系统功率

系统功率（通用12篇）

系统功率 篇1

0 引言

电力行业的管理对数据的采集和传输手段要求越来越高[1],原有的抄表模式已经不能满足需求。

人工智能化无线集中抄表系统是基于微功率短距离无线通信技术,采用数字信号单片射频收发芯片,单片机技术与微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块的有机结合[2]。文中提出了一种基于Si4432[3]的无线抄表系统,其通信质量好、成本低、工作可靠、经济实用,能够迅速地统计低压时线损,降低人员劳动强度和用电成本,同时对于加强用电管理和供电、配电可靠性都有着积极的意义。

1 系统总体设计

1.1 系统基本组成

本套微功率无线抄表系统由3个部分组成:主站计算机处理系统(上层)、数据采集集中层(中层)和电能表(下层)[4,5,6]。系统基本组成如图1所示。

主站计算机管理系统是由工作站和相应软件构成,用来接收和储存各用户的电力数据,进行统计、分析、汇总计费和报表打印等工作,担当着整个系统的总控制及管理工作。

数据采集集中层是由集中器和采集器组成。集中器是一个配电区域电能信息采集和控制的设备,通过信道对其管辖的低压采集器和各类电能表的信息进行采集、处理、存储和控制,并通过远程信道与主站交换数据。它具有与手持设备交换数据的能力,这样可以方便现场施工和后期设备维护。采集器是用于处理和采集用户多个电能表电能信息,并通过无线射频信道与集中器交换数据,通过RS-485线与电能表连接。

电能表是最基本的、也是最末端的设备。电子式电能表通过标准RS-485串口通信协议直接与采集器相连,将数据传至采集器。

1.2 系统硬件介绍

集中器是整个抄表系统的核心单元,在整个通信系统中起着桥梁作用,决定整个系统的性能。

集中器MCU采用基于ARM7的LPC2138微控制器,它是一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32位微控制器,处理速度更快。其主要性能有:内核是ARM7TDMI-S,超小的LQFP64封装,有32 KB的片内静态SRAM和512 KB片内高速FLASH程序存储器,具有丰富的外设资源;128位宽度接口/加速器可实现高达60 MHz的频率,可实现在线编程和非易失性程序存储;2个32位定时器;2个10位8路ADC;1个10位DAC;PWM通道;47路GPIO;9个边缘触发的外部中断;具有独立电源和时钟的RTC;2个串行接口,以满足不同通信的需要。内含向量中断控制器,可配置中断优先级和向量地址。片内Boot装载程序可以实现在系统/应用编程(ISP/IAP),具有空闲和掉电2种低功耗模式,并可通过外部中断唤醒。集中器MCU原理框图如图2所示。

集中器安装的GPRS通信模块采用SIM300,它是工业级手机模块,封装了TCP/IP协议转换,硬件实现比较方便。SIM300提供了标准RS-232接口,只需用串口线就能把它与单片机连接。控制命令采用SIMCOM提供的AT命令集,可控制模块进行语音通信或数据通信。

采集器和集中器采用的无线射频模块选用Si4432作为无线收发芯片,它是一个CMOS射频高度集成电路,包含所有ISM频段应用所需的发射和接收功能。频率范围为240~930 MHz;输出功率为+20 d Bm;接收灵敏度达到-116 d Bm。还包括比如天线分计算法、唤醒定时功能、低压检测、温度传感器等内置功能。芯片内部含有一个高性能的ADC在接收路径和数字解调器当中做解调、滤波和数据包处理。这些功能使得它成本低,灵活性高,切换时间快,传输速率快。

数据存储采用外扩Flash作为程序运行空间,采用大容量Flash能够读取和存储集中器、采集器的参数和电表数据,同时也可以存储日冻结数据。本系统采用AT45DB161-TS作为系统的外部存储Flash。它具有2 M的存储容量。

2 系统基本工作原理

在微功率无线抄表系统中,通过采集器对客户端电能表数据进行采集,然后通过一定的信道将数据传给集中器,集中器再把数据上传给主站用来进行电费统计、电能管理。过程分为3步。

a.集中器与主站之间通过GPRS无线网络实现通信[7,8,9,10],它分为2类:一是有主站下发命令,终端进行处理,组织数据帧上传到主站;二是采集器主动上传数据给主站。

b.集中器收到主站的采集数据命令后通过无线跳变网络[11,12],将命令发给采集器。

c.采集器与电能表通过RS-485标准串行接口连接,根据645通信协议,电表通过RS-485接口向采集器返回报文即电能表数据,采集器再将这些数据打包后通过无线跳变网络传给集中器,集中器再将数据包利用GPRS网络发送给主站进行处理。

