电力系统开关逆变器的RST离散控制器设计

来源 :北京电力高等专科学校学报 | 被引量 : 0次 | 上传用户:SQUIRRELXX
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  摘要:针对PWM开关逆变器,为了达到对其输出电压幅度的精确控制,在离散化系统的基础上,设计了一种RST离散控制器。通过设计离散控制器中的R控制器补偿系统传递函数的分母部分,设计S控制器补偿系统传递函数的分子部分,并通过算法内嵌积分器的设计消除了不确定扰动对系统的影响,并消除了系统的静态误差。在Matlab中仿真实现了系统及其控制模型,仿真结果表明,经RST离散控制器校正后系统输出稳定,无静态误差,系统反应速度快,鲁棒性强,有较强的实际应用价值。
  
  关键词:逆变器;PWM;离散控制;RST算法;Matlab仿真
  
  中图分类号:U224.2+2文献标识码:A文章编号:1009-0118(2010)-03-0065-02
  
  一、引言
  
  电力系统开关逆变器是一种将直流电转换为交流形式电能的电力系统,在电力调理与传输当中有着广泛的应用。PWM脉宽调制技术是一种广泛应用于电力逆变器的开关器件控制的调制技术,其线性度好,谐波分量少。传统的逆变器控制多采取电压与电流的单环或双环控制策略,控制器采用简单的PI控制,控制精度差,反应速度慢,而且由于PI控制器的实现多通过模拟原件进行实现,因此极易受到外界条件变化的影响,使逆变器工作在不稳定状态,影响输出电压的精度。伴随现代数控技术和控制理论的发展,RST控制器最近几年被提出并逐渐应用于各种电力系统的控制上。RST控制基于对离散化之后系统的控制,其核心部分由数字指令和算法来实现其控制,因此稳定性高,反应速度快,并且解决了传统线性控制系统固有的漂移以及电磁兼容等问题。本文首先建立了PWM逆变器的控制模型,然后基于RST算法设计了RST控制器,并在Matlab中对控制算法及其输出进行仿真。
  
  二、逆变器系统建模
  
  逆变器是一种广泛应用的电力电子器件,其输入侧为直流电形式,输出侧为正弦交流电形式。在电网传输中,常应用在电网出现故障时提供不间断的电力供应,因此在维护电力系统的稳定性上有很重要的作用。一个完整的单相逆变系统的组成结构如图1所示。
   图1 PWM单相逆变器结构示意图
  如图1所示,一个典型的单相逆变系统主要由PWM脉宽调制,单相逆变器以及LC滤波器组成。其中u(k)为PWM脉宽调制的输入控制信号,亦即PWM脉宽调制的占空比信号。在一个周期kTe到(k+1)Te中,PWM输出信号在kTe+Te/2+u(t)的时间段内为1,在其余时间段内为0。1与0分别表示逆变器开关期间的开通与关断两种状态。E为逆变器输入直流侧的直流电压,则逆变器的输出在PWM输出信号在kTe+Te/2+u(t)的时间段内为E,在其余时间段内为-E。Te为PWM控制环节的载波信号的周期,一般载波信号为三角波形式,其周期远小于输出电压信号的周期,这样逆变器的输出信号实际上为一个基波分量为正弦的占空比不断变化的方波信号。系统控制的设计要求为:在输出端得到50Hz的正弦交流电压,电压输出稳定并不随负载的变化而变化。图中各参数的具体取值为:E=50V,Te=50us,L=1mH,C=110uF。系统的输出电压与电流可以用式(1)表示:
   =[i(t)-ic(t)]=[em(t)-vs(t)](1)
  对式(1)进行拉普拉斯变换,得到结果如式(2)所示:
  vs(s)=[I(s)-Ic(s)]I(s)=[Em(s)-Vs(s)](2)
  根据拉普拉斯变换之后系统的传递函数图,得到待校正系统的传递函数图如图2所示。
   图2 待校正系统的传递函数图
  如图2所示,未校正前系统的开环传递函数可以表示为:
  Gs(s)=(3)
  
