电力电子系统建模与控制作业
(完整word版)电力电子电路建模与分析大作业
西安理工大学研究生课程论文/研究报告课程名称：电力电子系统建模与分析任课教师：完成日期： 2016 年 7 月 5 日专业：电力电子与电力传动学号：姓名:同组成员：成绩：题目要求某用户需要一直流电源，要求:直流输出24V/200W，输出电压波动及纹波均<1％。
用户有220V交流电网（±10%波动变化）可供使用：（1) 设计电源主电路及其参数；（2) 建立电路数学模型，获得开关变换器传函模型;（3) 设计控制器参数，给出控制补偿器前和补偿后开环传递函数波特图，分析系统的动态和稳态性能；(4）根据设计的控制补偿器参数进行电路仿真，实现电源要求；（5) 讨论建模中忽略或近似因素对数学模型的影响，得出适应性结论(量化性结论：如具体开关频率、具体允许扰动幅值及频率等）。
主要工作本次设计主要负责电源主电路及其参数的的设计，以及建立电路数学模型并获得开关变换器传函模型这两部分内容，具体如下：（1) 本次设计电源主电路及其参数,采用从后向前的逆向设计思想。
首先根据系统输出要求，设计了后级DC/DC型Buck电路的参数。
接着设计了前级不控整流电路以及工频变压器的参数.考虑到主电路启动运行时的安全性，在主电路中加入了软启动电路；(2) 本次DC/DC变换器的建模并没有采用传统的状态空间平均方法，而是采用更为简单、直观的平均开关建模方法,建立了Buck变换器小信号交流模型.最后，推到出了开关变换器的传递函数模型，并给出了Buck电路闭环控制框图。
1 设计主电路及其参数1.1主电路设计根据题目要求，系统为单相交流220V/50Hz 输入，直流24V/200W 输出。
对于小功率单相交流输入的场合，由于二极管不控整流电路简单，可靠性高，产生的高次谐波较少,广泛应用于不间断电源（UPS ）、开关电源等场合。
所以初步确定本系统主电路拓扑为：前级AC-DC 电路为电源经变压器降压后的二极管不控整流，后级DC —DC 电路为Buck 斩波电路，其中Buck 电路工作在电感电流连续模式（CCM)，前后级之间通过直流母线和直流电容连接在一起。
电力电子系统建模控制与仿真_参考教材参考实例
x&(t) = A1x(t) + B1u(t)
(1)
y(t) = C1x(t) + E1u (t)
(2)
其中：x(t)为状态向量；u(t)为输入向量；A1 和 B1 分别为状态矩阵与输入矩阵； y(t)为输出变量；C1 和 E1 分别为输出矩阵和传递矩阵。
（2）关闭状态，时间为[dTs，Ts]： 可以写出的状态方程为：
{ò ò } = 1 Ts
t +dTs
t +Ts
t [ A1á x(t )ñTs + B1áu(t )ñTs ]dt + t+dTs [ A2 á x(t )ñTs + B2 áu(t )ñTs ]dt
(12)
整理可以得到：
áx&(t)ñTs = [d (t) A1 + d ¢(t) A2 ]áx(t)ñTs + [d (t)B1 + d ¢(t)B2 ]áu(t)ñTs
(13)
这就是 CCM 模式下的平均变量状态方程一般公式，其中 d(t) + d¢(t) = 1 。
用同样的方法可以求得
á y(t)ñTs = [d (t)C1 + d ¢(t)C2 ]á x(t)ñTs + [d (t)E1 + d ¢(t)E2 ]áu(t)ñTs
(14)
分解平均变量为：
状态变量： áx(t)ñTs = X + xˆ(t)
=1 Ts
t+Ts x&(t )dt
t
(10)
将(1)(3)代入(10)，可以得到：
ò ò áx&(t)ñTs
= 1( Ts
t+dTs x&(t )dt
电力电子系统建模及控制1_第1章DCDC变换器的动态建模
由式(1—6)得到
当Buck-Boost变换器电路达到稳态时，电感电流的瞬时值间隔一个周期 是相同的，即i(t+Ts)=i(t)，于是 上式表明，电感两端电压一个开关周期的平均值等于零，即所谓伏秒平 衡。这样可以得到
在阶段1，即[t，t+DTs]，电感两端的电压vL(t)=Vg；在阶段2，即[t+DTs，tБайду номын сангаасTs]， 电感两端的电压vL(t)=V。代人式(1-12)得到
1．1状态平均的概念 由于DC／DC变换器中包含功率开关器件或二极管等非线性元件，因此