3 无线抄表自组网实现

无线自组网是一种多跳频率的临时性自治系统且无基础设施的移动网络[12,13]。它由一簇带有无线射频收发装置的移动终端节点(Si4432)组成,是一个多跳的临时性无中心网络,可以在任何时刻、任何地点快速组建的一个通信网络。网络中每个终端可以自由移动且地位平等。其中无线Mesh网络WMN(Wireless Mesh Network)是具有自组织和自愈功能的一种无线网络结构[14]。这一网络中大多数节点基本静止不动,不以电池作为电源,拓扑变化较小,是适合在居民小区内允许多个网络共存、自动区分不同网络、拓扑动态结构可变和动态路由的一种无线抄表自组织网络。

3.1 无线路由协议选取

目前,WMN的路由协议[15]有很多,结合无线抄表系统自身的特点,选取分级路由并对其加以改进。

分级路由是把抄表网络内所有的采集器节点按一定规律分为若干簇,每一簇选定一个或几个簇头节点,其余节点与簇头直接通信或者通过多跳后连接簇头。不同簇之间通过起网关作用的节点通信。簇内和簇间可以使用不同的频率进行通信,也可以使用不同的路由协议。分级路由主要有以下优点:路自开销低;平均路由路径短;路径建立速度迅速。

3.2 分级路由协议改进

由于分级路由节点分簇中簇头可能成为整个网络通信的瓶颈,故提出了一种基于分级路由的自下而上的组网协议。

3.2.1 节点组网

在改进协议中,以集中器作为中心节点,记为0号节点。其他采集器作为一般节点,可以随时加入抄表系统。组网过程,中心节点优先上电,其他节点上电后发出心跳,当某一节点接收信号强度指示RSSI(Received Signal Strength Indication)对中心节点处于合理范围内时,就采用心跳时刻频点对该节点发送邀请帧,该节点收到邀请帧就返回给中心节点确认帧。在中心节点收到确认帧后该节点就成为中心节点的1级节点。中心节点再发送给其他节点邀请帧时,应包含它已经确定好的1级节点信息。然后1级节点以同样的过程组网下级节点。通过程序设定每个上级节点只在确认8个下级节点后就不再做出对其他节点组网心跳的响应。每级8个节点之间应相互确认身份。当1个节点收到多个上级节点的邀请帧后,只对其收到的第1个邀请帧做确认帧回复,对其他回复拒绝帧。任何入网的有效节点都可以对其他未组网的节点发出组网邀请。改进路由协议简图如图3所示。

在数据招读时,每个节点都要记录上级节点ID,目的是在上级节点掉电后重新上电发送组网心跳,但是不得对上级节点发送组网邀请帧。

3.2.2 信息收集

主动上送组网信息,当1个1级节点接入满8个2级节点时,即可主动上送给集中器这8个节点的信息,为了在主动上送过程避免发生同频干扰,采取先听后发机制,则可避免了信息碰撞。当没有达到8个节点的信息时可在听到最后一次心跳延时1.5 min后上送。每一级节点在上送时都要包含自己路由信息。每一个节点对下级节点上送的组网信息都要优先上送到它的上级节点。

假如当1个4级节点10号节点上送信息时,送到它的上级3级节点5号节点,5号节点把自身ID放进路由上送到2级节点3号节点,3号节点把自身ID放入路由上送到1级节点1号节点,1号把自身ID放入路由送到集中器。此时在集中器中就可形成路由,该路由可以访问10号节点任意下属节点。

3.2.3 维护模式

维护模式分为异常处理和正常流程2种情况。

异常处理:当1个节点发维护心跳时,上级节点没有响应,再次重发仍没有响应,可认为上级节点失效,发组网心跳,它的所有下级节点、重复节点重新执行上电模式。

正常流程:任意节点对上级节点发维护心跳,上级发应答帧,应答帧会告诉其下属节点它在哪几个频点听到了心跳报文,以备在以后通信时,直接使用。当下属节点发了维护心跳,上级节点发应答帧,表明两者间的从属关系不变。

当所有节点间从属关系不变时,集中器中存储簇结构不变,无需维护,不用重复信息收集工作。该改进路由模式为开放模式,无需在集中器中设置采集器总数。组网时间与网络规模成正比,网络越大组网耗时越多。

4 结论

系统通过采用Si4432芯片作为微功率无线收发模块,实现了对电力系统各种客户用电信息的高效、快速和可靠采集。所设计的新型微功率抄表系统已经在山东电网得到广泛应用。

