Помощь студентам в учебе
Построить математическую модель ППН и разработать алгоритм расчёта
|
1. Введение 12
2. Обзор литературы 15
2.1. Исследование явлений бифуркации 15
2.2. Обзор типовых схем импульсных преобразователей постоянного напряжения 18
2.3. Обзор контроллеров точки максимальной мощности 20
2.4. Типовые алгоритмы поиска точки максимальной мощности 21
3. Объект и методы исследования 24
3.1. Бифуркационные и хаотические явления в нелинейных импульсных системах 24
3.2. Виды аномальных режимов 29
3.3. Нелинейность уравнений динамики импульсно-модуляционных систем 30
3.4. Объект экспериментальных исследований 33
4. Моделирование повышающего преобразователя напряжения 38
4.1. Построение математической модели ППН с обратной связью по току 38
4.2. Методика построения бифуркационных диаграмм 44
4.3. Бифуркационный анализ динамики повышающего преобразователя напряжения 45
4.4. Имитационное моделирование ППН 52
4.5. Математическая модель ППН с обратной связью по напряжению 55
4.6. Математическое и имитационное моделирование ППН с мягкой коммутацией 60
4.7. Имитационное моделирование отслеживания точки максимальной мощности 65
5. Cетевой инвертор 72
5.1. Математическая модель сетевого инвертора 72
5.2. Имитационная модель инвертора при работе на сеть 78
5.3. Имитационная модель инвертора при совместной работе с повышающим
преобразователем на активную нагрузку 80
6. Экспериментальные исследования 83
6.1. Повышающий преобразователь напряжения в режиме стабилизатора напряжения 83
6.2. Реализация алгоритма отслеживания точки максимальной мощности 85
6.3. Испытания сетевого инвертора на активную нагрузку 93
6.4. Испытания при работе на сеть 94
7. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ 102
7.1. Потенциальные потребители результатов исследования 102
Основные сегменты рынка: 102
7.2. Анализ конкурентных технических решений с позиции ресурсоэффективности и
ресурсосбережения 103
7.3. FAST-анализ 104
7.4. Анализ стоимости функций выполняемых объектом исследования 105
7.5. Диаграмма Исикава 107
7.6. SWOT-анализ 108
7.7. Оценка готовности проекта к коммерциализации 109
7.8. Методы коммерциализации результатов научно-технического исследования 110
7.9. Управления научно-техническим проектом 111
7.10. Контрольные события проекта 112
7.11. План проекта 112
7.12. Заработная плата 114
7.13. Матрица ответственности 115
8. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 117
8.1. Введение 117
8.2. Вредные и опасные производственные факторы 118
8.3. Производственная санитария 120
8.4. Микроклимат производственных помещений 127
8.5. Экологическая безопасность 129
8.6. Безопасность в чрезвычайных ситуациях 130
8.7. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 134
Заключение 136
Список литературы 138
Приложение А 146
2. Обзор литературы 15
2.1. Исследование явлений бифуркации 15
2.2. Обзор типовых схем импульсных преобразователей постоянного напряжения 18
2.3. Обзор контроллеров точки максимальной мощности 20
2.4. Типовые алгоритмы поиска точки максимальной мощности 21
3. Объект и методы исследования 24
3.1. Бифуркационные и хаотические явления в нелинейных импульсных системах 24
3.2. Виды аномальных режимов 29
3.3. Нелинейность уравнений динамики импульсно-модуляционных систем 30
3.4. Объект экспериментальных исследований 33
4. Моделирование повышающего преобразователя напряжения 38
4.1. Построение математической модели ППН с обратной связью по току 38
4.2. Методика построения бифуркационных диаграмм 44
4.3. Бифуркационный анализ динамики повышающего преобразователя напряжения 45
4.4. Имитационное моделирование ППН 52
4.5. Математическая модель ППН с обратной связью по напряжению 55
4.6. Математическое и имитационное моделирование ППН с мягкой коммутацией 60
4.7. Имитационное моделирование отслеживания точки максимальной мощности 65
5. Cетевой инвертор 72
5.1. Математическая модель сетевого инвертора 72
5.2. Имитационная модель инвертора при работе на сеть 78
5.3. Имитационная модель инвертора при совместной работе с повышающим
преобразователем на активную нагрузку 80
6. Экспериментальные исследования 83
6.1. Повышающий преобразователь напряжения в режиме стабилизатора напряжения 83
6.2. Реализация алгоритма отслеживания точки максимальной мощности 85
6.3. Испытания сетевого инвертора на активную нагрузку 93
6.4. Испытания при работе на сеть 94
7. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ 102
7.1. Потенциальные потребители результатов исследования 102
Основные сегменты рынка: 102
7.2. Анализ конкурентных технических решений с позиции ресурсоэффективности и
ресурсосбережения 103
7.3. FAST-анализ 104
7.4. Анализ стоимости функций выполняемых объектом исследования 105
7.5. Диаграмма Исикава 107
7.6. SWOT-анализ 108
7.7. Оценка готовности проекта к коммерциализации 109
7.8. Методы коммерциализации результатов научно-технического исследования 110
7.9. Управления научно-техническим проектом 111
7.10. Контрольные события проекта 112
7.11. План проекта 112
7.12. Заработная плата 114
7.13. Матрица ответственности 115
8. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 117
8.1. Введение 117
8.2. Вредные и опасные производственные факторы 118
8.3. Производственная санитария 120
8.4. Микроклимат производственных помещений 127
8.5. Экологическая безопасность 129
8.6. Безопасность в чрезвычайных ситуациях 130
8.7. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 134
Заключение 136
Список литературы 138
Приложение А 146
В настоящее время всё больше внимания уделяется альтернативным источникам энергии, в том числе солнечной энергетике, в связи ростом цен на невозобновляемые источники энергии. Однако генерирование солнечной энергии имеет ряд проблем, связанных со стоимостью фотопанелей, их утилизацией и несовершенством устройств преобразования энергии этих систем. Всё это требует создания источников питания на современной элементной базе и систем их управления, позволяющих достигать высоких показателей энергоэффективности. К подобным источникам относятся сетевые (рис. 1.1) и автономные инверторы (рис. 1.2) солнечных батарей (СБ), имеющие в своей структуре звено постоянного тока на входе DC-AC преобразователя. В случае с автономным инвертором потребителю электроэнергии требуется резервный источник питания в связи с отсутствием солнечного света в ночное время. Этот факт предполагает наличие аккумуляторной батареи (АБ) на входе звена постоянного тока и контроллера заряда, который так же может быть выполнен в виде преобразователя постоянного напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). В составе сетевого инвертора СБ звено постоянного тока необходимо как для расширения диапазона работы устройства, так и для отслеживания точки максимальной мощности вольтамперной характеристики СБ.Как правило, в качестве звена постоянного тока на входе инверторов обоих типов используется повышающий преобразователь напряжения (ППН), поскольку напряжение солнечных панелей как правило невелико. В то же время ППН обладает наилучшим соотношением простоты и энергоэффективности по сравнению с другими типами DC-DC преобразователей (понижающий, инвертирующий и преобразователь, выполненный по схеме Кука) [1].
Математическое описание полупроводниковых преобразователей электрической энергии с импульсной модуляцией представляется системой нелинейных дифференциальных уравнений. Основным элементом, определяющим нелинейность контура регулирования силовым преобразователем, является импульсный модулятор. Наличие нелинейности приводит к неединственности решений, а значит, возможны случаи одновременного существования различных форм выходного сигнала, определяемых коммутационной функцией. Основным режимом работы замкнутых систем преобразования электрической энергии является режим работы с тактовой частотой колебаний ШИМ (одноцикловый). Однако, динамика таких систем гораздо многообразнее, т. к. имеют место субгармонические режимы с частотами колебаний, кратными частоте ШИМ, возможны так же режимы квазипериодические, и, наконец, явно хаотические.
В работах российских учёных А.И. Андриянова и А.А. Малаханова [7],
[8] показано, что аномальные бифуркационные явления присущи динамике преобразователей и являются неотъемлемыми свойствами самой структуры ППН, его математической модели. Этот факт требует исследования динамики создаваемого устройства, выявления областей возможных аномальных режимов и доказательства того факта, что они с рабочей областью ППН не пересекаются. Вопрос выявления допустимой области параметров особенно актуален для солнечных инверторов, поскольку входное напряжение для этих устройств является функцией освещённости СБ, которая может изменяться в широком диапазоне [2].
