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基于FPGA的高精度宽频带逆变器全数字化控制技术概要

基于FPGA的高精度宽频带逆变器全数字化控制技术概要
基于FPGA的高精度宽频带逆变器全数字化控制技术概要

DIGITAL CONTROL TECHNOLOGY FOR HIGH-PRECISION AND WIDE-BAND INVERTER

BASED ON FPGA

Huifeng Mao 1,2, Xu Yang 1 , Zenglu Chen 2, and Zhaoan Wang 1

1 School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an , Shaanxi, China (maokk625@https://www.docsj.com/doc/6a4343472.html,

2 Elect ronic Information College, Xi’an Polytechnic University, Xi’an , Shaanxi , China

Abstract—Owing to the special requirement for high-precision and wide-band inverter, a novel control scheme is presented based on field programmable gate array (FPGA. The scheme is steady and trusty as digital circuit, programmable, and rapid in response and parellel for operation, et al. The theory for compensation of DC link voltage and offset control of DC drift current for AC output is introduced. The realization scheme of digital control system, including to inverse proportion coefficient front amplifier, and offset control and multiple SPWM wave form, is introduced based on FPGA. Finally, experiments results are obtained.

Keywords— inverter, FPGA, Digital natural sampling, compensation of DC link voltage, DC drift, SPWM

基于FPGA的高精度宽频带逆变器全数字化控制技术的高精度宽频带逆变器

全数字化控制技术

毛惠丰1,2 杨旭1 陈增禄2 王兆安1

1 西安交通大学电气工程学院,西安,陕西,中国

2 西安工程大学电子与信息学院,西安,陕西,中国

摘要针对高精度逆变器的特殊性能要求,提出了基于FPGA的全数字化控制方案。该方案既具有数字电路稳定可靠的一般特点,又具有数字控制系统可重复编程、响应快以及可并行运算等特点。文中给出了直流母线电压补偿和直流漂移的调偏控制原理。给出了基于FPGA的数字控制系统中反比例系数前置放大器,调偏控制以及SPWM多重化信号生成的一套全数字控制方案。最后,给出了实验结果。

关键词逆变器,FPGA,数字化自然采样法,直流母线电压补偿,直流漂移,SPWM

1.引言

高精度宽频带逆变器作为电动振动实验台专用驱动电源,有其特殊的性能指标要求[1,2,3]。一般情况下,逆变器直流母线电压均由工频网经二极管整流滤波电路获得,其包含的100Hz或300 Hz脉动电压会使逆变器交流输出电压与之同步脉动[4]。要满足逆变器失真小的要求,应考虑直流母线电压的实时补偿。电动振动实验台驱动电源的负载是一个电磁动圈,其直流电阻非常小,很小的输出电压直流漂移就会产生很大的直流电流,从而使系统的损耗增大,有效容量减小,可靠性降低。逆变器中的隔离环节和各功率器件等存在漂移和特性不对称都会引起输出电压的直流漂移。因此必须考虑对输出电压的直流漂移进行调偏控制[5,6]。

随着大规模集成电路技术的飞速发展,FPGA向高集成度,高速度,低价位方向不断迈进,其应用领域也不断扩大。与软件程序流的实现方案(如普通单片机,DSP相比较[7],FPGA能实现信号的并行处理;能满足实时处理要求更高的应用场合[8];容易实现载波相移多重化SPWM 波形[9,10,11]。

本文提出的基于FPGA的高精度宽频带逆变器控制电路的全数字化实现方案,具体内容包括:①直流母线电压的补偿;②直流漂移的调偏控制;③基于数字化自然采样法的载波相移SPWM技术。④给出了基于FPGA的数字系统控制方法。FPGA 具有信号处理速度快、并行运算等突出优点,有利于直流母线电压补偿精度和直流调偏控制精度的进一步提高。而SPWM载波相移多重化更易用FPGA 实现

[8,9,10]。

2010 3rd International Conference on Power Electronics and Intelligent Transportation System

978-1-4244-9162-9/10/$26.00 ?2010 IEEE PEITS2010

2.直流母线电压补偿

本文采用前馈控制的方法来实现直流母线电压补偿的目的。其原理是对直流母线电压进行采样和模数转换。利用模数转换输出的数字量来实时调节数字化调制信号通道中设置的反比例系数前置放大器,以达到补偿的目的。直流母线电压补偿环节的相关变量之间的关系由如下表示:

1

2K V u D ref d

m m ??=

(1 m

m

D K 2= (2 ref d V K u ?=1max (3

d u K C ?= (4

式(1~(4中,d u 为直流母线电压的瞬时值;1K 为降压电路的系数;ref V 为模数转换器的满量程;m D 和m 分别为模数转换器输出的数字量和对应的位数;K 为反比例系数前置放大器的系数,1≥K ;max d u 为直流母线电压的最大值;C 为一常数,且等于

max d u 。由式(4得出,K 与d u 成反比关系。max d u 对应K 的最小值min K (1min =K ;直流母线电压的最小值min d u 对应K 的最大值max K 。

设调制信号为(t M ωsin ?,M 为调制度,

且10≤≤M 。在调制信号通道中加入反比例系数前置放大器后,等效的调制度'M 为

m

m

D M K M M 2

'?=

?= (5 逆变器交流侧输出电压的基波幅值01U 为

max 012d m

d

m d u M D u M u K M U ?=??=??=(6

由式(6得出,通过反比例系数前置放大器的作用,直流

母线电压的脉动不会影响01U ,01U 可由M 来调节。假设M 等于1,则01U 就等于max d u 。在d u 的脉动过程中(max min d d d u u u ≤≤,由于1≥K ,因此'M 会发生大于1的情况。为防止过调制(1'>M ,必须引入一个调节系数λ(10<<λ