是一个非线性系统。但是当：DC／DC变换器运行在某一稳态工作点附近， 电路状态变量的小信号扰动量之间的关系呈现线性的特性。因此，尽管： DC／DC变换器为非线性电路，但在研究它在某一稳态工作点附近的动态特 性时，仍可以把它当作线性系统来近似，这就要用到状态空间平均的概念。 图1—2所示为：DC／DC变换器的反馈控制系统，由Buck DC／DC变换器、 PWM调制器、功率器件驱动器、补偿网络等单元构成。设DC／DC变换器的占 空比为d(t)，在某一稳态工作点的占空比为D；又设占空比d(t)在D附近有 一个小的扰动，即：
在阶段2，即[t+dTs，t+Ts]，开关在位置2时，电感两端电压为
通过电容的电流为
图1-5为电感两端电压和通过电感的电流波形，电感电压在一个开关周 期的平均值为
如果输入电压vg(t)连续，而且在一个开关周期中变化很小，于是vg(t)在 [t，t+dTs]区间的值可以近似用开关周期的平均值<vg(t)>Ts表示，这样
下面我们将电感电流波形作直线近似，推导关于电感电流的方程。如图 1—6所示．当开关在位置1时
电力电子建模与控制仿真作业
电力电子建模与控制基于BUCK变换器反馈控制设计专业：电气工程姓名：________ 荏学号：13S053072BUCK 变换器反馈控制设计第一部分：设计目标图1 Buck 变换器系统根据给定的条件，要求完成以下设计任务：1•建立系统的传递函数TF ;2. 给定参数：主电感 L 50 H ,R C 0.05 ,V g 30V15V ，R 5 C 100 F ,R 0 。
设计补偿网络Gc(s);3. 画出补偿前后系统传递函数的bode 图；4. 讨论补偿传递函数Gc(s)对于系统零点、极点、输出调节、输出阻抗及对 系统动态性能的影响。
第二部分：传递函数的建立与仿真一、系统开环传递函数建立:图2统一电路模型对于给定的buck 变换器电路，如图1所示6I 斗—lOw1川表1 BUCK 变换器统一电路模型参数1. BUCK 变换器占空比至输出传递函数 G vd (s):由以上模型和参数课求得占空比至输出的传递函数 G vd (s):V (R sR RC)R (L R cRC) s LC (R R c) s 22. 主拓扑参数选择：本文控制系统中反馈电阻选择： R x 100k ,R y 100k ，即反馈系数 1H(s)；开关频率为f s 100kHz ，参考电压为5V ，锯齿波幅值3V3. 工作方式：根据BUCK 变换器电流连续与断续状态的临界电感公式为二、补偿前系统传递函数bode 图1•原始回路增益函数G °(s)2.补偿前系统传递函数bode 图利用Matlab 软件画出G °(s)的bode 图，如图3所示，从图中可以看出，系统的幅值裕度无穷大，然而，相角裕度比价小，只有 Pm=15.7deg 不符合系统的要求。
G vd (s)(1)Icrit1 D?V g D 2T sD ? 2L(2)代入给定的参数值，可知，电感电流 I I crit ，电路工作在连续CCM 模式G)(s)H(s)G m (s)G,d (s)% 1 V g (R sRRC& RV m 1 s(R RRC s 2LC(R R)(3)G °(s) 100 1 30(5 2.5 10 5S)100 100 3 5 7.5 10 5s 25.25 10 9s 25 2.5 10 5s1 1.5 10 5s 5.05 109s 2三、系统时域内实时仿真利用 matlab/Simulink 中相关的模块，搭建开环实时仿真电路图，如图 4所示:从仿真波形中可以看出，系统的动态特性较差，存在较大的输出超越量和较长的 调节时间，稳态时，输出结果并非精确的15V ，故存在较大的稳态误差。
电力电子系统建模及控制4 DCDC 变换器反馈控制设计
▪ 增益裕量(dB)
可以说增益裕量就是在G(s)H(s)平面上相位交越点对(-1，j0)
点接近程度的一种量度，如图4—5所示。
在极坐标图中表示增益
裕量与相位裕量，该图
也称耐奎斯特图。
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一般来说，增益裕量大的系统比增益裕量小的系统稳定。
但是，有时增益裕量并不一定能够充分反映系统的稳定度。
因此，为了提高对相对稳定度描述的准确性，还需引入相位
度、电压调整率、频带宽度以及暂态响应。
23
▪ 根据最小相位系统理论，最小相位系统的幅频特性和相频特性
之间存在一一对应关系，如
• 幅频图中水平线对应相频图中相移为0 °；
• 幅频图中斜率为-20dB/dec折线对应相频图中相移为-90°；
• 幅频图中斜率为-40dB/dec折线对应相频图中相移为-180°；
