文摘

与工业生产和制造水平的不断改进,各种设备发展的方向细化和精度,尤其是装备制造业,如汽车制造、设备、集成电路、半导体芯片制造等行业。一个智能虚拟电阻控制策略基于机器研究提出了合理的配电和周期抑制当多个逆变器在低压微型电网并行操作。在此基础上,临时功率降低逆变器的控制策略是提高改善并联逆变器功率分布精度,确保可靠的动态响应之间的电路中限制电流并联逆变器。最后,建立multi-inverter并行系统模型来验证该控制策略的正确性和有效性。提高非线性负载条件下的电压波形和高频谐波抑制,具有明显的优势比一般虚拟阻抗的设计方法。

1。介绍

大量的精密设备与CPU、PLC、和其他核心,这些现代精密仪器、生产设备等电能质量有很高的要求(1),有时只是一个瞬时电压下降可能会导致非常严重的后果,如导致生产过程中断或设备故障,从而导致企业遭受巨大的经济损失,如图1各种高端的生产设备特点和电能质量的影响2,3]。这些电能质量问题可以直接或间接地对国民经济造成严重的经济损失,严重影响安全,稳定,高效的电力操作。


图1
高端制造业影响电能质量的地图。

IEEE标准22协调委员会指出,主要的电能质量问题包括电压不平衡过压、欠压、电压下降,电压激增,电力供应中断,闪烁谐波电流、接地故障。其中,电压下降是指现象,频率的平方根值电压突然下降90%∼10%的额定价值在一个特定的时刻,10 ms∼持续时间1分钟,然后上升回到在额定值附近。通过大量的调查数据,发现电网电压下降最可能的和严重的电能质量问题。

在电网电压跌落造成非常严重的影响设备的正常运行4,5]。德国西门子(Siemens),研究了电力电子的电压灵敏度广泛用于日常生活和电压下降的影响提供一些重要的电力电子,表中列出1。许多设备都受到电压下降,影响是如此之大,以至于严重影响设备的安全稳定运行。因此,它具有十分重要的现实意义进行综合管理的电压下降(6]。

表1
电压跌落对一些设备的影响(额定的100%)。

在电网电压跌落,现有的主要治理解决方案主要分为两个方面:积极治理和被动治理。主动管理来优化系统操作通过改变系统结构和连接,如变压器抽头调节器、磁谐振变压器CVT、STS和静态开关切换。然而,这种管理只能在一定程度上减轻电压下降的影响,成本是高的,而不是普遍的。随着电力电子技术的发展,被动治理方法得到了广泛的开发和应用。表2的治疗效果进行比较和分析上述电能质量管理设备。其中,DVR是串联式电能质量控制器,保证了电压敏感负荷端维护稳定的注入与可调补偿电压振幅和相位之间的串联系统和负载(3,7]。它不仅可以经济有效地解决电能质量问题造成电压下降(8),但也可以管理各种电能质量问题通过合理的设计和控制,有很好的应用前景,是公认的最有效和经济的设备来解决电网的电压下降(9]。

表2
治疗效果不同的电能质量的治疗设备。

传统的DVR拓扑主要由直流侧储能单元,一个逆变器单元,一个LC滤波器单元,series-coupled变压器和旁路开关(10]。当栅极电压不浸,DVR在待机模式工作,当DVR系统上没有影响,较低的损失。当检测到电网电压下降,DVR迅速系列,连接到系统,通过电压源逆变器直流侧电压补偿电压 ,和补偿电压向量 在系统电压叠加 负荷侧电压 平衡和稳定。

当DVR检测模块检测到电网电压骤降故障对系统侧或总线上的其他线路电压骤降故障由于断层线附近,控制模块减去负载电压的参考价值从电网故障后电压值来获得电压矢量来补偿装置,然后控制逆变器的输出与所需的振幅和相位补偿电压通过相应的控制策略。DVR输出电压补偿可以在很短的时间,因此有一个补偿速度快和良好的动态性能11]。