Целью работы является разработка комплекса программ для автоматизированного анализа и синтеза параметров системы управления ППН с однополярной нереверсивной модуляцией первого рода (ОНМ-1), не подверженной бифуркационным явлениям [3, 17, 18, 41, 42].
Автором были проведены исследования на основе повышающего преобразователя напряжения. Составлена математическая модель [4-19] и написано программное обеспечение для отыскания допустимой области параметров. Исследованы различные способы отыскания точки максимальной мощности ВАХ СБ, предложена реализация метода возмущения и наблюдения [1, 20-22,24-39,43] в составе микропроцессорной системы управления ППН. Полученные результаты верифицированы на физическом макете двухфазного повышающего преобразователя напряжения, а так же средствами имитационного моделирования.
Разработанные методы исследований, алгоритмы и полученные в результате данные позволяют существенно повысить надежность проектирования САУ ТП, в том числе:
• на этапе проектирования устройств обнаруживать аномальные режимы функционирования, прогнозировать возможные катастрофические явления, в том числе и отказы;
• давать рекомендации по выбору структуры регулятора для систем с ОНМ-1;
• проводить параметрический анализ и синтез устройств с импульсной модуляцией;
Полученные результаты могут быть применены для анализа динамических свойств других импульсных преобразователей постоянного напряжения, а так же других видов модуляции.
Математическое описание полупроводниковых преобразователей электрической энергии с импульсной модуляцией представляется системой нелинейных дифференциальных уравнений. Основным элементом, определяющим нелинейность контура регулирования силовым преобразователем, является импульсный модулятор. Наличие нелинейности приводит к неединственности решений, а значит, возможны случаи одновременного существования различных форм выходного сигнала, определяемых коммутационной функцией. Основным режимом работы замкнутых систем преобразования электрической энергии является режим работы с тактовой частотой колебаний ШИМ (одноцикловый). Однако, динамика таких систем гораздо многообразнее, т. к. имеют место субгармонические режимы с частотами колебаний, кратными частоте ШИМ, возможны так же режимы квазипериодические, и, наконец, явно хаотические.
В работах российских учёных А.И. Андриянова и А.А. Малаханова [7],
[8] показано, что аномальные бифуркационные явления присущи динамике преобразователей и являются неотъемлемыми свойствами самой структуры ППН, его математической модели. Этот факт требует исследования динамики создаваемого устройства, выявления областей возможных аномальных режимов и доказательства того факта, что они с рабочей областью ППН не пересекаются. Вопрос выявления допустимой области параметров особенно актуален для солнечных инверторов, поскольку входное напряжение для этих устройств является функцией освещённости СБ, которая может изменяться в широком диапазоне [2].
Целью работы является разработка комплекса программ для автоматизированного анализа и синтеза параметров системы управления ППН с однополярной нереверсивной модуляцией первого рода (ОНМ-1), не подверженной бифуркационным явлениям [3, 17, 18, 41, 42].
Автором были проведены исследования на основе повышающего преобразователя напряжения. Составлена математическая модель [4-19] и написано программное обеспечение для отыскания допустимой области параметров. Исследованы различные способы отыскания точки максимальной мощности ВАХ СБ, предложена реализация метода возмущения и наблюдения [1, 20-22,24-39,43] в составе микропроцессорной системы управления ППН. Полученные результаты верифицированы на физическом макете двухфазного повышающего преобразователя напряжения, а так же средствами имитационного моделирования.
Разработанные методы исследований, алгоритмы и полученные в результате данные позволяют существенно повысить надежность проектирования САУ ТП, в том числе:
• на этапе проектирования устройств обнаруживать аномальные режимы функционирования, прогнозировать возможные катастрофические явления, в том числе и отказы;
• давать рекомендации по выбору структуры регулятора для систем с ОНМ-1;
• проводить параметрический анализ и синтез устройств с импульсной модуляцией;
Полученные результаты могут быть применены для анализа динамических свойств других импульсных преобразователей постоянного напряжения, а так же других видов модуляции.