(4-11)
相位裕量是在G(s)H(s)平面上为了使G(s)H(s)轨迹的增益交
越点通过(-1，j0)点，则G(s)H(s)图必须以原点为中心顺时针旋
转一角度，如图4—5所示。
即在G(s)H(s)平面上连接原点与增益交越点所成的相量与负
实轴所夹的角度。
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▪ 对于DC/DC变换器系统，其回路增益函数G(s)H(s)为
6
▪ 幅频图
幅值为20lg|G(jω)|(以dB为单位)与logω或logf 的关系图；
▪ 相频图
相位为 ∠G(jω)(“°”为单位)与logω或logf的关系图。
由于幅值用分贝(dB)表示，因此，在传递函数中乘与除因子取
对数后变成加与减；相位也是传递函数中乘与除因子的相位加
与减而求得。
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▪ 幅频图
为负反馈系统。
电力电子、电机控制系统的建模及仿真(第1章)
2. 保存目前空白的设计 (File＞Save As …)，在File Name字段输入名称VoltageRegulator，在保存文件的时候需要注 意，文件的保存路径必须为英文路径，否则在文件再次打开时会出现错误。
3. 放置元器件 按图1-2所示在原理框图上放置元器件。
(5) 将鼠标放置在窗口空白处并单击鼠标右键，通过图1-9中的选项可以改变主窗口背景颜色。 第一项为彩色黑背景；第二项为彩色白背景；第三项为黑色白背景。用户可根据自己的习惯进行 修改。
5. 连接原理图 在完成元件布局并设定属性后，可以将元件用导线连接在一起。在两个端口间连线的最简
单的方法如下： (1) 将光标放在第一端口上面(以V_dc符号的顶部开始)； (2) 单击鼠标左键； (3) 将光标放在第二个端口上(lm317的左侧端口)； (4) 再次单击鼠标左键。 重复步骤(1)-(4)，从而将每个元件符号连至相关部件，如图1-10所示。
图1-31参数设置对话框
3. 在Saber中设置输入输出接口 启动Sketch并打开power_window_control.ai_sch 文件，文件位于：Synopsys\B
-2008.09-SP1\Saber\lib\tool_model\Simulink2SaberRTWexport_Matlab2008a\po wer_window，如图1-32所示。
主要功能: • 1. 数值计算功能 • 2. 符号计算功能 • 3. 数据分析和可视 化功能 • 4. 文字处理功能 • 5. SIMULINK动态仿真功能
主要特点: • 1. 功能强大
含有40多个应用于不同领域的工具箱.
• 2. 界面有好
其指令表达方式与习惯上的数学表达 式非常接近。 • 3. 扩展性强
电力电子系统建模及控制
学 号：_____________
组 别：___________________________
实验桌号 :__________________________
2013年月日
一、实验目的（要求在课前预习完成）
1、熟悉Simulink的工作环境，熟悉直流斩波电路的工作原理。
二、实验原理（要求在实验前预习完成）
一、降压斩波(Buck)电路是最基本的DC-DC变换电路之一。
如图1所示为Buck电路原理图及其工作模式。
元件和仿真参数设置如下：输入电压(Vg) ， ， ， ，开关频率为20kHz，开关信号占空比D=50%。
图1Buck电路原理图及其工作模式
(1)在Simulink中建立Buck电路模型，并进行仿真。
利用升压-降压式变换器，即可实现升压，也可实现降压，图1-3中的电压波形是升压工作状态的波形。波形为有少许波纹的直流电压。
理论计算： = E=E=100V， 与E极性相反；仿真结果与升降压斩波理论吻合。
（2）绘制加入的超前滞后补偿网络bode图。
三、主电路同实验一。Buck电路原理图及其工作模式如图1。
buck电路及其超前滞后补偿网络设计同实验二。各参数设置同实验二。
1、根据实验二的补偿网络设计结果，在Simulink中建立超前滞后补偿网络模型（用transferFcn模块直接代替实验二中的补偿网络）。
2、熟悉降压、升压斩波电路的组成及其特点，掌握在simulink的工作环境中建立电力电子系统的仿真模型。
3、掌握直流斩波电路环路设计，了解系统校正的工作原理。
4、掌握相关的matlab命令，及其在simulink的工作环境中建立电力电子控制环路的仿真模型。