系统功率 篇2

电力系统无功功率平衡和电压调整

33.2

电力系统的电压调整

33.2.1

改变变压器分接头进行电压调整

改变变压器变比调压

voltage

adjustment

via

changing

transformer’s

tap

1．双绕组变压器的高压侧和三绕组变压器的高、中压侧往往有若干个分接头可供选择。其中对应于的分接头成为主接头。

6000KV·A以下的变压器有三个分接头，8000KV·A以上的变压器有五个分接头，2．如图所示：

为升压变压器，为降压变压器。

1）

现以为例说明降压变压器分接头的选择方法

已知：最大负荷时高压侧母线电压为，变压器的电压损失为，低压侧母线要求的电压为。

求：最大负荷时应选择的的高压侧分接头电压

分析：

其中：为最大负荷时，归算至高压侧的低压母线电压；

为最大负荷时应选的变比。，为低压侧的额定电压。

则联立上式，可得：

同理：可得最小负荷时变压器应选择的高压侧分接头电压

若为无载调压，则变压器分接头应取：

根据计算得出的选择与之最接近的分接头，然后校验所选的分接头能否使的低压侧母线电压满足调压要求。

2）

升压变压器分接头选择

以上为无载调压；若为有载调压，则可分别选择最大、最小负荷时应选择的分接头，不必取平均。

变电所中的原则性要求：

1）逆调压：高峰负荷时升高中枢点电压（至105%），低谷负荷时降低中枢点电压（至）。适用于供电线路较长，负荷变动较大的中枢点。调压设备：调相机、静电电容器、有载调压变压器。

2）顺调压：高峰负荷时允许中枢点电压降低（但不低于102.5%）,低谷负荷时允许中枢点电压升高（但不允许高于107.5%）。适用于供电线路不长，负荷变动不大的中枢点。不用装特殊的调压设备。

3）常调压：任何情况下都保证中枢点电压基本不变。如（102%～105%）。通过合理选择变压器变比和并联电容器来调压。故障时允许电压偏移较正常时大5%。

33.2.2

利用电容器进行电压调整

33.2.2.1

选择静电电容器作为并联补偿设备

改变电力网无功分布的具体做法：在输电线路末端靠近负荷处装设并联电容器或调相机。

例：如图所示

令：补偿前后不变。

分析：

未装无功补偿设备时：，－折算至高压侧的低压电压

装无功补偿设备后：

则：

故：

近似的：

补偿后低压侧实际电压为，则：

由上式可见，若要确定，则应先确定变压器变比K，而K的确定与补偿设备的类型有关

用静电电容器，最小负荷时电容器全部退出，最大负荷时全部投入。

用调相机时，最小负荷时吸收或（50％∽60％），最大负荷时发出。

则：

1）

用静电电容器：

最小负荷确定K：

最大负荷确定：

2）

用调相机：

～

则：

～

用上式求出K，然后选择合适的分接头，用下式求

实际计算步骤：

①

计算出，②

选择无功补偿装置类型

③

确定K（先确定变压器高压侧分接头）

④

计算

⑤

验算电压偏移

33.2.2

对工厂供配电系统功率因数的探究 篇3

【关键词】功率因数；自然功率因数；人工补偿；电容器补偿

工厂供配电系统功率因数降低是当下许多工厂面临的一个严重问题，其因数的高低直接关系到工厂电量的消耗以及工厂的经济效益。我国供配电领域虽然对工厂供配电系统功率因数方面进行了一定的研究，并且其研究应用在实际的供配电系统中也取得了很大的成就。然而，随着我国供配电领域的不断发展，现有的对工厂供配电系统功率因数的研究已经不能很好的满足工厂发展的需要。因此，在今后的发展中，要加强对工厂供配电系统功率因数的重视和研究，并且在研究的过程中逐渐将对工厂供配电系统功率因数纳入到供配电领域研究的一个重点课题，从而促进我国工厂供配电系统的进一步提高。

一、提高功率因数的意义

在工厂的供配电系统中，提高功率因数对于工厂供配电领域有着多个方面的重要意义。首先，提高供配电系统的功率因数能够有效的提高电力系统的供电能力。也就是说，在供配电系统其它条件不变时，如发电、输电等等，如果能够大幅度的提高功率的因数，那么则会在很大程度上提高电力系统的供电能力。其次，提高供配电系统功率因数，能够有效的降低供电网络中电压的损失，以此来使得供电的质量提高。这是由于功率因数提高后，其电流在网络中就会相应的减少，从而导致的电压损失就会变小。而电压损失变小的直接作用就是能够提高供电的质量。再次，提高功率因数能够供电网络中的功率耗损降低。而以上种种这些作用和意义都会在很大程度上降低企业产品的成本。总而言之，提高供配电系统的中的功率因数，其意义重大，其作用更是不可忽视的。

二、提高功率因数的方法

由上述可知，提高供配电系统中的功率因数对于工厂用电量的减少、工厂成本的降低等多个方面都有着十分重要的作用。然而，我国当下在工厂供配电系统功率因数方面普遍存在着因数较低的现象。而这种现象的存在严重的影响了工厂的发展。所以，对于这一问题不容忽视。笔者在此对提高功率因数的方法进行了一定的探索，希望能够为供配电系统的提高而做出一些贡献。

