存在非周期分量,而电流互感器是安装工频特性设计的,在传变非周期分量的过程中,互感器的励磁电流迅速增大使互感器很快达到暂态饱和。此时电流互感器已经工作在它的饱和区域,此时电流互感器的传变特性已经发生改变,不能正常的反应一次电流的实际工况。无论是暂态饱和还是稳态饱和,电流互感器的二次电流输出都比正常值偏小。

为分析 CT 饱和二次电流的特征,在 MATLAB/Simulink环境中搭建仿真模型。首先是稳态饱和。基波模块、二次谐波模块、三次谐波模块是用于计算与分析 CT二次侧电流谐波成分。为使波形更直观且便于比较,设置了转换系数 K,这样 CT 的一次侧电流波形与二次侧电流波形的幅值相等。仿真得到稳态饱和时二次电流波形如下。一二次侧电流波形:黄线为折算后的一次侧电流,紫线为二次侧电流。谐波分析图:黄色为基波(50Hz),蓝色为二次谐波,紫色为三次谐波。

改变负载阻抗大小,可以得到不同饱和程度下的 CT 二次电流谐波分析的多组数据。

接来下为暂态饱和分析。分析过程类似稳态,不再说明,以下为结果。

由对比分析可知,1.当 CT 处于稳态饱和状态下时,二次电流中大多数是三次谐波分量,并且不包含二次谐波分量;2.CT 暂态饱和与稳态饱和不同,其谐波分量主要二
次谐波为主,三次谐波分量较少。

 

模糊PID控制matlab/simulink仿真

工业控制过程中最常用的控制器是比例-积分-微分(PID)控制器,因为其结构简单,工作条件广泛且性能稳定。然而PID控制器是线性的,不适用于强非线性系统或耦合系统。模糊控制经常被看作为PID控制的替代和改进。工业上使用的大多数模糊控制器与增量式PI或PID控制器具有相同的结构,模糊规则和模糊隶属函数参数化的使用可以很容易地添加非线性、逻辑和附加输入信号到控制系统。近年来,模糊逻辑控制器(FLC),特别是模糊PID控制器,由于其启发式性质,与线性和非线性系统的简单性和有效性相结合而被广泛应用于工业控制过程。第一个模糊逻辑控制算法是人工合成一个熟练的操作员语言控制协议,采用Mamdani型(1974)结构。虽然这种类型的FLC应用程序相比古典控制器有特定优势,但设计过程依赖于操作者的经验和知识,是一种有限的阐明启发式规则控制。为了避免这一重大缺点,根据操作者的控制经验,Mac Vicar Whelan首先提出了模糊控制器的结构。发展到现在,已经提出了模糊PID(包括PI和PD)控制器和模糊非PID控制器的各种结构。

在模糊逻辑中,输出可以在某种程度上高,在另一种程度上低。为了在数学上表示这一点,我们需要选择合理的边界水平,即100%可确定输出过高,或者100可确定输出过低。高低值之间的任何值可以被视为一个混合状态。当系统处于期望的设定值时,这意味着输入电平既不太低也不太高,或者等价地说,它是一个等效的混合。从太低到太高的区域将集中在设定值水平上,因此我们可以使用所需的设定值和实际输出值之间的差值作为输入信号。在高低极端和中间区域之间,特定连续曲线定义了高值到低值之间的过渡。为了简化,我们可以用一个线性曲线。

将模糊控制器用在PID就是PID模糊控制,为了验证模糊PID相比于传统PID控制器的优势,搭建双容水箱控制模型的PID控制和模糊控制,对仿真结果进行对比。模糊PID控制器封装在fuzzypid子系统里,结构如图2,模糊规则子系统输出Kp、Ki和Kd调整量,实时校正PID参数。与其相对应的是传统PID控制器,封装在PID子系统里。

仿真结果如下图,紫色曲线为模糊PID控制输出响应,蓝色曲线为普通PID控制输出响应。相比可见,模糊控制超调小、响应上升稳定快。

 

 

 