,使得1≤??K M λ (7

根据直流母线电压d u 脉动的范围,可得出K (或n D 的

变化范围,从而确定λ的值,即

max

1K =

λ (8

图1 直流母线电压补偿图

图1为直流母线电压补偿结构图。图中,模拟正弦调制信号的采样频率高于母线电压的采样频率。利用m D 来修改反比例系数K 。在每个系统时钟的上升沿,将K 与数字化正弦调制波的幅值n S (其位数为n 进行一次计算。加入直流母线电压补偿环节后,等效的调制信号为(t K M ωλsin ???。

3.调偏控制

对输出的直流漂移电压进行调偏控制的目的是防止产生直流电流[5,6]。本文采用对输出电流的直流漂移进行调偏控制。调偏控制的原理是首先对负载输出电流进行采样和模数转换,利用电流的正负分量对应的数字量进行分离和存储,然后分别对正负电流分量对应的数字量进行数字滤波;最后,比较两电流分量对应的平均值大小,并按一定规律对数字化调制信号进行直流漂移的补偿。

以正向电流分量为例,说明其数字信号处理的基本过

程。图2为正向电流分量(t r OP 经采样环节,零阶保持器以及一阶惯性滤波器的离散系统结构图。图2中,(z R OP 为

(t r OP 的z 变换;(z C OP 为(t c OP 的z 变换;0T 为采样周期;T 为滤波器的时间常数。采样频率远大于逆变器输出频带的上限,避免了产生低次拍频的后果[4]。

图2 离散系统结构图

由图2可得如下关系:

((q

z q

z R z C OP OP ??=1 (9

T

T e q 0?= (10

((((

11????=

z q z z q z C OP (11 (1

?=

z z

z R OP (12 由式(9~(10可得数字滤波器递推式为:

(1((k R p k C q k C OP OP OP ?+??= (13

1=+q p (14

式(13中,(k R OP 为(t r OP 的第k 个采样值;(k C OP 为数字滤波器输出的第k 个值。式(14中,p 和q 两参数由0T 和T 决定。同理,负向电流分量的数字滤波器递推式为:

(1((k R p k C q k C ON ON ON ?+??= (15

式(15中,(k R ON 为负向电流分量(t r ON 的第k 个采样值;(k C ON 为数字滤波器输出的第k 个值。

在FPGA 内部设计一个定时计数器,每隔com T 时间间

隔对(k C OP 和(k C ON 进行一次比较。考虑到直流漂移是一个慢过程,com T 的值可选择较大。如果((k C k C ON OP >,则对调偏量com D 减1;如果((k C k C ON OP <,则对com D 加1;如果((k C k C ON OP =,则com D 保持原值。com D 的初值

为零,且为有符号数。将com D 与调制信号的幅值进行加法运算,即可实现调偏控制的目的。

图3为实现交流输出电流在正负两方向上对应的平均

值大小的比较。分别采用式(13和(15对采样得到的正负两电流分量对应的数字量进行数字滤波。每隔com T 时间启动无符号比较器,对(k C OP 和(k C ON 进一次数值比较,根据比较结果给com D (其位数为n 赋相应的值。

图3 调偏控制结构简图

4.载波相移SPWM 多重化

根据文献[10,11]提出的数字化自然采样法的调制原理,先将数字化的正弦调制信号分别与反比例系数前置放大器和调偏控制器进行计算,然后与N 个在相位上依次滞后N

1

载波周期的数字化三角载波进行调制,即可实现载

波相移SPWM 多重化输出波形。

5.FPGA 实现

图4示出了基于FPGA 的载波相移多重化SPWM 输出

波形的实现过程。图中,P 为数字化三角载波的峰峰值,三角载波的周期由P 和系统时钟决定。首先对模拟正弦调制信号进行双极性采样和模数转换,将调制信号的数字量与反比例系数前置放大器K 进行一次有符号的乘法和除法

运算;将其运算结果与调偏量com D 进行有符号的加法运算;将调偏控制后的调制信号分别进行规格化处理和坐标平移

[8]

。最后,将调制信号与三角载波进行无符号的数值比较,

实现多路SPWM 输出波形。

图4 控制系统简图

图5为图4经结构优化后的等效图。图5中的调偏量

com D 的最小当量与数字化三角载波的最小当量相同。从而

提高了调偏控制的灵敏度。图5在控制精度和算法上得到了进一步的提高。

图5 结构优化简图

6. 实验结果

将一台单相九电平载波相移多重化逆变器作为实验平

台,来验证本控制系统的性能。该逆变器采用双极性调制方式,由四个逆变桥构成,负载为电阻。选用ALTERA 公司提供的EP2C8Q208C8作为核心控制器件。在该FPGA 内部实现的主要功能模块包括模数转换器的控制模块、反比例系数前置放大器模块、载波相移四重化模块、直流调偏控制模块、双极性调制模块以及系统的一些保护控制模块等。利用FPGA 控制模数转换器MAX1290对直流母线电压,模拟正弦调制信号,负载输出电流分别进行双极性采样。采样频率分别为

84KHz ,168KHz , 42KHz 。T 为3s ,FPGA 的系统时钟为48MHz 。

图6为四个单元逆变桥上桥臂的SPWM 逻辑信号波形。载波频率为32KHz 。图7为直流母线电压补偿前后的逆变器输出电压波形。图7(a 中,逆变器输出电压幅值与直流母线电压幅值同步脉动,其脉动频率为100Hz(母线电压由单相不可控整流

电路获得;图7(b 中,逆变器输出电压幅值基本上不受直流母线电压脉动的影响。图8为调偏控制前后的逆变器输出电压波形。由图8看出,经调偏控制后,逆变器输出电压基本上无直流漂移现象。

7.结论

将数字化自然采样法与载波相移SPWM 技术相结合,

应用于宽频带低失真逆变器中是一个很好的选择方法。多

路SPWM 波形的生成更易用FPGA 实现。在此基础上,进行直流母线电压补偿和直流调偏控制,更加有效地提高了逆变器的性能。实验结果表明,本控制方案对于特种逆变电源的进一步应用具有一定的工程参考价值。

t : 100μs/格图6 SPWM 信号

(a 补偿前 (t :5ms/格

(b 补偿后(t :5ms/格图7 逆变器输出电压波形

(a 调偏控制前 (t : 500μs/格

(b 调偏控制后 (t : 500μs/格图8逆变器输出电压波形

参考文献

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论及脉冲误差分析[J].中国电机工程学报,2006,26(9: 131~136.