1、提高负荷的自然功率因数

在工厂供配电系统中，要想提高功率因数，其方法是有很多的。但是，就笔者看来最为重要的一点就是要提高负荷的自然功率因数。所谓的提高自然功率数指的就是在不使用任何补偿设备的条件下，利用科学的、合理的方法和措施来降低供配电设备中无功功率的需求量，进而提高供配电系统的总功率因数。由于这种方法不许要添加额外的设备，所以是最为经济的一种方式，同时也是工厂在运行中经常采用的一种方法。而其具体的做法如下：

（1）提高负荷的自然功率因数首先就应该选择合理的电动机。所谓的合理的、正确的电动机指的就是能够不在轻载或者是空载的状态下也能够理想的运行。如果工厂的条件良好，最好是可以使用笼型异步电动机。这种电动机对应于提高负荷的自然功率因数是十分有效的。

（2）其次，提高负荷的自然功率还应该要有效的保证电动机的检修质量。而这里的检修主要是针对于电动机的结构参数以及电动机的性能参数。这主要是因为，在电动机运转的过程中，其中的一些定子线圈等会或大或小的减少励磁电流增大，进而使得功率因数提高。而检修电动机的结构参数以及性能参数则能够很多好的限制其因数的降低。

（3）合理选择变压器的容量，适当调整其运行方式，尽量避免变压器空载运行。变压器轻载时功率因数会降低，但满载时有功损耗会增加，因此，选择变压器的容量时要从经济运行和改善功率因数两个方面考虑。

2、人工补偿法提高功率因数

如果负荷的自然功率因数不能满足要求，应采取人工补偿的方法提高负荷的功率因数。目前，工厂企业广泛采用并联电容器补偿、同步电动机补偿和动态无功补偿方式进行无功功率的人工补偿。同步电动机补偿是通过调节同步电动机励磁电流起到补偿无功功率的作用。并联电容器，又称移相电容器，是一种专门用来改善功率因数的电力电容器。并联电容器与同步电动机相比，具有安装简单、运行维护方便有功损耗小、组装灵活、扩建方便等优点。

（1） 并联电容器的结线

并联补偿的电力电容器大多采用△形结线，对于低压并联电容器，因为大多是做成三相的，故其内部已接成△形。假设有电容为C的三个单相电容器，如果其额定电压与三相网络的额定电压相同时，应将电容器接成三角形；如果电容器的额定电压低于三相网络额定电压时，应将电容器接成星形。

（2） 并联电容器的装设地点

并联电力电容器在工厂供配电系统中的装设位置有三种，即高压集中补偿、低压集中补偿和单独就地补偿。高压集中补偿高压集中补偿是指将高压电容器組集中装设在工厂变电所的6～10kV母线上。该补偿方式只能补偿总降压变电所的6～10kV母线之前的供配电系统中由无功功率产生的影响，而对无功功率在企业内部的供配电系统中引起的损耗无法补偿，因此补偿范围最小，经济效果较后两种补偿方式差。

工厂供配电系统功率因数的研究涉及的方面是很多的，而以上仅仅只是笔者对于供配电系统因数的几个主要方面的研究，并且由于笔者在功率因数方面的研究有限，因此，仅仅凭借上述功率因数的研究来提高供配电系统是远远不够的。所以，对于供配电系统功率因数的研究还需要供配电领域的专业人士共同致力于研究和探索。

结语

综上所述，工厂供配电系统功率因数的研究对于工厂的发展以及供配电系统的提高等多个方面都有着不可忽视的重要作用。然而，工厂供配电系统功率因数的研究是一项比较复杂的研究，再加之我国供配电领域对于工厂供配电系统功率因数的研究还没有达到一定的深入程度，因此不利于供配电系统的提高。所以，在今后的发展中，要加强对工厂供配电系统功率因数的重视和研究，并且要从工厂的多个角度，从供配电系统因数的多个方面进行研究，从而研究出更好、更有效的提高系统因数的方法和措施，促进我国供配电领域的进一步发展。

参考文献

[1]马翔，黄剑峰，宋昕.电力系统功率因数研究[J].今日科苑，2010（22）.

[2]李玉成，慈兢.某冶炼厂配电系统功率因数提高的节能分析[J].科技资讯，2011（05）.

光伏并网系统最大功率追踪控制 篇4

针对光伏最大功率追踪的研究,文献[4]提出一种改进的自适应占空比扰动法,保证光伏快速、稳定、准确地跟踪上最大功率点;文献[5]采用自适应滑模观测器,实现光伏电池实时、精确追踪功率最优电压点;文献[6]针对不同光照强度、不同负载及内部参数变化对光伏输出特性进行了研究,得出光伏输出功率特性呈非线性且功率最优点只有一个;文献[7]基于滑模控制技术实现功率最大点的实时跟踪,采用交错Boost结构减小功率输出波纹;文献[8]基于Newton-Raphson算法提出一种dq轴解耦与网侧逆变器相结合的控制方法,并研发一台模拟光伏并网采样机。本文在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建了光伏并网系统模型,基于电压扰动法实现光伏最优功率点准确追踪,并通过仿真结果验证了光伏并网系统模型及控制策略的有效性。