逆变器的虚拟阻抗都很发达,因为良好的动态性能和成本优势12]。之后世界上第一个DVR装置的安装由西屋1996年,一系列的深入分析和研究工作DVR一直由大学、研究机构和企业在许多国家一个接一个。IGBT-based DVR设备宣布在1998年由ABB,吸引了大量的讨论。此后,ABB进一步升级的DVR产品一步一步,显著提高DVR的容量和使DVR产品获得所需的能量从直流侧直接从电网13]。此外,研究机构,如威斯康辛州和Cutler-Hammer也研发DVR设备和应用各种研究领域。这些研究机构不仅在DVR的理论研究取得了丰硕的研究成果,但也有一些设备已经投入使用,并取得更好的经营成果和经验。一些DVR是列在表的发展历史3。

表3
一些DVR的发展历史。

目前,10 kVA / 380 V DVR实验原型已成功开发的清华大学,中国科学院,湖南大学和其他研究机构和大学也集中他们的研究努力DVR设备上进行深入的研究,并取得了许多研究成果(14]。但无论从能力、电压水平,或工程应用,仍有很大差距DVR相比国外国内发展结果(15]。

从dvr的发展历史可以看出,dvr大多是两级使用的逆变器结构简单的电路结构和控制方法,但等效开关频率低和逆变器输出谐波很大。多级转换器广泛应用于dvr的前置级结构由于其容量大,容易扩张,和良好的输出电压谐波特征。主要有三个基本的多级转换器电路拓扑:(1)diode-clamped类型,(2)飞越电容器类型,和(3)级联h桥类型。其中,级联h桥式多级转换器也有类似的multiswitch组合作为fly-span电容器类型结构相比前两个结构,灵活控制,易于实现多级输出,结构简单,容易模块化,和相对独立的直流电源;因此,它被广泛用于dvr构成级联h桥式虚拟阻抗逆变器(级联H-bridge-dynamic电压调节器,CHB-DVR)。

拓扑结构、控制策略和调制策略的CHB-DVR深度研究了如下:(1)拓扑结构。文献[16- - - - - -19)提出了一种级联h桥变换器拓扑结构高系统电压和功率在中、高压系统中,应用于DVR和有效地延长DVR补偿装置的容量;文献[20.)消除了昂贵的CHB-DVR串联变压器结构;文献[21)做了详细的分析和介绍不同的DVR的拓扑特征。文献[22)提供了一个详细的分析和介绍不同拓扑的dvr。(2)控制。CHB-DVR的总体控制策略分为两个方面:薪酬策略和控制策略。常用的DVR补偿策略如下:同相补偿,完成补偿,和最小能量补偿,补偿容量和补偿效应的三种补偿策略比较表4。文献[23)提出了DVR控制策略基于最小能量补偿,这可以极大地减少活动注入DVR和扩展DVR补偿的时间;文献[24)提出了一种控制策略,可以管理电网的谐波系统基于最初的DVR控制网格中的谐波问题的策略。

表4
DVR补偿策略的比较表。

3所示。方法

系统由两个接收线圈的谐振电感线圈和传输,分别表示Rx和Tx,根据图2。


图2
简洁的系统图的基础上磁耦合谐振器。

系统用电路组件,它是集总(l,C,R),根据图3。


图3
系统的等效电路。每个线圈的谐振器被认为是火车建模。

一个常见的逆变器拓扑结构如图3。该逆变器会提供一个三相电阻负载组成的串联电感 ,一个电阻 ,和一个counter-electromotive力 ,三相输出电流 。

从图4,它可以观察到,WPT可能存在多个共振频率。随机共振频率跟踪使用传统的方法提出。


图4
提出的方法。

门控信号 决定了变换器的开关状态。 在哪里 。它可以用向量表示形式如下: 在哪里 开关状态向量。

逆变器产生的负载电压矢量定义如下: 在哪里 是电压逆变器的每个阶段和中性点之间 。

负载电压向量之间的关系 和开关状态向量 如下: 在哪里 是直流总线电压。

用方程(3)方程(4),我们得到了开关状态变量之间的关系( )和负载电压向量 如下:

根据不同的组合( ),逆变器输出电压空间矢量图所示5。


图5
逆变器输出电压空间矢量。

当多个逆变器并联操作,multiinverter并行系统首先分析,如图6。


图6
并联逆变器输出特性控制的框图。

在一般情况下,逆变器的开关频率如此之高的瞬时值变量可以被认为是等于在一个开关周期平均值。对逆变器的控制,虚拟impedance-based 方法,其具体的控制框图如图7。


图7
虚拟impedance-based控制的框图。

的 可以表示如下:

是基于capacitor-current反馈控制; 通过以下方程:

他们正在减少R在引入一定虚拟电感 ,这样的基本频率输出阻抗 大约是纯粹的归纳。因此,该系统可以设计通过改变电感 ,然后,每个平行的系统阻抗转换器可以匹配。

低压线路普遍存在 更大的比 ,它假定低压线路阻抗 如下:

基本系统阻抗 的并联逆变器如下:

大约是纯粹的归纳,然后呢 是纯电阻,容易导致权力耦合和输出电压降落的大小 和 是类似的。在这方面,通过引入虚拟负阻降低电阻组件的系统阻抗,减少输出功率之间的耦合程度,和虚拟负阻抗得到如下:

系统阻抗可以表示如下:

一个合适的虚拟负阻 选择满足阻抗匹配要求。考虑到功率解耦使系统阻抗的基本频率 ,过滤时间常数 非常小,可以忽略, ,因此,整个系统阻抗可以简化如下:

从方程(12),可以看出 需要满足的条件下基本阻抗实现完全独立逆变器解耦。的意识形态分割提出算法如图8。


图8
分割提出算法的流程图。

cnn已经广泛应用于分类问题对电力系统稳定分析,但在回归问题很少探讨他们的应用程序。在本节中,CNN在分类和回归问题的优点是充分利用开发虚拟阻抗的逆变器输出时间电压动态性能和定量风险分类。首先,传统的稳定分类结果是被稳定的二元组合分类结果和合理性指标作为分类模型的输出,以便分类结果的合理性可以直观地把握。信心通过设置阈值,样品的稳定性预测结果分为四组:稳定集,不稳定集,错过了不稳定集,和是不是不稳定集。是不是不稳定集和稳定,输出的电压稳定裕度迅速由CNN回归模型预测;错过了不稳定集和不稳定集,稳定裕度设置为−1根据构造在输出电压稳定裕度指数,并具体分析过程如图9。逆变器输出时间的方法提高了信心虚拟阻抗的电压动态性能,解决了处理不当的问题遗漏/误判情况,并实现一个合理的输出时间电压稳定性的定量评价,完全适用于实际快速评估应用程序(25,26]。


图9
分析的过程与虚拟阻抗动态性能和信心。

softmax处理后,为每个测试样本,CNN分类模型的预测结果对应于一个概率输出(27]。在本节中,上述两个组合获得二进制取代传统的单一指标分类结果指标,其表达式如下:

稳定性判别结果,值吗 是1 0为不稳定和稳定; 的概率是对应于稳定判别结果。

信心的迭代搜索阈值可以设置训练样本 。在训练阶段,信任阈值确定基于样本从系统历史数据或获得时域仿真结果 ;在评估阶段,预测集样品的结果划分阶段使用阈值决定的信心,并立即更新设置一组部门如果有一个错误可能由于不同的信心阈值对应的训练样本和测试数据。在这个阶段,信心门槛 由分析部门的情况下调整错误,以便它可以被正确划分的测试数据集。通过CNN的更新学习过程,信心阈值可以对未知数据,大大提高执行更好的泛化能力。