V

:50V /格V

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50V /格

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:50V /格

逆变器的下垂控制

下垂控制的原理是什么。? 下垂控制是并网逆变器的常用控制原理,但是具体下垂控制的深层原理和物理含义是什么啊?查到的几乎所有的文献对此都是基于下垂控制XXXX、仿照同步发电机下垂特性XXXX,却没有一个真正说清楚仿照哪了,电机书上对同步发电机的下垂特性也没讲清楚其物理原理。向各位知乎大神求教,我看网上也有很多问这个的却没有一个回答说清楚的。 添加评论 分享 简单来说,所谓下垂控制就是选择与传统发电机相似的频率一次下垂特性曲线(Droop Character)作为微源的控制方式,即分别通过P/f下垂控制和Q/V下垂控制来获取稳定的频率和电压,这种控制方法对微源输出的有功功率和无功功率分别进行控制,无需机组间的通信协调,实现了微源即插即用和对等控制的目标,保证了孤岛下微电网内电力平衡和频率的统一,具有简单可靠的特点。—————————————————————————————————————————— 补充说一说。 学过电机学都知道,发电机有个功角特性曲线,其中凸极同步发电机的 无功功率表达式是: 有功 功率表达式: 我们可以看出,通过控制U和功角来控制有功功率P和无功功率Q。那么反过来, 可以通过控制有功功率P和无功功率Q来控制U和功角 所以, 微电网中的常规下垂控制是通过模拟传统发电机的下垂特性,实现微电网中微电源的并联运行。其实质为:各逆变单元检测自身输出功率,通过下垂特性得到输出电压频率和幅值的指令值,然后各自反相微调其输出电压幅值和频率以达到系统有功和无功功率的合理分配。 逆变器输出电压频率和幅值的下垂特性为:

其中w0,U0分别为逆变器输出的额定角频率,额定电压。kp,kq为逆变器下垂系数。P,Q 分别为逆变器实际输出的有功功率和无功功率。P0,Q0分别为逆变器额定有功和无功功率。 由上式我们可以得到三相逆变器常规的P-f 和Q-U 下垂控制框图。 注:常规下垂控制是在系统并联逆变器的输出端等效阻抗为大电感的条件下推导得到的。然而不同电压等级的连接线路对应不同的阻感比。 在电压等级较低的线路中,阻感比相对较高。 加之每个逆变器到交流母线的距离不同,线路越长,线路电阻越大,可能会导致线路电阻相对线路感抗较大,常规下垂控制已经不能满足低压微电网控制的需求。 所以就有了一种改进型功率耦合下垂控制策略。 因为低压微电网中线路阻抗的影响已经不能完全忽视,有功功率和无功功率对电压和频率的调节存在耦合关系。 逆变电源输出的有功功率P和无功功率Q可以写为: 单台逆变器到交流母线的功率传输示意图:

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Abstract With the concept of”Green and Environmental Protection”was proposed.All kinds of new energy exploitation program are in the rapid promotion,which is in order to solve the power shortage,pollution and other issues.It makes exploring renewable energy feedback the grid technology has a very important practical significance.How to deliver power into the grid reliably and quality is an important problem,the inverter mat Can transform the electrical energy in the system of the renewable resource to be fed into the grid is becoming one of the hot points in intemational research. Based on the bridge inverter the analysis of the working principle and the deduction of the control equation have been presented. The strategy integrates an outer loop grid current regulator with capacitor current regulation to stabilize the system. The current regulation is used for the outer grid current control loop. The frequency of switching is slower in the high power grid-connected inverter. Compared with tradition type L or type LC, output filter and output current’s THD of type LCL are all smaller.So on this basis, the system uses the LCL filter. This paper compares the net current of the single-phase inverter and net single loop and double loop under two control strategies, and the case of sudden disturbance of the dynamic change of the system. In complete control system on the basis of theoretical analysis, design and production of this article is based on TMS320LF2407DSP’s digital control hardware test system, including the DSP external circuit, analog sampling and conditioning circuit, isolation, driver circuit, protection circuit and auxiliary power, etc., via MATLAB software to validate the feasibility of the theory.Achieve power factor is 1 and network requirements. Keywords Grid-connected inverter;LCL filter; Double current loop control; DSP

逆变器下垂控制原理及控制方法

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0x x x x V V n Q =- 其中,x ω、0 x V 分别为x 台逆变器空载时输出电压的频率和幅值,x m 、x n 分别为x 台逆变器输出电压的频率、幅值的下垂系数,如下图2所示。图2(a )可以看出,由于逆变器自身特性的差异所造成的逆变器并联运行时输出功率的差异随着频率和幅值下垂系数的增大而减小,但是随着下垂系数的增大电压的偏离度也会随之增大。因此在实际设计中需要在负载均分度和电压偏离度之间进行折中考虑。图2(b )表明利用下垂特性选择不同的下垂系数,可以使不同容量的逆变器并联运行并按其单位容量均分负载,其下垂系数选择如下: 11221122x x x x m S m S m S n S n S n S == ====

图2.频率和幅值下垂特性 3.控制方法: 实际应用的外特性下垂并联控制方法主要是两种:一、负载电流前馈方式,二、减弱电压控制环方式。 负载电流前馈控制方法的特点是各个模块的电压调节器均为无静差的PI调节器,且电压环给定随着负载电流的增大而减小。 减弱电压环的控制框图如图3所示:

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永磁同步电机高精度控制及高效节能控制技 术研究

目录 永磁同步电机高精度控制及高效节能控制技术研究 0 1.基本情况 (2) 1.1背景 (2) 1.2技术特征 (2) 1.3 主要技术成熟程度 (3) 1.4对社会经济和科技进步的意义 (6) 2 主要研究方案及关键技术 (7) 2.1 技术方案论证 (7) 2.2总体性能指标 (10) 2.3 关键技术 (11) 3永磁同步电机调速方法的研究 (12) 3.1 永磁同步电机数学模型的研究 (12) 3.2 永磁同步电机直接转矩控制技术 (20) 3.3 无速度传感控制技术 (34) 3.4 电机保护、远程监控技术研究 (38) 4 智能化电机系统节能方法的研究 (53) 4.1普通高效电机用在泵类负载节能技术研究 (53) 4.2 泵类负载系统的变频调速节能调速范围研究 (62) 4.3 典型电机系统节能措施研究 (73) 5 项目推广应用的前景和社会效益 (89)

1.基本情况 1.1背景 我国已经越来越重视对电动机系统节能技术的研究和项目的开展,但我国电动机系统节能技术与装备水平距离节能目标相差很远,与国际相比有一定差距。我国电机系统由于系统设计最大化、选型和设备采购等原因,导致电机系统大都运行在“大马拉小车”状态下,能源浪费严重。目前用户采用最多的变频调速技术,虽然常常达到了一定的节能效果,但并没有挖掘出系统存在的全部节能潜力。全国电机系统运行效率比国外先进水平低10-30个百分点,相当于国际20世纪七、八十年代的水平,由此产生的电能浪费达到2000多亿千瓦时每年,可见我国电机系统节能潜力巨大。我国政府机关以及相关部门已经提出相关法规政策来推进电机系统节能发展进程,十六届五中全会提出“十一五”期间“单位生产总值能耗应比…十五?降低20%左右”;国家发展和改革委员会启动了“十一五”国家十大重点节能工程,电机系统节能工程是其中之一;同时2008年1月颁布了电动机“能效标识”管理办法,并于2008年6月1日开始实施,这些政策和标准的实施将进一步促进电机系统节能工程的快速发展,也说明了我国对电机系统节能的迫切需求。 1.2技术特征 永磁同步电动机调速方法及系统节能方法的技术特征如下: (1)永磁同步电机调速方法的先进性 对永磁同步电动机的数学模型和控制理论进行全面、深入研究,采用了

功率下垂控制原理对逆变器并联系统的按容分配负荷问题

功率下垂控制原理对逆变器并联系统的按容分配负荷问题 南昌航空大学信息工程学院、科华恒盛股份有限公司、钦州学院物理与电子工程学院的研究人员刘斌、卢雄伟、熊勇等,在2015年第21期《电工技术学报》上撰文,对于非同等功率等级的逆变器无线并联系统而言,因为均分系统负荷可能导致小容量逆变器无法工作,所以必须让负荷按照正比于逆变器模块容量的方式实现分配。 围绕下垂控制原理,通过对输出电压幅值和频率进行收敛性分析,推导出逆变负荷按容分配的充分条件,这一充分条件对下垂控制系数的确定具有很好的指导作用。此外,通过引入虚拟阻抗法和双环调节器,搭建了由两台不同容量的逆变器组成的微电网系统。最后通过仿真和实验验证了该理论分析的有效性。 一方面,随着国民经济的发展,电力需求也在迅速增长,但一味地扩大电网规模不能满足电力供应的要求。另一方面,20世纪60年代的几次大型停电事故引发了科研人员对分布式发电系统潜在效益的重视。分布式电源尽管优点突出,但是它相对于电网而言是一个不可控源,微电网便是在这种环境下应运而生的。 它从系统角度出发将分布式电源、负荷、储能装置及控制装置等模块看成一个单一可控的单元,既可以与电网联网运行,也可以在电网出现故障或系统需要脱网时与主网断开单独运行。微电网的这种灵活可调度性,使得它可以成为未来大型电网的有力补充和有效支撑,也正因为如此,近年来关于微电网的研究引起了社会和学术界的广泛关注。 在微电网控制策略中,最常见的有三种。即在并网运行时采用PQ控制,在孤岛运行时采用V/f控制或者下垂(droop)控制。由于本文侧重考虑的是微电网孤岛运行时的负荷分配问题,而基于单个V/f微电源主从控制方式对主控电源的容量要求较高,整个微电网对主电源依赖性过高,因此最终选用基于下垂控制的微电源对等控制方式作为本文负荷分配的控制策略。 此外,依据逆变器之间是否存在互联线,可以将逆变器并联技术分成有互联线并联和无互联线并联两大类,前者因为有互联线的存在而限制了逆变器模块之间的距离,相比而言无互联线并联技术具有更好的发展前景。其中,实现无互联线并联技术[7-8]的关键是按照输

PWM逆变电源瞬时值反馈控制技术研究 硕士论文

分类号______ 密级_____ U D C ______ 硕士学位论文 PWM逆变电源瞬时值 反馈控制技术研究 学位申请人:周樑 学科专业:电力电子与电气传动 指导教师:彭力副教授 论文答辩日期学位授予日期 答辩委员会主席戴珂评阅人段善旭熊健

A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements For the Degree of Master of Engineering Research on the instantaneous feedback control technology of PWM inverters Candidate : Zhou Liang Major : Power Electronics and Electric Drive Supervisor : Associate Prof. Peng Li Huazhong University of Science & Technology Wuhan 430074, P.R.China April , 2006

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期:年月日 学位论文版权使用授权书 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 保密□,在__ __年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密□。 (请在以上方框内打“√”) 学位论文作者签名:指导教师签名: 日期:年月日日期:年月日