1 光伏阵列建模及分析

光伏阵列温度为

式中:Tc为光伏阵列温度;Ta为环境温度;G为太阳照射强度。

光伏阵列V-I方程为[9]

其中

式中:Um和Im分别为最大功率点对应电压和电流;Uoc和Ipvsc分别为开路电压和短路电流;a与b分别为给定辐射强度下的电流温度变化系数和电压温度变化系数;Np与Ns分别为光伏阵列中组件的并联数和串联数;tc为温度变化系数;Rs为组件的串联电阻。

光伏阵列输出功率为

式中:P光伏阵列输出功率,Kl为光伏组件串并联损耗系数。

基于不同太阳光照强度,光伏阵列I-V和P-V特性曲线如图1所示。由图1可知:I-V曲线在最大功率点附近是高度非线性的,并且短路电流与太阳光照强度呈显著正相关,开路电压并无明显变化;P-V曲线表明,随着太阳辐射强度的增大光伏输出功率相应增加,故光伏阵列输出最大功率跟踪可通过扰动光伏阵列端电压来实现。

为了适应太阳辐射强度的快速变化,本文提出基于功率变化率改进电压扰动法,进行最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)。改进电压扰动法算法流程如图2所示。

结合本次测量的电压V(k)与电流I(k)和上次测量记录的电压V(k-1)和电流I(k-1),计算可得到功率变化率d P。如果d P<ε1,则认为功率输出不变,无需电压扰动;否则,再进行判断d P是否大于功率变化率最大值ε2,若是,则对d P进行修正,然后按变步长的功率变化率进行电压扰动。

2 光伏并网发电系统控制策略

光伏并网发电协调控制如图3所示。光伏并网发电系统可分为两个联系密切的子系统:光伏控制系统与并网逆变控制系统。光伏控制系统中:UPV和UPVm分别为光伏控制系统中端电压和最大功率点对应的端电压;IPV和DPV分别为光伏控制系统中电感电流与DC-DC变流器的控制信号。并网控制系统中:md和mq分别为并网系统中dq轴坐标下d轴控制信号和q轴控制信号;Id和Id ref分别为d轴电流矢量的实际值与参考值;Iq和Iq ref为q轴电流矢量的实际值与参考值;Udc和Udcref分别为直流电压的实际值与参考值;Ud分别为网侧电压在d轴分量;L为dq轴滤波电感;W为电气角速度;Qref为并网控制系统无功功率参考值;La、Lb、Lc,Ia、Ib、Ic和Ua、Ub、Uc分别为网侧abc三相交流系统中电感、电流和电压;S1-S6为网侧变流器IGBT脉冲信号。

PV单元中:通过改进的电导增量法锁定最大功率点电压参考值UPVm,UPV与UPVm采用电压外环控制,快速稳定实现光伏最大功率的输出。DC/AC并网单元中:应用锁相环(Phase Locked Loops,PLL)测量技术,保证同步旋转参考坐标系d轴与电压矢量方向重合,于是有ud=U,uq=0,实现dq轴解耦控制。d轴采用双环控制确保直流母线电压平稳,其中Udc和Udcref作为电压外环,Id和Id ref作为电流内环。q轴采用电流内环控制,快速稳定追踪上无功功率参考Qref(根据实际运行情况设定,一般设为0)。

光伏并网发电系统的协调控制策略,保证了上网功率最优利用了光能(即实现了光伏的MPPT控制),稳定了直流母线电压,平滑了上网功率,保证了系统的电能品质。

3 算例分析

基于PSCAD/EMTDC仿真平台建立额定容量为0.5 MW的光伏系统仿真模型,光伏发电系统参数设置如表1所示。

太阳辐射强度初始值为800 W/m2,最优输出功率约为24.5 k W,仿真运行到4 s时,太阳辐射强度跃升到1000 W/m2,最优输出功率约为49.5 k W。具体变化情况如图4所示。

由图4分析可知,当太阳辐射强度发生阶跃性变化时,功率控制器的有功、无功功率实际值跟踪其参考值的速度较快约10 ms,无稳态跟踪误差,鲁棒性较好。

光照强度发生阶跃变化时,光伏出力、端电压及电感电流跟踪情况如图5所示。

由图5分析可知,4 s时,光照强度发生阶跃性变化,光伏出力、端电压及电感电流实际值快速稳定地跟踪上了参考值,且三者趋势一致,验证了光伏最大功率追踪控制策略的有效性。