S函数(S-fun)matlab/simulink编程实现规则采样SPWM控制

        目标说明:在所提供的Matlab/Simulink三相逆变器仿真模型基础上,将其中的Matlab自带的PWM Generator模块(调制波——正弦波与载波——三角波交截产生SPWM驱动信号),换成由S函数或M函数(选择一种即可)编写的“规则采样SPWM”模块,其中,正弦波可以由Matlab自带信号源产生。
       具体要求:
(1)由“规则采样SPWM”模块产生的开关管驱动信号要与原有提供模型中开关管驱动信号要基本一致,且由二者驱动得到的输出电压也要基本一致;
(2)“规则采样SPWM”模块中部分变量(正弦波的幅值和频率,规则采样的频率)要能够改变;
        现有资料:
(1)Matlab/Simulink三相逆变器仿真模型(其中一个版本是用MATLAB自带pwm模块驱动版本,一个版本是待完成的S函数规则采样SPWM版本,需要两者对照);
(2)“规则采样SPWM”基本原理(不细讲,可查阅教材);
(3)双极性SPWM控制的三相逆变器驱动信号产生原理;
        编写S函数形式的规则采样函数guizecaiyang.m,封装成PWM发生器模块,设置S函数的相关参数,包括正弦波频率,采样频率和调制比,这三个参数将传递到S函数内步参与计算。如下图所示,是对应整个仿真,三相交流电源通过不控整流桥整流成直流,然后通过PWM逆变成交流电。红框部分为封装的PWM信号发生模块,通过设置好的指令波形,规则采样然后脉宽调制成需要的PWM信号,送给DC/AC逆变器。作为对比,另外搭建一个一样的模型,将PWM生成部分改用Simulink自带模块“离散PWM发生器”,进行对比。

        对比结果如下,第一个图为逆变器输出电压阶梯波(左为自带PWM模型,右为自编规则采样调制模型),可见输出电压基本一致。第二个图为逆变器输出电流波形(左为自带PWM模型,右为自编规则采样调制模型),可见输出电流也基本一致。自编S函数(S-fun)matlab/simulink编程实现规则采样SPWM控制很好地实现了目标。

 

三相光伏逆变并网控制系统matlab/simulink仿真

        社会经济飞速发展,绿色新能源开发越来越受人们关注,传统的石化能源由于会对环境造成破坏和日益枯竭等原因,已不再是首选能源。作为广泛存在的一种清洁可再生能源,太阳能通过光伏并网发电的形式已被广泛应用、开发。
        不同于独立光伏系统,光伏(PV)并网系统接入电力系统,逆变器输出电流供给电网负载使用。并网后,逆变器输出电流和电压需要保持同频率和同相位,并符合电网的要求。在光照充足的情况下,逆变器输出电流通过光伏并网逆变器并网。当光线不足时,逆变器不再工作,负载转由电网供电。为了保证光伏系统稳定高效,其输出电压幅值、频率、电流谐波、功率因数等在并网要求范围内,需要采用特定的光伏并网控制器。逆变器输出电流需要达到电网的标准,总谐波畸变失真需要非常小,对应THD一般要求小于5%。同时,逆变器的输出电流必须和电网电压保持同相位,保证输出功率因数接近1,输出无功功率约为0。
        光伏(PV)并网控制的核心是控制策略,采用先进的控制策略,可以有效提高光伏并网系统的效率,提高输出到电力系统的电能质量,提高系统的性能。通过对光伏(PV)并网逆变器主电路拓扑结构分析,用基于SPWM调制方法的三相光伏(PV)并网逆变器,采用前馈解耦控制策略,使并网逆变器输出保持高功率因数和低电流谐波畸变。搭建如下图所示的三相光伏并网前馈解耦控制系统。

        控制目标为输出无功电流iq为0,id为70A,即功率因数1,离散步长仿真,输出并网电压电流如图所示,可见电压电流相位一致。对并网逆变器输出功率(上图为有功,下图为无功)进行分析,可见稳态时无功保持为0。

        下面用FFT分解对输出电流畸变进行分析。可见谐波畸变率为2.9%,符合小于5%的要求。

 

 

直流电动机电流转速双闭环V-M不可逆调速

        
        直流电机有良好的启动和制动性能。在过去的几十年里,直流电机调速方法已经发生了重大的变化。首先,整流部分升级,晶闸管整流器取代了传统的直流发电机和汞弧整流器。与此同时,控制电路实现了小型化和高可靠性,大大提高了直流调速系统的性能指标,扩大了其应用场合。直流调速技术不断成熟和完善,在不可逆脉冲宽度调速的情况下,高精度的电气领域仍然难以替代。采用速度和电流双闭环控制方法的直流调速系统具有动态性能好、易于控制、精度高等优点,目前已广泛应用于电力驱动系统。根据可控硅的特性,调整控制角的大小可调整电压。调速系统的主电路采用三相全控桥式整流电路将交流电变为直流电,供给直流电机。为了使速度、电流反馈环分别起作用,可在系统中设置两个控制器,实现速度和电流的双闭环控制。电流内环、速度外环是常用的形式,对提高系统动、稳态性能有很大帮助。近年来,交流调速系统发展也非常快,但直流调速系统在生产生活中也起着重要的作用。不可忽视的一点是,从理论和实践角度看直流驱动系统更成熟;从闭环控制的角度来看,它也是交流传动控制的基础。
        直流电动机电流转速双闭环V-M不可逆调速系统也称晶闸管-直流电动机调速系统(简称V-M系统,静止的Ward-Leonard系统)。博主根据工程设计的方法设计了调速系统的速度和电流调节器,电流回路反应跟随性能,速度环主要是抗干扰性能,电机满足静态和动态性能指标。主电路结构如下图所示。