中频逆变器控制策略综述

中频逆变器控制策略综述 【摘要】文章详细研究了中频逆变器控制策略的发展现状,对中频逆变器几种主要的控制策略进行了系统的分析和综述。 【关键词】中频逆变器;控制策略研究;综述 1.引言 随着飞机性能的不断提高和用电设备装置的不断增加,对航空电源设备的要求也在提高,例如要求输出的电压精度高,正弦波畸变率低,动态响应速度快、效率高。但由于功率器件开关频率的限制,相比于常规的工频50Hz/60Hz逆变器,使得400Hz中频逆变器的输出交流电压谐波含量更大,动态响应速度更慢。为获得性能更为优异的中频逆变器,必须使用合理、高效的控制策略,研究中频逆变器的控制策略具有重要的实用意义。 2.中频逆变器的控制策略 在过去的二十多年里,有很多文献研究了逆变器的控制策略,目标是以获得较好的动态响应输出,同时又能够在一个输出周期内实现输出的零稳态误差。这些控制策略大体上可以分为两类:1、对闭环控制的研究,例如单电压环控制与多环控制;2、对控制算法的研究,例如比例积分控制、重复控制、无差拍控制及滑模控制、智能控制等,本文将重点介绍其中几种常用主要控制策略。 2.1单电压环控制 ①电压有效值控制 电压有效值的控制框图如图1所示。 该方法的控制思想是将输出电压vo的有效值反馈与给定信号vref进行比较,产生的误差信号ve通过控制器Gv得到幅值信号,此信号与正弦函数sinθ相乘以获得系统的调制信号,通过与三角载波信号相比较获得PWM开关驱动信号。虽然该控制方式可以有效实现对输出电压的有效值控制,但是对于系统的瞬时负载扰动抑制效果几乎为零,输出波形畸变也较严重[1]。 ②电压瞬时值控制 电压瞬时值的控制框图如图2所示。 此控制方法方法采用单个闭环控制逆变器的输出电压,与参考正弦电压比较产生误差信号,经过控制补偿器产生的调制信号与载波信号比较生成所需的开关驱动信号。尽管该控制器的设计及实现较容易,但是它并不能够提供较好的电压

逆变器控制技术中国专利现状分析

逆变器控制技术中国专利现状分析 发表时间:2019-07-08T09:45:52.650Z 来源:《电力设备》2019年第4期作者:魏小凤郑植1 [导读] 摘要:可再生能源发电并网逆变器技术是近年来的发展热点,而逆变器技术中,其控制尤为重要,包括最大功率跟踪(MPPT)、能量变换、无功补偿与谐波抑制、故障穿越、孤岛等,因此,为了更全面了解我国逆变器控制技术的发展,本文针对可再生能源发电并网逆变器技术的国内专利进行了检索,并针对其控制技术进行系统分析,以期获得相关关键技术的发展现状,进而助力我国新能源的发展。 (国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心天津 300300)摘要:可再生能源发电并网逆变器技术是近年来的发展热点,而逆变器技术中,其控制尤为重要,包括最大功率跟踪(MPPT)、能量变换、无功补偿与谐波抑制、故障穿越、孤岛等,因此,为了更全面了解我国逆变器控制技术的发展,本文针对可再生能源发电并网逆变器技术的国内专利进行了检索,并针对其控制技术进行系统分析,以期获得相关关键技术的发展现状,进而助力我国新能源的发展。 关键词:可再生能源发电;并网逆变器;控制引言 在当今能源紧缺的严峻形式下,光伏风力等可再生能源并网发电技术已经成为不少国家大力发展的一项技术,而逆变器是其中的关键技术[1-2],分析逆变器控制技术的发展现状非常有必要。 本文针对可再生能源发电并网逆变器技术的国内外专利进行了检索,本次检索在德温特世界专利索引数据库(DWPI)中进行,检索截止日期为2018年8月21日,得到3655篇关于逆变器技术的专利申请。按照技术原创国将在华专利申请分为中国专利申请和国外来华专利申请,从控制技术方面对中国发明专利申请和国外来华专利申请进行了标引,分别从各技术分支占比以及申请趋势两方面对中国专利申请和国外来华专利申请进行对比分析,以期根据二者的差异性,得到相关的结论。 1各技术分支占比图1、2分别示出了中国专利申请和国外来华专利申请的逆变器控制分支占比。根据图1、2可以看出,二者的重点均放在MPPT、能量变换控制以及无功补偿与谐波抑制三个分支上,且国外来华专利申请中,MPPT占比稍大,而中国专利申请中,能量变换控制占比稍大,无功补偿与谐波抑制占比二者相当。其次,关于故障穿越以及孤岛检测技术方面,二者均占比较小。 2各技术分支申请趋势图3、4分别示出了中国专利申请和国外来华专利申请的逆变器控制分支专利申请趋势,由图3、4可知,中国的专利申请的各控制技术分支申请量从2011年开始到2014年为增长趋势,到2015年各分支申请量均大幅降低,从2015至2017年呈上升且波动变化;而国外来华专利申请中各拓扑技术分支从2009年到2011年为增长趋势,自2011年以后为下降波动趋势。可见,单从趋势上来看,国外关于逆变器各控制分支相关技术早于中国。而在具体到各控制技术分支中时,MPPT、能量变换控制以及无功补偿与谐波抑制是三个最受关注的研究分支。MPPT注重于发出能量的最大化,能量变换控制侧重于能量转化的效率,而无功补偿与谐波抑制则是可再生能源发出的电能能够并网到大电网系统中的基础性的关键技术,只有通过有效的无功补偿控制并滤除谐波才能将稳定性相对很差的可再生能源发出的电能馈送到电网系统当中,因此,无论是国内还是国外的申请人都在无功补偿与谐波抑制方面给予了相当的重视,国内申请人的申请量在近几年的攀升势头更是十分强劲。