4 s时光照强度发生阶跃变化时,直流母线电压动态响应情况如图6所示。

由图6可知,光照强度发生阶跃性变化时,直流母线电压几乎无波动,跟踪速度快,鲁棒性较强。

基于光伏控制单元和并网逆变器控制单元的网侧有功功率和无功功率输出情况如图7所示。

由图7可知:注入电网的功率与光伏最优输出功率一致,0~4 s上网功率约为24.5 k W,4~8 s上网功率约为49.5 k W;网侧无功功率的实际值与参考值一致,为0 kvar。dq轴电流的变化跟踪趋势与有功功率和无功功率变化趋势相同,且有功功率、无功功率、dq轴电流的实际值跟踪参考值速度较快,无稳态误差,鲁棒性较强。

4 结语

本文建立了光伏数学模型,基于在光伏运行最优点I-V处于高度非线性,提出了一种改进的电压扰动法,保证光伏稳定且迅速追踪上最优点;采用电压扰动法与网侧功率外环电流内环双环控制实现了最优功率注入电网;PSCAD/EMTDC中的仿真结果验证了本文提出的光伏并网系统控制方法的有效性。

参考文献

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系统功率 篇5

设计

电功率

整体设计

《电功率》一章是初中电学的重要内容，是初中电学知识学习的核心。而本节内容是本章的重点，学好本节内容是掌握好本章知识的关键。本节内容较多，包括：建立电功率的概念；根据P＝Wt公式进行有关计算；额定功率和实际功率；电功率的测量和利用公式P＝UI的计算。

本节教学可分为4部分：

1．电功率。在学生的潜意识中，常认为用电器的瓦数越大越费电，即将

消耗电能的快慢与消耗电能的多少相混淆。教学中可通过将不同瓦数的灯泡分别接入电路中进行实验现象的观察，引导 学生对实验现象进行细致的分析，使学生正确理解电功率的概念。在此基础上可通过问题引出电功率的计算，引导学生认识电功率的单位。

教材通过小资料介绍了常用“家用电器的电功率”，这些数值对很多学生来说非常陌生，应使学生通过阅读对用电器的电功率分类了解，尤其要知道哪些用电器属于大功率用电器。

2．“千瓦时”的来历。对于此知识点，教材通过公式W＝Pt直接介绍“千瓦时”的来历，简单易懂。教学中可让学生推导千瓦时与焦耳的换算关系，加深对这两个单位的理解。还要让学生知道通常在哪些情况下使用公式W＝Pt，并增加适量练习，以提高学生正确使用该公式求解某些问题的能力。

3．“额定功率”和“实际功率”。看似很简单的知识点，但学生接受起来却

有一定的困难，是初中电学中的难点之一。突破方法：充分利用好演示实验。实验一：分别观察同一灯泡在额定电压、略高于 额定电压和略低于额定电压这三种情况下的发光情况，三次所观察到的亮度是用电器在各实际功率下所显示出的亮度，由此得出额定电压、实际电压、额定功率和实际功率的概念；实验二：探究额定电压相同而额定功率不同的两个灯泡(“220 V 40 W”和“220 V 15 W”)并联和串联接入电压是220 V的电路中的发光情况，引导学生分析讨论两盏灯发光时的实际电压、实际功率与额定电压、额定功率的关系。最终使学生明确：用电器只有在额定电压下才能正常工作，只有用电器正常工作时实际功率才等于额定功率。灯泡的实际功率影响灯泡的亮度。

4．电功率的测量。由前面的实验学生很自然地能想到灯泡的实际电压影响了灯泡实际功率的大小，电压越大，实际功率越大。根据欧姆定律，我们还

可以知道当电阻不变时，通过灯丝的电流大小与灯泡两端的电压大小成正比，它们都直接影响灯泡的实际功率。由此可推知，电功率P与灯泡两端的电压U和灯泡中的电流I有关系，由实验证明它们之间的关系满足：P＝UI。

由于下一节学生将运用伏安法直接测量小灯泡在不同电压下工作时的实际功率，所以有必要在本节教学中对伏安法测电功率进行深入讨论，为下一节实验探究留出更充裕的时间。

教学重点：

掌握电功率的概念，理解额定电压与额定功率，理解电功率和电流、电压之间的关系。

教学难点：

理解电功率和电流、电压之间的关系，能综合运用学过的知识解决简单的电功率问题。

课时安排：1课时

三维目标

一、知识与 技能

1．知道电功率的定义、定义式、单位；

2．理解额定电压与额定功率；

3．会用电功率的公式P＝UI进行简单计算；

4．能综合运用学过的知识解决简单的电功率问题。

二、过程与方法

1．观察体验电能表铝盘转动的快慢跟用电器电功率的关系；

2．观察体验用电器的额定功率与实际功 率的关系。

三、情感态度与价值观

感受科学就在我们生活中。

课前准备

简易家庭电路示教板：接有电能表，一个保险盒，一个开关，一个15 W电灯泡和一个100 W的电灯泡(包括灯座)，一个插座；学生用稳压电源、直流电流表、电压表、导线若干、开关、额定电压为 V的小灯泡一个、节能型电灯一只(功率16 W)、教学课件等。