В данной магистерской диссертации было произведено построение математических моделей повышающего преобразователя напряжения с широтно-импульсной модуляцией. Разработаны численно-аналитические алгоритмы с переменным шагом, позволяющие сочетать достаточную точность с приемлемой быстротой расчётов установлением. Полученные результаты проверены при помощи имитационных моделей и экспериментов на физическом макете исследуемого устройства.
В среде Matlab написаны программные средства для выполнения бифуркационного анализа повышающего преобразователя напряжения. Результаты представлены в виде однопараметрических и двухпараметрической бирфуркационных диаграмм. Как можно видеть из диаграмм, динамике ППН свойственно не только наличие областей бифуркационных режимов различной формы и периодичности, но, что еще важнее, взаимное пересечение таких областей. Это явление, называемое мультистабильностью [5], что особенно важно для исследования, так как в местах пересечения областей с разными ^-циклами существуют устойчивые топологически различные решения исходной задачи (1). А это практически означает, что невозможно заранее предсказать какой вид будут иметь выходные сигналы преобразователя напряжения для данной области параметров.
Таким образом синтез системы управления для повышающего преобразователя напряжения с широтно-импульсной модуляцией проводится с таким расчетом, чтобы динамика рабочей точки ППН не пересекалась с зонами бифуркационных явлений - установка работала только в штатном режиме.
Исследование динамики повышающего преобразователя так же затрагивает вопросы поиска точки максимальной мощности ВАХ солнечных батарей. На основе полученных при моделировании и макетировании результатов можно сделать следующие выводы:
• Достигнутое значение точности нахождения точки максимальной мощности (95-96 %) при работе неадаптивного алгоритма возмущения и наблюдения удовлетворяет теоретическим и экспериментальным данным отечественных и зарубежные исследователей [1, 5-20].
• Для увеличения точности (до 99 %) экстремального регулирования мощности наиболее приемлем алгоритм изменения шага регулируемого параметра (ток, напряжение, мощность СБ или скважность ключа) при определении максимума мощности.
• Метод возмущения и наблюдения является наилучшим, поскольку менее требователен к ресурсам микроконтроллера и при реализации адаптивного алгоритма обеспечивает высокий уровень точности, сочетающийся с достаточным быстродействием.
В среде Matlab написаны программные средства для выполнения бифуркационного анализа повышающего преобразователя напряжения. Результаты представлены в виде однопараметрических и двухпараметрической бирфуркационных диаграмм. Как можно видеть из диаграмм, динамике ППН свойственно не только наличие областей бифуркационных режимов различной формы и периодичности, но, что еще важнее, взаимное пересечение таких областей. Это явление, называемое мультистабильностью [5], что особенно важно для исследования, так как в местах пересечения областей с разными ^-циклами существуют устойчивые топологически различные решения исходной задачи (1). А это практически означает, что невозможно заранее предсказать какой вид будут иметь выходные сигналы преобразователя напряжения для данной области параметров.
Таким образом синтез системы управления для повышающего преобразователя напряжения с широтно-импульсной модуляцией проводится с таким расчетом, чтобы динамика рабочей точки ППН не пересекалась с зонами бифуркационных явлений - установка работала только в штатном режиме.
Исследование динамики повышающего преобразователя так же затрагивает вопросы поиска точки максимальной мощности ВАХ солнечных батарей. На основе полученных при моделировании и макетировании результатов можно сделать следующие выводы:
• Достигнутое значение точности нахождения точки максимальной мощности (95-96 %) при работе неадаптивного алгоритма возмущения и наблюдения удовлетворяет теоретическим и экспериментальным данным отечественных и зарубежные исследователей [1, 5-20].
• Для увеличения точности (до 99 %) экстремального регулирования мощности наиболее приемлем алгоритм изменения шага регулируемого параметра (ток, напряжение, мощность СБ или скважность ключа) при определении максимума мощности.
• Метод возмущения и наблюдения является наилучшим, поскольку менее требователен к ресурсам микроконтроллера и при реализации адаптивного алгоритма обеспечивает высокий уровень точности, сочетающийся с достаточным быстродействием.