        直流电机转速控制值为1500r/min,额定负载转矩为171N*m,正常启动时的转速曲线如下。1.5s后电机转速稳定在目标值1500,响应快,超调小。

        下面测试调速性能。在2s时将目标转速由1500r/min改为1800r/min,仿真结果如下。2s时转速由稳定值上升到1800,调速性能良好。

        下面测试抗干扰性能。在2s时将负载大小由转速由171N*m变为240N*m,仿真结果如下。2s时转速负载突然加重,转速略有下降,但经过控制器调整,很快回升到1500r/min,抗干扰性能良好。

 

电力系统任意次谐波电流检测提取Simulink仿真

         随着整流逆变器的广泛使用和电力电子技术的飞速发展,电力系统出现了越来越多的谐波污染,谐波会给系统带来设备过热、损耗增加等许多不利影响。目前在谐波检测的理论基础上,大部分采用有源电力滤波器(APF)对电网的谐波进行补偿,如何实时且准确地检测谐波电流也相应成为一个重要的研究课题。但电网中谐波一般较为复杂,单独使用有源电力滤波器也有特定缺点,比如成本高、运行效率低等,考虑和无源滤波器(PF)组成混合滤波系统可以充分发挥APF与PF的优点,取长补短,所以这类滤波器的应用也较为广泛。对于这种有源电力滤波器,如何准确快速检测出需要消除的指定次谐波是极为重要的。除了电力滤波器,在电力系统的故障诊断与继电保护也需要用到谐波电流的检测。目前研究较为集中的检测方法主要有:带通/带阻滤波器方法,基于瞬时无功功率理论方法的dq0同步坐标的方法等等,已经广泛应用的有基于瞬时无功功率理论的如ip-iq法和p-q法。

        论文《三相四线制系统任意次谐波电流的检测新方法》在传统ip-iq法的基础上,提出了一种谐波电流检测的新方法,该方法可分别检测正序、负序、零序谐波电流分量,既适用于三相不对称系统也适用于三相四线制系统。其检测 k 次谐波电流 的算法原理框图如下图所示,具体算法原理可详见上述论文:

       依据上述论文的算法,搭建Simulink仿真系统,整体系统如下图所示。主要结构如下,1标识为系统,2标识为三相负载,3标识为谐波电流注入,4标识为谐波分量检测。谐波注入包括3、5、7次,幅值分别为10、6、4A。含谐波电流的系统电流如下图。

        依照论文所述方法搭建Simulink模型,核心检测模块如下。标识1表示需要检测的谐波次数,此处设置为5次。运行仿真模型,0.2s后输出仿真结果。标识2表示5次谐波A相波形,标识3表示5次谐波B相波形,标识4表示5次谐波C相波形,结果如下。可见该方法检测准确无误。

 

24脉波整流|地铁牵引系统Simlink仿真

         多脉冲整流器正在越来越多地用于更多的牵引供电系统,但是对电能质量有较高要求,特别是低输入谐波。目前受欢迎的整流系统包括12脉波和24脉波拓扑,可以满足谐波要求。此外,这些多脉冲整流器可以提供高功率因数和减少无功功率需求。当使用12脉波整流器时,仍需配合使用有源或无源电力滤波器,将输入线电流的畸变率THD降低到一个可接受的水平。滤波器带来的额外的体积和重量减弱了12脉波整流器的优势。另一方面,24脉波整流器可以满足要求,无需额外的滤波器。它的体积和重量小于12脉波整流器和滤波器的组合。
        本文的目的是仿真研究一个基于三相24脉波的整流单元,使用基于Simulink的三相变压器模块等搭建模型。仿真结果波形与谐波分析结果均正常。24脉波整流机组的主电路原理图如下图所示。

        24脉波整流说明直流侧脉冲数为24,如下图所示。如果对输出波形做快速傅里叶变换,交流电流谐波主要包含24±1次谐波。