教学设计

方案1：实验导入

引导：学过了电能和电能表后，谁观察过电能表的转动情况？不同时刻、不同家庭的电能表转动得一样快吗？

演示实验：在电能表后分别接不同的灯泡，一只灯泡上标有“220 V 15 W”，另一只灯泡上标着“220 V 100 W”，接通电源，发现后者比较亮的灯泡电能表的转盘转动得快，而前者比较暗的转动得慢。

系统功率 篇6

1、前言

总体来说，电力系统有效和可靠的运行，电压和无功功率的控制应满足以下目标：

1.1系统中有所有装置的在端电压应在可接受的限制内。

1.2为保证最大限度利用输电系统，应加强系统稳定性。

1.3应使无功功率传输最小，以使得RI2和XI2损耗减小到最小。

当负荷变化时，输电系统的无功功率的要求也要变化。由于无功功率不能长距离传输，电压只能通过遍布整个系统的具体装置来进行有效控制。

2、无功功率的产生和吸收

同步发电机可以产生或吸收无功功率，这取决于其励磁情况。当过励时产生无功功率，当欠励时吸收无功功率。

架空线路产生或吸收无功功率取决于负荷电流。当负荷低于自然负荷（波阻抗），线路产生纯无功功率；当高于自然负荷时，线路吸收无功功率。

地下电缆，由于它们对地电容较大，因此具有较高的自然负荷。它们通常工作在低于自然负荷情形下，因此在所有运行条件下总发生无功功率。

变压器不管其负载如何，总是吸收无功功率。空载时，起主要作用的是并联激励电抗；满载时，起主要作用的是串联漏抗。

负荷通常吸收无功功率。由电力系统的供电的典型负荷节点由许多装置所组成。这种组成随日期、随季节和气候的变化而不同。通常负荷节点的负荷特性是吸收无功功率的，复合负荷的有功功率和无功功率都是电压幅值的函数。具有低的滞后功率因数的负荷使传输网络有大的电压降落，因而供电也不经济，对于工业用户，无功功率通常和有功功率一样要计费，这就鼓励企业通过使用并联电容器来提高负荷功率因数。

3、无功功率的补偿

3.1无功功率不足的危害：交流电力系统需要电源供给两部分能量：一部分将用于做功而被消耗掉，这部分称为“有功功率”；另一部分能量是用来建立磁场，用于交换能量使用的，对于外部电路它并没有做功，称为“无功功率”，无功是相对于有功而言，不能说无功是无用之功，没有这部分功率，就不能建立磁场，电动机，变压器等设备就不能运转。其物理意义是：电路中电感元件与电容元件正常工作所需要的功率交换。无功功率不足，无功电源和无功负荷将处于低电压的平衡状态，将给电力系统带来诸如出力不足，电力系统损耗增加，设备损坏等一系列的损害，甚至可能引起电压崩溃事故，造成电网大面积停电。

3.2无功补偿原理：在交流电路中，纯电阻元件中负载电流与电压同相位，纯电感负载中电流之后电压九十度，纯电容负载中电流超前电压九十度，也就是说纯电容中电流和纯电感中的电流相位差为180度，可以互相抵消，即当电源向外供电时，感性负荷向外释放的能量由荣幸负荷储存起来；当感性负载需要能量时，再由荣幸负荷向外释放的能量来提供。能量在两种负荷间相互交换，感性负荷所需要的无功功率就可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿，实现了无功功率就地解决，达到补偿的目的。

3.3无功补偿的三种形式：

3.3.1集中补偿

集中补偿就是把电容器组集中安装在变电所的二次侧的母线上或配电变压器低压母线上，这种补偿方式，安装简便，运行可靠，利用率高，但当电气设备不连续运转或轻负荷时，又无自动控制装置时，会造成过补偿，使运行电压升高，电压质量变坏。季节性用电较强，空载运行较长又无人值守的配电变压器不宜采用。

3.3.2分散补偿

分散补偿是将电容器组分组安装在车间配电室或变电所个分路的出线上，形成抵押电网内部的多组分散补偿方式，它能与工厂部分负荷的变动同时投切，适合负荷比较分散的补偿场合，这种补偿方式效果较好，且补偿方式灵活，易于控制。

3.3.3个别补偿

个别补偿是对单台用电设备所需无功就近补偿的方法，把电容器直接接到单台用电设备的同一电气回路，用同一台开关控制，同时投运或断开，俗称随机补偿。这种补偿方法的效果最好，它能实现就地平衡无功电流，又能避免无负荷时的过补偿，是农网中队异步电动机进行补偿的常用方法。

3.4无功补偿设备

根据补偿的效果而言，电容器可以补偿负荷侧的无功功率，提高系统的功率因数，降低能耗，改善电网电压质量。电抗器可以吸收电网多余的线路充电功率，改善电网低谷负荷时的运行电压，减少发电机的进相运行深度，提高电网运行性能。