  三、待控系统的离散化及RST控制器的设计
  
  系统的离散化通过数模转换装置(CNA),模数转换装置(CAN)完成。模数转换装置用以将输出电压的模拟信号转换为数字信号,在数字控制系统(比如单片机或者DSP)中完成对RST控制器的编程实现,将控制信号输出作为逆变器的控制指令,并通过数模转换输出到逆变器上,形成对受控系统的离散控制。其控制框图如图3所示:
   图3带校正系统的离散化以及RST控制结构图
  如图3所示,R控制器加在反馈通路中,S控制器加在前向通路中,T控制器加在指令信号之后。RST控制器的设计根据系统所需要的一系列动态反应指标,在分析系统传递函数与稳定性的基础上分别完成对三个控制器的设计。经过离散之后的系统相当于在连续性系统传递函数基础上做z变换。本传动系统中对系统动态反应的要求有:(1)系统动态阶跃响应的上升时间tm≈40ms;(2)超调量D≈10%;(3)消除由于可能的扰动信号的引入造成系统阶跃反应的静态误差。待校正系统的传递函数G(z)可以根据系统零点与极点的类型划分为四类,如式(4)所示:
  G(z)==(4)
  其中B-(z-1)与A-(z-1)分别为系统开环传递函数分子与分母中需要补偿的所有零点和极点;B+(z-1)与A+(z-1)则表示系统开环传递函数分子和分母中中不需要补偿的所有零点和极点。这里系统传递函数中的增益系数Kz包含在B-(z-1)中,这样,除了B-(z-1)之外,其余的因式均可以用(1-piz-1)相乘的形式表示。具体的选取原则包含两点:(1)首先系统的传递函数中位于复平面上单位圆外和圆上的零点和极点必须分别放入B-(z-1)与A-(z-1)因式中,同时滞后环节z-d同样应该包含在B-(z-1)中;(2)对于一些特殊的零点,即使位于单位元内,同样应该放入B-(z-1)中,这主要包含单位圆内零点的实部小于零的点,因为这些点可能引起被控对象的输入信号发生较大的震荡。本系统中各个参数的设定如式(5)所示:
  B+(Z-1)=1
  B-(Z-1)=0.6807(1+0.8013Z-1)
  A+(Z-1)=(1-0.5134Z-1)
  A-(Z-1)=(1-Z-1)(5)
  确定校正后系统的形式Am(z-1),其传递函数如式(6)所示:
  Am(z-1)=1+p1z-1+p2z-2(6)
  式中p-2exp(-T)cos(T) ,p=exp(-2T)。
  为了消除扰动对系统造成的影响,在S控制器中加入了内嵌积分环节用以对扰动和静态误差进行消除,设计的R,S控制器可以用式(7)求解得到:
  S=B+S'=B+S''(1-z-1)
  R=A+R' (7)
  并满足以下关系:
  A-S''+B-R'=A0AM
  T=A0A+Bm'(8)
  式中A0=1。很显然,式(8)可以转换为矩阵相计算的形式,同时对该形式的矩阵方程进行diophantine方程形式检验,检验函数如下:
  deg(A)+deg(B)≥deg(A0Am)(9)
  满足此式的矩阵方程称为diophantine方程,R、S控制器的阶数满足式(10)所示:
  deg(R')+deg(A-(1-Z-1))-1
  deg(S'')=deg(B-)-1(10)
  T控制器中的参数Bm’满足式(11)所示:
  Bm'= (11)
  这样,通过矩阵的求解运算,可以得到RST控制系统的传递函数,本系统中最终设计得到的各传递函数表达式如式(12)所示:
  S=(1-z-1)(1+0.3383z-1)
  R=(1-0.5134z-1)(0.8996-0.6150z-1) (12)
  T=0.2850(1-0.514z-1)
  四、Matlab仿真与分析
  在Matlab中建立了基于RST控制的系统仿真程序,如图4所示。
   图4离散化的RST控制系统在Simulik下的建模图
   如图4所示,R、T、1/S分别表示上述求得的RST控制模块,Process表示离散化之后的直流电机位置传动系统模块。系统的输入端加入50V正弦控制信号,负载为纯电阻性负载10欧姆,系统的输出信号如图5所示:
   图5逆变器的输出电压与电流的动态反应
  如图5所示,系统的输出电压幅度稳定在400V,并且系统输出的稳定性强,误差小,输出特性满足设计要求。
  
  五、结论
  
  本文设计了一种PWM调制的逆变器的RST控制系统。首先介绍了逆变器系统的数学控制模型的建立,并给出了系统的传递函数图;然后将连续系统离散化得到了离散之后的系统传递函数图,使用RST控制器设计法,分别设计了系统数字控制部分的R,S,T三个控制器。在Matlab中建立了系统的仿真控制模型,仿真结果表明,系统的输出稳定,无波动,正弦信号质量好,反应速度快,是一种理想的PWM逆变器控制方案。仿真结果验证了系统参数设计的准确性。
  
  参考文献:
  