(整理)数控机床高精度轨迹控制的一种新方法

数控机床高精度轨迹控制的一种新方法 数控机床是实现先进制造技术的重要基础装备,它关系到国家发展的战略地位。因此,立足国内实际,加速发展具有较强竞争能力的国产高精度数控机床,不断扩大市场占有率,逐步收复失地,便成为我国数控机床研究开发部门和生产厂家所面临的重要任务。 为完成这一任务,必须攻克若干关键技术,但其中最关键的一项是数控机床的高精度轨迹控制技术。因此,我们近年来结合生产实际,从高速高精度插补、高速高精度伺服控制和信息化轨迹校正等诸方面,对高速高精度轨迹控制技术进行了系统研究,并以此为基础加强了新型数控系统和高精度数控机床的开发。本文将介绍所取得的部分结果。 1数控机床高精度轨迹控制的基本思想 随着科学技术的进步和社会经济的发展,对机床加工精度的要求越来越高。如果完全靠提高零部件制造精度和机床装配精度的传统方法来设计制造高精度数控机床,势必大幅度提高机床的成本,在有些情况下甚至不可能。面对这一现实,我们对以低成本实现高精度的途径进行了探索,提出一种通过信息、控制与机床结构相结合实现数控机床高精度轨迹控制的方法,其核心思想是:①采用具有高分辨率和高采样频率的新型插补技术,在保证速度的前提下大幅度提高轨迹生成精度;②通过新型双位置闭环控制,有效保证希望轨迹的高精度实现。③以信息化轨迹校正消除机械误差和干扰对轨迹精度的影响,从而保证所控制的机床可在生产环境中长期高精度运行。 2高速高精度轨迹生成 高精度轨迹生成是实现高精度轨迹控制的基础。本文以高分辨率、高采样频率和粗精插补合一的多功能采样插补生成刀具希望轨迹。 2.1基本措施 由采样插补原理可知,插补误差δ(mm)与进给速度v f(mm/min)、插补频率f(Hz)和被插补曲线曲率半径ρ(mm)间有如下关系 (1) 由上式可知,为既保证高的进给速度,又达到高的轨迹精度,一种有效的办法就是提高采样插补频率。考虑到在现代数控机床上将经常碰到高速高精度小曲率半径加工问题。为此,我们在开发新型数控系统时,发挥软硬件综合优势将采样插补频率提高到5kHz,即插补周期

逆变器下垂控制原理及控制方法

2.逆变器并联下垂控制原理: 01 Z 02 Z 22 ?∠?1V ?∠? 图1.两台逆变器并联运行的等效电路 图1中,运用电路理论的知识,并忽略阻抗01Z 和02Z 中的阻性部分,可得出逆变器1输出地有功功率和无功功率的表达式为: 1 101 sin VV P X ?= ? 2 1101 cos VV V Q X ??-= 在并联逆变器输出电压相角??很小的情况下,s i n ???≈?和 cos 1??≈ 成立。将其代入有功功率和无功功率的公式可以知,逆变器输出地有功 功率主要由相角差??决定,而无功功率主要由幅值X V 决定。 基于以上分析,在逆变器并联系统中可以借助同步发电机的自下垂特性,引入有功功率和无功功率的调节作用,分别来调节逆变器输出电压的幅值和频率,即: 0x x x x m P ωω=- 0x x x x V V n Q =- 其中,x ω、0x V 分别为x 台逆变器空载时输出电压的频率和幅值,x m 、x n 分别为x 台逆变器输出电压的频率、幅值的下垂系数,如下图2所示。图2(a )可以看出,由于逆变器自身特性的差异所造成的逆变器并联运行时输出功率的差异随着频率和幅值下垂系数的增大而减小,但是随着下垂系数的增大电压的偏离度也会随之增大。因此在实际设计中需要在负载均分度和电压偏离度之间进行折中考虑。图2(b )表明利用下垂特性选择不同的下垂系数,可以使不同容量的逆变器并联运行并按其单位容量均分负载,其下垂系数选择如下: 11221122x x x x m S m S m S n S n S n S ===== =

图2.频率和幅值下垂特性 3.控制方法: 实际应用的外特性下垂并联控制方法主要是两种:一、负载电流前馈方式,二、减弱电压控制环方式。 负载电流前馈控制方法的特点是各个模块的电压调节器均为无静差的PI调节器,且电压环给定随着负载电流的增大而减小。 减弱电压环的控制框图如图3所示: 图3.减弱电压环方式的控制框图

(完整版)三相逆变器文献综述

三相逆变器文献综述 1 逆变器技术发展历程 逆变器技术的发展始终与功率器件及其控制技术的发展紧密结合,从开始发展至今经历了五个阶段: 第一阶段:20世纪50-60年代,晶闸管SCR的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件; 第二阶段:20世纪70年代,可关断晶闸管GTO及双极型晶体管BJT的问世,使得逆变技术得到发展和应用; 第三阶段:20世纪80年代,功率场效应管、绝缘栅型晶体管、MOS控制晶闸管等功率器件的诞生为逆变器向大容量方向发展奠定了基础。 第四阶段:20世纪90年代,微电子技术的发展使新近的控制技术如矢量控制技术、多电平变换技术、重复控制、模糊控制等技术在逆变领域得到了较好的应用,极大的促进了逆变器技术的发展; 第五阶段:21世纪初,逆变技术的发展随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的进步不断改进,逆变技术正朝着高频化、高效率、高功率密度、高可靠性、智能化的方向发展。 2 逆变器的发展趋势 更高的效率:目前,美国市场上的逆变器最高效率可达95%。在欧洲,由于采用了无变压器的设计和创新的拓扑结构,可实现更高的效率。例如,有一款产品(SMASunnyMinicentral8000TL)声称可到达98%的效率。 更低的成本:大约0.2-0.3美元/瓦的价格已经被设定为2020年逆变器的价格目标,这意味着比目前售价降低50-75%。这个目标最有可能通过增加产量及改善学习曲线来实现。 更高的可靠性:目前,逆变器的MTBF(平均无故障时间)为5~10年。但很多人怀疑,是否有可能以合理的成本实现这一目标。在中近期,通过改进质量控制、更好地散热并降低复杂性,MTBF大于10年的目标是可以实现的。 通信功能:今天,逆变器可以记录并借助制造商特定的协议传递信息。下一代单元应使用通用的通信标准传送更全面的系统信息,以实现先进的诊断功能,