如图9的概率判断稳定表达的 ,和判断的概率不稳定。如果 ,预测结果是可信的,分为稳定;相反,预测结果是不可信的,分为不稳定集。相反,如果 ,预测结果最初被认为是不稳定的。如果 ,预测结果是可信的,分为不稳定;相反,预测的结果被认为是不可靠的,分为错误地判断了不稳定。

基于上述原则,预测结果分为稳定集,不稳定集,错过了不稳定集,并错误地判断了不稳定集。不稳定集和错过的不稳定集,它们直接反馈到调度运营商早期预警;而对于稳定集和低估了不稳定集,CNN回归模型方法在下一节是用来预测输出的电压稳定裕度实现量化和分级电压稳定输出的风险评估28,29日]。

4所示。实验

意图的检查方法的有效性,我们建立了一个原型模型系统。它包含一个直流电压源,一个h桥逆变器,谐振线圈转移,接收谐振线圈和负载。的直流电压源,其价值是30 V。安排h桥逆变器实现交流励磁,呈现在图10 (b)。它由四个Si C场效电晶体(C2M0080120D)。图10 (c)显示了传输谐振线圈。它的外径是60厘米的球场0厘米17。图10 (d)显示接收谐振线圈。它的外径是55厘米的球场0厘米13。电路的相位检测显示在图10。通过电路,输入电压和输入电流转换为方波信号。然后,我们能加工出的价值θ通过比较这两个值,即远期位置为输入电压的方波信号,方波信号的前沿的输入电流,借助DSP28335 ECAP。每一个线圈都是由美国线规38利兹线300股。每个线圈的参数范围从20到22。他们的参数可以计算出19- - - - - -21]。我们可以计算参数方程(2)和(1)采用阻抗分析仪。我们设置了主共振频率为85.0 kHz的电阻负载15.8Ω。传播的距离等于15厘米。表5列出了谐振线圈及其参数。接收机的方向指示为旅行Y轴。我们由ANSYS模拟之间的互感Rx和Tx麦克斯韦,它采用一个阻抗分析仪测量。互感的模拟和计算结果呈现在图9。很容易看到,互感变化从66.2µH - 29.6µH,偏差是不同的从0厘米到25厘米。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图10
实验设置。(一)设置。(b) h桥逆变器。(c) Tx。(d)的处方。
表5
每个线圈的详细参数。

启动频率设置为76千赫。与此同时,WPT系统在nonresonant工作条件如图(11日)。然而,当使用这种提出算法,系统处于共振状态。结果表明,输入电压与输入电流同相,呈现在图11 (b)。根据图11b,我们看到,共振频率是77.56 kHz。

(一)
(一)
(b)
(b)
图11
输入电压和输入电流Δ= 0厘米。(一)输入电压和电流没有提出的算法。(b)输入电压和电流和提出的算法。

图12介绍了输出功率和直流-直流效率测量和失调。从图12(一个)我们可以看到,与提出效率从82.0%到81.2%;然而,效率与固定频率从81.0%到75.4%。提出的效率几乎是一样的,在固定频率当Δ= 25厘米,因为在最高效率点频率等于85.298 kHz,接近85千赫。从图12 (b),我们可以看到输出功率范围从33.2到25.6 (W W当频率跟踪;输出功率范围从33.2到6.7 (W W当频率是固定的。显然,频率跟踪的效率大于固定频率的跟踪。同时,频率跟踪的输出功率大于固定频率。有趣的是,输出功率和效率提出方法仍然几乎不变的随着偏差的变化从0到20厘米。但在固定频率的方法,输出功率变化很大的情况下,5 - 25厘米的偏差的变化。

(一)
(一)
(b)
(b)
图12
测量效率和输出功率和偏差。(一)测量电源效率和偏差。(b)测量输出功率和偏差。

参考电压 是由以下方程:

众所周知,虚拟电阻和虚拟电感的大小变化输出传递函数的极点分布,即:虚拟阻抗的调整。输出增益 可以获得和逆变器控制参数的稳态条件,但仅由参考电压,所以负载时的输出电压能保持良好的稳定性条件发生了变化。表6给虚拟电阻的阻抗参数,电感,电阻和电感分别在工业频率状态,根据可以获得阶跃信号响应的参数。

表6
不同的虚拟阻抗的控制参数。

检查结果的准确性由方程(7)和(12),进行仿真。模拟的结果呈现在图13。图(13日)介绍了输入阻抗角与特征ω/ω0当横向失调是多种多样的。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图13
输入阻抗特性角度、效率和输出功率。(一)输入阻抗角与特征ω/ω 0。(b)与效率ω/ω 0。输出功率和(c)ω/ω 0。

来验证算法的有效性,电压逆变器的系统模型FCS-MPC是建立在这项研究中,表中列出7。

表7
模型预测控制器参数表。

模型预测控制系统的仿真结果在不同的场景中稳态和瞬态情况下采样时间 如下所示。延迟时间和补偿情况下,目标函数 ,采样时间 。

的CNN-based输出时间电压稳定评估过程可以分为两个阶段,培训和评估,如图14。


图14
在输出电压稳定评估流程。

训练阶段包括以下步骤:(1)充分考虑的关键因素,建立一个合理的等效方案,显著缩小研究交直流两用大型系统的瞬态响应特性相同的获取等价postsystem。(2)两级分区方法基于系统结构和输出时间相似性用于分区交直流电压等效系统,然后将每个分区评估分别输出时间电压稳定。(3)设置不同的操作模式和故障场景,模拟时域等效系统获取样本集,构造基于稳态特性输入特性集和故障特征,并进行数据归一化预处理;根据依据判断输出的电压稳定和电压稳定裕度的计算结果输出,标签样品一个接一个地形成稳定的两种标签类别和保证金。(4)生成CNN分类模型和回归模型对应于每个分区、分类和预测输出的电压稳定和定量风险分类的输入样本,测试评估的效果评价指标,并应用到评估是否符合要求。

评估阶段。稳态特性从实际系统获得数据,而许多预计事故集生成获取故障特征,共同构成的输入特性集和被送入每个分区的CNN模型从培训中获得输出时间电压稳定预测和定量风险分级评价。如果风险水平3和4,调度和操作人员必须及时采取预防控制措施,以避免严重损害在输出电压不稳定造成的系统。

补偿电压的等效开关频率FFT和h桥CPS-SPWM调制和HPWM调制比较表8。

表8
补偿电压FFT和h桥等效开关频率的比较。

负载电压可以稳定在目标值CHB-DVR补偿后下降30%的情况下电网电压在0.2到0.4秒的时间内。

5。结论

CHB-DVR的控制策略是一个控制回路的设计方法以及稳态和动态性能分析,主要负责提高响应速度和补偿精度的DVR。为了使DVR装置达到理想的补偿效果,其检测模块应该足够敏感和准确的有一个更快的电压跟踪能力。相应的补偿策略可以用来获得一个更精确的和适当的补偿参考信号。DVR装置的跟踪性能补偿参考信号是由控制策略采用的DVR,所以选择一个合适的控制策略可以使DVR设备有更好的补偿效果。虚拟阻抗输出电压性能优化方法在这项研究不仅保证了动态和稳态特性,而且提高了电压波形在非线性负载条件下和抑制高频谐波,具有明显的优势一般虚拟阻抗的设计方法。

数据可用性

数据共享不适用本文没有创建新数据或分析研究。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持的项目科学技术研究项目中国重庆市教育委员会(批准号KJQN201901607),重庆大数据工程实验室为儿童,重庆电子工程技术研究中心的互动学习,重庆大学创新研究集团,重庆电子信息的关键学科,重庆市自然科学基金项目(CSTC2021-msxm1993)和重庆市教委科学技术研究项目(批准号KJZD-M201801601)。