  [1]胡青.基于RST算法的直流电机位置传动系统的离散控制器设计[J].科技资讯,2009,(34).
  [2]杜志强.高响应短行程直线直流电机的建模、控制与实验研究 [D].华中科技大学博士论文,2006.
其他文献
摘要:变电站直流系统在实际运行中由于环境、过流等因素,直流接地或直流系统绝缘下降是变电站常见故障,本文分析了造成故障的原因,并介绍了查找方法和注意事项。    关键词:直流系统;故障分析;故障查找    中图分类号:U223.6+1文献标识码:A文章编号:1009-0118(2010)-03-0057-01    变电站直流系统是供给安全自动装置、继电保护装置、控制、操作回路、事故报警等装置的电源
期刊
摘要:本文首先概述了项目管理的内涵和意义,然后详细阐述了电力工程项目管理中要重视安全管理的原因和措施,最后提出电力工程项目管理的思路包括两个层次:项目沟通和目标控制。指出只有使用现代项目管理的科学理念和方法,才可能以较小的投入,取得较为理想的效果。    关键词:电力市场;电力企业;项目管理    中图分类号:TN0文献标识码:A文章编号:1009-0118(2010)-03-0052-02   
期刊
摘要:本文从电力系统网损中,变压器的损耗和输电线路导线损耗两个方面入手,具体阐述了这两种损耗的分析计算方法,针对降低网损的方法又提出了五点具体措施,希望对电力行业的相关人员有一定的借鉴作用。    关键词:电力系统;一次网损;计算方法    中图分类号:U223.8文献标识码:A文章编号:1009-0118(2010)-03-0049-02    一、前言    随着改革开放的深入进行,我国经济的
期刊
摘要:对于英语专业调剂生而言,如何在一开始提高他们对英语语音的重视,学会欣赏英语顺畅语流的美,对提高他们学习英语的兴趣有很重要的影响。这要求教师尤其要注意创造性的使用教材和灵活的安排授课内容和课堂活动。    关键词:调剂生;语音;教材;课堂活动    中图分类号:G64文献标识码:A文章编号:1009-0118(2010)-03-0042-01    笔者所在的医学院只有公共管理,医学英语等小专
期刊
摘要:提高电力系统的经济效益一定程度上决定于系统中水电站运行工况的优化和流域水电站的综合调度。本文对水电站厂内和梯级电站的经济运行方式和算法进行了深入研究和分析,再根据动态规划原理,确立了短期优化调度策略,建立并求解了耗水量最小优化模型,具有一定的可行性。    关键词:梯级水电站;数学模型;优化;调度    中图分类号:TV7文献标识码:A文章编号:1009-0118(2010)-03-0059
期刊
摘要:本文简要分析发电机机械制动闸故障不能正常退出的原因,对机组开机的影响及一般查找排除的方法。    关键词:机械制动闸;开机;电磁阀组    中图分类号:TH11文献标识码:A文章编号:1009-0118(2010)-03-0061-01    一、前言    飞来峡发电厂位于北江干流中游,装有4台灯泡贯流式机组,总装机容量为140MW,其中发电机及其辅助设备  由奥地利ELIN公司制造,水轮
期刊
摘要:智能电网环境下,火电企业需要实现电力流、信息流、业务流、资金流的高度一体化。因此火电企业的信息化建设将起到至关重要的作用。本文在分析现阶段火电企业信息化应用现状的基础上,给出了智能电网环  境下火电企业信息化发展的趋势,并为火电企业信息化发展给出给出相关的建议。    关键词:智能电网;火电;信息化    中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1009-0118(2010)-03-0
期刊
摘要:EPON系统的发展及有效应用是势在必行的,因此对它的性能测试的研究也是必要的。    关键词:EPON系统,以太网,通信    中图分类号:TN29文献标识码:A文章编号:1009-0118(2010)-03-0070-02    一、引言    光器件和光纤的昂贵价格曾经驱动了这种可共享光纤接入系统的发展。利用光分路器可以把各终端用户的信号复用到一根光纤上(馈线光纤),这样在光收发模块、光
期刊
摘要:电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求。本文主要介绍高压母线充电保护装置技术改造方案相关问题。在分析高压电磁式母线充电保护基础上,介绍了电磁式母线充电保护的工作原理,结合高压电磁式母线充电保护在实际运行中的缺陷,重点介绍了技术改造方案,说明了改造的有效性。    关键词:高压母线;电保护装置;技术改造    中图分类号:TM文献标识码:A文章编号:1009-0118(2010)-03-
期刊
摘要:就中性点不接地系统10KV变电站母线PT高压保险熔断原因进行分析,针对各种可能原因的解决措施进行探讨。并以绵阳电业局实际运行发生的案例为例进行分析。    关键词:PT高压保险;熔断;解决措施    中图分类号:TN8文献标识码:A文章编号:1009-0118(2010)-03-0068-02    一、故障过程简况     园艺站2008年8月6日雷雨天气后,10kV I段PT出现高压保险
期刊