逆变器的并网运行控制策略综述

逆变器的并网运行控制综述 葛玲 摘要:本文在阅读已有资料的基础上,对光伏逆变器并网运行的控制策略进行了总结。主要包括逆变器电压和电流模式两种控制,和先进的数字控制方法。 Abstract: In this paper, based on reading the existing data on the PV inverter for grid-run control strategy is summarized. Mainly include inverter voltage and current-mode two kinds of control,and advanced digital control methods. 0 引言 太阳能光伏发电[1]系统的运行方式主要分为离网运行和并网运行两大类。离网运行系统:未与公共电网相联接,又称为独立光伏发电系统。主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所,如为公共电网难以覆盖的边远农村、海岛、通信中继站、边防哨所等场合提供电源。并网运行系统:与公共电网相连接,共同承担供电任务。 当前世界范围内,大部分并网逆变器的直流侧一般采用电压源,逆变器与市电并联运行的输出控制可分为电压控制和电流控制。市电系统可视为容量无穷大的交流电压源,如果并网输出采用电压控制,则实际上就是一个电压源与电压源并联运行的系统,这种情况下要保证系统稳定运行,就必须采用锁相控制技术使输出与市电同步,在稳定运行的基础上通过调整逆变器输出电压的大小及相位来调节功率。如果逆变器的输出采用电流控制,则只需要控制逆变器的输出电流以

跟踪市电电压,同时设定输出电流的大小,即可达到并联运行的目的。 1 采用经典控制理论的控制策略[2] 1)电压均值反馈控制 它是给定一个电压均值,反馈采用输出电压的均值,两者相减得到一个误差,对误差进行PI调节,去控制输出,它是一个恒值调节系统,优点是输出可以达到无净差,缺点是快速性不好。 2)电压单闭坏瞬时值反馈控制 电压单闭环瞬时值反馈控制采用的电压瞬时值给定,输出电压瞬时值反馈,对误差进行PI调节,去控制输出,它是一个随动调节系统,由于积分环节存在相位滞后,系统不可能达到无净差,所以这种控制方法的稳态误差比较大,但快速性比较好。 3)电压单闭环瞬时值和电压均值相结合的控制 图 1电压型并网的输出电流控制原理图 采样并网电流Ig作为反馈,与设定值比较后作为电压基准Vref 的调节参考;同时电流的过零用于改变Vref的相位来调节输出电压的相位,使输出电流和市电相位180°反相,以此来调节输出功率。 2 电流型并网的输出电流控制 1)电流瞬时值滞环比较方式[3]

高精度自动测量控制技术_secret

高精度自动测量控制技术 应用概况 在钢结构施工中,全站仪将测量从传统的二维测量提升到三维测量的高度,使测量效 率大为提高。全站仪使用时需计算大量的坐标,坐标的正确和精度直接关系到测量结果的准确度;另外,对于现场计算的坐标,能否迅速的得出结果也会影响全站仪的使用效率,所以准确、快速的坐标计算也是全站仪使用中的关键一环。 现场测量员普遍采用可编程计算器帮助计算,使用前需根据不同的计算器特性输入程序,计算时根据不同的路段选择不同的程序输入参数,逐个得到坐标或方位角,还得反复校核。这对于大批量计算来说是一个不小的工程。现在,电脑在施工单位已得到使用普及,在工程量及数测量数据处理过程中,Office中EXCEL经常是测量技术人员利用的工具。利用电脑处理测量资料的经验结合EXCEL的强大功能,利用EXCEL的逻辑语句编制了一个小的应用程序。能把测量人员从重复性的劳动中解脱出来。提高了工作效率,节省了时间,节 约开支。 第一节人员组织及设备配置 一、人员组织 根据工作量和工作难度,本工程拟安排: 主要测量人员2名,负责工作安排,设备管理,现场安全管理;测量配合人员2名,负责对测量工作的配合。 二、设备配置 所有进入施工现场的测量器具必须在鉴定证书有效期之内,并在使用前将鉴定证书复印件报验给监理方(业主),经过审核确认后方可使用; 测量设备如下:

第二节钢结构安装测量准备 一、测量器具主要精度指标检查: 虽然所有仪器鉴定证书均在有效期范围之内,但仪器使用过程中的环境、运输过程、操作手法、人员更替等各种因素均会影响仪器误差指标的变化。因此,在初次使用之前应 对每个仪器的几项主要精度指标进行检查。 水准仪: 主要检查项目:脚架螺丝检查拧紧、圆水准器检查与调整,符合水准气泡检查与调整(仅限于S3水准仪),补偿器补偿范围检查(仅限于自动安平水准仪),i角误差。 经纬仪及全站仪: 主要检查项目:脚架螺丝检查拧紧、圆水准器检查与调整,长水准管气泡检查与调整,光学对中器或激光对电器检查,2C互差检测,竖盘指标差,棱镜常数测定。 使用过程中重要检查项目: 在使用过程中,应定期对仪器的重要检查项目进行检查。 水准仪至少每周进行一次i角误差的检查,进行控制测量期间应每天至少检查一次i 角误差。S3型水准仪确保i角误差保持在10”以内,NA2型水准仪确保i角误差保持在5” 以内,否则应进行调整,必要时重新送检。 经纬仪至少每月观测一次2C互差,并做好记录,确保2C的变化值保持在13”以内。 全站仪除按经纬仪检查2C互差之外还应每月至少用二段法观测一次加常数,确保加常数的变化值保持在±3mm之间。 二、测量控制点复测: 与相关方办理有关测量的交接手续,并现场指认测量控制点;对交接的所有测量平面控制点和标高点进行复测;复测结果无异议方可使用,如有异议应及时报告给相关方。

