能饋型電子負載的設(shè)計.doc

哈爾濱工業(yè)大學學士學位論文中期報告姓 名 胡浩 班 級 1002302 導 師 李軍遠 論 文 題 目能饋型電子負載的設(shè)計中期報告日期 2014.5.10 - 1 -1開題報告中課題總體進度安排如下：2013.12.12-2013.12.27: 信息收集；2013.12.28-2014.1.4: 閱讀、整理收集的資料；2014.1.5-2014.3.22: 準備撰寫開題報告，制作PPT；2014.3.22-2014.4.5: 完成系統(tǒng)中主電路的設(shè)計；2014.4.5-2014.4.20: 完成系統(tǒng)中控制策略的基本設(shè)計；2014.4.21-2014.4.30: 完成外圍電路的設(shè)計；2014.5.1-2014.5.3: 進行系統(tǒng)仿真與調(diào)試；2014.5.4-2014.6.1: 根據(jù)仿真結(jié)果對系統(tǒng)進行修改；2014.6.4-2014.6.17: 準備畢業(yè)論文；2014.6.18-2014.6.23: 修改論文，準備答辯；2014.6.26-2014.6.27: 提交論文等材料。 現(xiàn)在是2014.5.10 我現(xiàn)在進度應(yīng)該如上文所述到仿真與調(diào)試階段，實際上我的總體進度正是在仿真與調(diào)試階段，完成我初期對于設(shè)計工作的預(yù)期進度。2目前已完成的研究工作及結(jié)果正如開題報告中的系統(tǒng)整體方案的設(shè)計，將能饋型電子負載的設(shè)計大致分為兩個部分圖 2-1 電子負載工作原理圖 第一部分為負載模擬部分，第二部分為能量回饋部分。進而細分，第一部分可分為主電路的設(shè)計和控制部分的設(shè)計，第二部分也可以分為主電路的設(shè)計以及控制部分的設(shè)計。這樣我的整體的方案為了四個小部分。其中我將兩個電路設(shè)計的部分整合到一起，就形成了最后三個部分。2.1 主電路的設(shè)計本文電子負載的設(shè)計是針對于太陽能電源設(shè)計的，光伏電池的單體電壓通常都很低，僅為0.4V0.6V左右，使用時需對其進行串聯(lián)升壓,常見太陽能電池組件是串聯(lián)36/48/72/96片，即組件的電壓通常在18/24/36/48V 左右。我選取了針對48V電源的電子負載的設(shè)計，如欲將測試用的電能回饋至220V交流電網(wǎng)，則需控制直流母線電壓值大于電網(wǎng)電壓的峰值通常是將直流母線電壓升至400V左右。這就必然需要一個升壓電路以滿足逆變需要。所以主電路的基本設(shè)計是：圖 2-2 能饋型直流電子負載系統(tǒng)基本框圖傳統(tǒng)的Boost變換器盡管在理論上可以無限升壓，但是在實際應(yīng)用中其升壓比卻受各種寄生因素的影響而無法達到很高，通常僅為四到五倍左右。根據(jù)以上分析，本文擬在系統(tǒng)的負載模擬部分采用具有寬調(diào)壓特性的高升壓比 DC/DC變換器。在經(jīng)過對于一些升壓電路的學習，例如：Boost升壓電路，Double-Boost變換器，單管級聯(lián)型Boost變換器等，最終選擇單管級聯(lián)型Boost變換器作為本設(shè)計中的升壓電路。圖 2-3 單管級聯(lián)型BOOST變換器的電路圖并對其中原件的參數(shù)進行了設(shè)計與計算。對于逆變電路選擇了易于控制的電壓型單相全橋逆變電路，最后通過LCL濾波器鏈接到220V的交流電網(wǎng)中。其中對LCL濾波器進行了建模分析：圖 2-4 LCL濾波器頻域等效電路圖得其傳遞函數(shù)為： （2-1）2.2負載控制環(huán)節(jié)的設(shè)計 由上面的分析可知,負載模擬部分采用的升壓變換器之后，為了實現(xiàn)模擬真實負載的功能,需為其設(shè)計電流跟蹤控制器。負載模擬部分的單管級聯(lián)Boost 變換器的輸入電流進行閉環(huán)控制框圖如圖2-5所示，圖 2-5 負載模擬部分單管級聯(lián) Boost 變換器的電流閉環(huán)控制框圖其中，為設(shè)計的補償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)，為 PWM 脈寬調(diào)制器傳遞函數(shù)，為單管級聯(lián)型變換器的占空比至輸入電流傳遞函數(shù)。其中，取，。并對其做出了simulink的仿真，如下圖：圖 2-6 負載模擬部分仿真圖2.3 并網(wǎng)逆變控制環(huán)節(jié)的設(shè)計并網(wǎng)逆變部分的控制目標是：1）控制直流母線電壓穩(wěn)定在400V，以保證系統(tǒng)的功率平衡和并網(wǎng)逆變的順利進行。2）控制并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的相位和頻率相同，保證將測試所用的電能以單位功率因數(shù)饋送到電網(wǎng)中，最大限度的回收利用電能。在多次的嘗試之后，我對并網(wǎng)逆變部分控制策略的選擇，采用電壓電流雙閉環(huán)的控制方式，即直流母線電壓外環(huán)和并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)，其中內(nèi)環(huán)采用滯環(huán)電流控制。圖 2-7 滯環(huán)電流控制基本原理圖此外，PID控制器因其原理簡單、適用性強、對被控對象參數(shù)變化不敏感等優(yōu)點而廣泛的應(yīng)用在了工業(yè)控制系統(tǒng)當中。其中PI控制的作用是增大低頻增益和提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，在本文中電壓外環(huán)選擇 PI控制就可使控制系統(tǒng)滿足指標的要求。根據(jù)文獻了解，滯環(huán)電流控制，因其本身是一種典型的非線性控制方法，不具有完備的線性小信號模型支持，通常采用描述函數(shù)法進行分析，僅考慮其基波分量，又因此處內(nèi)電流環(huán)對電流指令的跟蹤速度遠快于瞬時外電壓環(huán)對波形的跟蹤速度，所以在低頻小信號下，為簡化電壓環(huán)設(shè)計，可將電流環(huán)等效為一個比例環(huán)節(jié)，則簡化后的電壓環(huán)等效結(jié)構(gòu)如圖 2-8 所圖 2-8 簡化后電壓環(huán)等效結(jié)構(gòu)圖對其的反饋部分simulink仿真如下圖：圖 2-9 電能反饋部分仿真圖2.4 整體仿真 整體仿真圖如下：圖 2-10 整體仿真圖 2-11 負載電流圖 2-12 直流側(cè)電壓圖 2-13 電流反饋電網(wǎng)圖3后期擬完成的研究工作及進度安排2014.5.4-2014.6.1: 根據(jù)仿真結(jié)果對系統(tǒng)進行修改；2014.6.4-2014.6.17: 準備畢業(yè)論文；2014.6.18-2014.6.23: 修改論文，準備答辯；2014.6.26-2014.6.2