电力电子系统建模及控制 第六章下
• 5．SVM5序列 如图6—29所示，在扇区I、Ⅲ、V中使用零矢量 [ppp]；在扇区Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ中使用零矢量[nnn]。由于序 列是对称的，因此降低了谐波。一个开关周期只有四 次换流，减少了开关损耗。
• 6．SVlVl6序列 SVM6是由SVM4发展出来的，组织方式与SVM4类 似，主要区别是零矢量的选择方面，仍以参考矢量位 于扇区I为例加以介绍。零矢量的选择方法如图6— 30所示。若当前a相电流的绝对值最大，那么仍选零 矢量[ppp]；若当前c相电流的绝对值最大，那么就选 零矢量[nnn]；若当前b相电流的绝对值最大，这时需 要进一步比较a相与c相电流的绝对值。若a相电流的 绝对值大于c相电流的绝对值，则选零矢量[ppp]；若 c相电流的绝对值大于a相电流的绝对值，则选零矢量[： nnn]。
这时对应的矢量
因此vref轨迹构成的最大圆，即vref模为
又根据参考电压矢量模llvrefIl与三相线电压的幅值Vm 之间的关系
因此结合式(6-111)与式(6-112),得到在SPWM调制 时最大的三相线电压幅值为
图6—50表示SPWM调制情况最大参考电压矢量模 3 V = V 的圆。 IlvrefIl的轨迹为一个半径为 2 由于空间矢量调制SVM方法时，最大的线电压幅值 Vm=Vdc，因此
求得零电压矢量[PPP]的作用时间
零电压矢量作用时间为
• 6．4．2空间矢量调制 空间矢量调制SVM方法与 ． ． 空间矢量调制 方法与 SPWM调制比较 调制比较
如图6—47所示的SVM2方法，在扇区工空间矢量 V1作用的时间为空间矢量V1作用时间为
空ห้องสมุดไป่ตู้矢量V2作用时间T2为
零空间矢量y。作用时间为 化简
类似地，可求出扇区Ⅱa相PWM脉冲在一个开关周 期中的平均值
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电力电子系统建模与控制作业
电力电子系统是指使用电力电子器件进行电能转换和控制的系统。
它广泛应用于电力传输、配电和电能控制等领域。
在电力电子系统的建模与控制方面，有很多不同的方法和技术可供选择，根据具体应用场景和系统要求来确定最合适的建模与控制方案。
电力电子系统的建模是指通过数学模型将实际电力电子系统转化为数学表达式，以便进行分析和控制。
建模的关键是确定系统的状态方程和输出方程，并利用这些方程进行仿真和分析。
建模的方法可以分为物理模型和简化模型两种。
物理模型是根据电力电子器件的物理特性和电路原理来建立的，通常使用较为复杂的微分方程或差分方程描述系统动态特性。
物理模型的优点是可以准确地描述电力电子器件和系统的行为，但缺点是复杂度高、计算量大，对计算机性能要求较高。
简化模型是在物理模型的基础上进行简化和近似处理得到的，通常使用等效电路或传递函数来描述系统的动态特性。
简化模型的优点是具有较低的复杂度和计算量，适合于系统级仿真和控制设计。
缺点是精度相对较低，无法准确地模拟所有的细节和非线性特性。
电力电子系统的控制是指通过调节控制器的输入信号，使系统输出达到所需的目标。
控制的目标可以是稳态操作、动态响应、输出品质等。
在控制设计中，需要根据建模结果选择合适的控制策略和算法，并进行系统参数的调整和优化。
常用的控制策略包括PID控制、模糊控制、神经网络控制、自适应控制等。
PID控制是最常用和经典的控制方法，通过比较系统输出与期望值
之间的差异，通过调整控制器的三个参数（比例、积分、微分）来实现系
统稳定和响应速度的控制。
模糊控制是一种基于模糊推理的控制方法，适
用于复杂和非线性系统。
神经网络控制是利用神经网络的优良特性，进行
系统建模和控制设计。
自适应控制是利用系统的自学习和自适应能力，通
过不断调整自身参数来实现控制目标。
在实际应用中，根据具体的电力电子系统和控制要求，可以选择不同
的建模与控制方案，并结合实时仿真和实验验证进行性能评估和参数调整。
通过合理的建模与控制设计，可以提高电力电子系统的效率、稳定性和可
靠性，实现对电能的高效转换和精确控制。
综上所述，电力电子系统的建模与控制是电力电子学领域的重要研究
方向，涉及到电路理论、控制理论和数学建模等多个学科的交叉。
通过合
理的建模和控制设计，可以提高电力电子系统的性能和可靠性，实现对电
能的高效转换和精确控制。