逆变器(文献综述)

一、前言 利用晶闸管电路把直流转变成交流电,这种对应于整流的逆向过程,定义为逆变[1]。如:应用逆变的电力机车,当再生制动时牵引电机作为发动机运行,把产生的电能反送到交流电网中。当牵引制动时逆变器则为其提供交流电,驱动电机。把直流电逆变为某一频率的交流电供给负载称为无源逆变;把直流电逆变为交流电反送到电网称为有源逆变[2]。随着科技的不断发展,各种仪器对逆变器的要求越来越高,各种行业对电气设备的控制要求也越来越高。高性能的逆变电路是工业发展的基本保证。逆变器横跨电力、电子、微处理器等领域。目前IGBT模块组成功率逆变器具有工作电压底的缺点,采用三电平NPC主电路,可将IGBT电压降低至两电平电路的一半左右[3].为了适应于大容量,高电压,电流谐波含量少的要求,本文通过查阅大量相关研究学者的论文,以及专家的文献综述,发现逆变器的各方面研究方法及其最前沿的研究成果和趋势。本文主要分析逆变器各种不一样的控制策略之间的联系、缺点、优点;最后提出一些个人看法和认识。相信逆变器技术在未来会有很大的突破和进步。 二、主题 逆变器毋庸置疑成为现代工业在中高压调速领域,交流柔性供电系统的无功率补偿中关键的技术支点。对逆变器的拓扑结构和调制策略也进行深入的研究,本文首先论述中高压三电平逆变器的发展现状,然后重点分析三电平逆变器的控制策略。 1.逆变器的发展现状及研究趋势。 于1931年有人研究逆变器的工作原理,直到1948年美国西屋电气公司研制出第一台3KHz感应加热逆变器。随着晶闸管SCR的诞生,为正弦波逆变器的发展创造了条件。20世纪70年代,可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(BJT)的诞生使逆变技术得到发展应用。到了20世纪80年代,功率场效管(MOSFET)、绝缘栅极晶体管(IGBT)、MOS控制晶闸管(MCT)以及静电感应功率器件的诞生为逆变器向大容量方向奠定了基础,因此电力电子器件的发展为逆变技术高频化,大容量创造了条件。80年代后,逆变技术从应用低速器件、低开关频率逐渐向高速器件,高开关频率方向发展。1977年德国学者Holtz首次提出三电平变换拓扑,其主电路采用常规的两电平电路,仅在每相桥臂带一对开关管作为辅助中点进行箝位。1980年,日本长冈科技大学A.Nabae等人将辅助开关管换成一对箝位二极管,分别和上下桥臂串联的开关管相连以辅助中点箝位,称为二极管中点箝位式三电平变换器[8],这种变换器控制容易,主开关管关断时仅承受直流侧一半的电压,因此更适合大功率场合使用。对三电平逆变器的研究,不仅仅停留在理论上,控制技术方面,而且在系统设计和工程应用等方面都会深入研究。

PWM逆变电源双环控制技术研究

华中科技大学 硕士学位论文 PWM逆变电源双环控制技术研究 姓名:何俊 申请学位级别:硕士 专业:电力电子与电力传动 指导教师:彭力 20070209

摘要 逆变器作为UPS系统的核心部分,要求它能够输出高质量的电压波形,尤其是在非线性负载情况下仍能够得到接近正弦的输出波形,因此各种各样的逆变器波形控制技术得以发展。其中瞬时值反馈控制技术是根据当前误差对逆变器输出波形进行有效的实时控制,如果控制器设计合理,则既可以保证系统具有较好的稳态性能,同时可以保证系统具有较快的响应速度。本文主要研究内容是PWM逆变电源电流内环电压外环双环控制技术,对逆变器双环控制进行了理论分析,并结合仿真和实验对其控制性能进行了深入的研究。 基于状态空间平均法给出了PWM逆变器的传递函数形式和状态方程形式的数学模型,详细分析了死区效应、过调制和非线性负载对单相全桥逆变器输出电压的影响,指出减小输出阻抗是增强系统非线性负载适应能力的合理方案。 分析比较了电感电流内环电压外环和电容电流内环电压外环两种双环控制方式,提出了带负载电流前馈补偿的电感电流内环电压外环双环控制方式,重点研究了逆变器电容电流内环电压外环双环控制。依据电流内环所采用调节器的不同,分别讨论了电流内环采用P调节器、电压外环为PI调节器和电流内环、电压外环均为PI调节器两种双环控制方式。采用极点配置的方法设计控制器参数,在闭环系统配置相同的阻尼比和自然频率的前提下对两种双环控制方式进行仿真比较。仿真结果表明电流内环和电压外环均采用PI调节器的逆变器双环控制方式能够达到较好的动、静态特性,特别是其非线性负载带载能力较强;电流内环采用P调节器、电压外环为PI调节器的逆变器双环控制方式稳态性能较好,但其抗非线性负载扰动能力不及电流内环和电压外环均采用PI调节器的双环控制方式,理论分析和仿真结果表明增大双环控制系统的期望自然频率可以改善系统的抗非线性负载扰动能力。 基于理论分析和计算,在一台样机上进行电容电流内环电压外环的双环模拟控制实验,实验结果与理论分析相符。 关键词:PWM逆变器双环控制极点配置模拟控制

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