3.4.1无源补偿设备装置

并联电抗器，并联电容器和串联电容器。这些装置可以是固定连接式的或开闭式的，无源补偿设备仅用于特性阻抗补偿和线路的阻抗补偿，如并联电抗器用于输电线路分布电容的补偿以防空载长线路末端电压升高，并联电容器用来产生无功以减小线路无功输送，减小电压损失；串聯电容器可用于长线路补偿等。电力系统变电站内广泛安装了无功补偿电容器，用来就地无功平衡，减少线损，提高电压水平。

3.4.2有源补偿装置

通常为并联连接式的，用于维持末端电压恒定，能对连接处的微小电压偏移做出反应，准确地发出或吸收无功功率的修正量。如用饱和电抗器作为内在固有控制，用同步补偿器和可控硅控制的补偿器作为外部控制的方式。

4、结束语

无功补偿对提高功率因数，改善电压质量，降损节能、提高供电设备的出力都有很好的作用。只要依靠科技进步，加大资金投入，优化无功补偿配置，实现无功的动态平衡是完全可能的。

参考文献：

[1] PRABHA KUNDUR 著.电力系统的稳定与控制[M]．中国电力出版社．

[2]刘娅.变电站无功补偿分析 [M]．行业透视．

电力系统电压与无功功率优化 篇7

近几年, 电网建设投资规模加大, 电网结构日趋完善, 新建变电站均按规程规定要求配置了无功补偿装置, 110kv及以上变电站主变均选用有载调压变压器, 对稳定系统电压, 提高电压运行水平起到了重要的作用, 但在部分地方电网、农村配网, 在满足用户电压质量和无功功率就地平衡问题上还存在比较突出的问题:

1.1 在部分地方电网, 由于与主网联系薄弱, 电网设备陈旧, 部分变电压无功补偿装置补偿容量不足, 需大量从系统吸收无功, 在系统负荷高峰期无功出力不足, 系统电压偏低。

1.2 农村配电网由于输电距离长、线径小, 农村用户低电压问题突出。

1.3 无功补偿装置基本都是在变电站进行集中补偿, 无功功率在10kv配网中传输较多, 根据无功功率补偿原则, 最佳补偿点应在用户侧和配变低压侧, 以减少无功功率在系统中的传输和提高用户电压水平。

1.4 目前, 小水电站大规模开发, 规模较小的电站基本均以10kv电压等就近接入电网运行, 对小水电站缺乏监督管理手段, 很少进行无功功率管理, 小水电基本都是只发有功, 不发无功。

2 电压与无功功率特性

为了合理地进行无功功率补偿, 对电压与无功功率的关系进行简要分析。交流电力系统需要电源供给两部分能量, 一部分是用于能量转换而被消耗掉, 我们称为“有功功率”, 另一部分能量是用来建立磁场, 由电能转换为磁能, 再由磁能转换为电能, 周而复始, 并没有消耗, 对于外部电路它并没有作功, 这部分能量我们称为“无功功率”, 在电力系统中, 除了负荷无功功率外, 变压器和线路电抗也需要消耗大量无功功率。但是, 需要说明的是电压与无功功率之间的关系要比频率与有功功率之间的关系复杂得多, 大体上表现在以下几方面:

一是在一个并列运行的电力系统中, 任何一点的频率都是一样的, 在无功功率平衡时, 整个电力系统的电压从整体上看是正常的, 是可以达到额定值的, 但有些节点处的电压并不一定合格, 如果无功不是处于平衡状态时, 那么情况就更复杂了, 当无功出力大于无功负荷时, 电压普遍会高一些, 但也会有个别地方可能低一些, 反之, 也是如此。

二是系统需要的无功功率远远大于发电机所能提供的无功出力, 这是由于现代高压电网包括各级变压器和架空线路在传送电能时需要消耗大量的无功, 即“无功损耗”, 一般来说, 这些无功损耗与整个电网中的无功负荷的大小是差不多。

三是无功功率不宜远距离输送, 当输送功率与传送距离达到一定极限时, 其无功损耗Q=I2X相应也很大, 所输送的无功功率均损耗在变压器及线路上了。另外, 传送大量的无功功率时, 线路电压损失也相当大, 同样会造成无法传送的结果。

所以, 合理的就地无功补偿对调整系统电压、降低损耗有十分重要的作用。在进行无功功率补偿时应该力求实现在额定电压下的系统无功功率平衡, 根据这个要求来装设必要的无功功率补偿装置。

3 无功功率补偿整改措施及建议

根据电力系统超无功电压存在的问题, 结合无功功率特性, 建议从以下几个方面对我司无功功率配置进行优化:

3.1 加强电网侧无功补偿装置的配置

一是加强同并网大电网的协调, 在枯水期、伏旱期提高大电网运行电压运行水平, 可直接改善系统运行电压水平。

二是清理现有无功补偿装置, 根据变电站负荷情况对无功补偿装置进行调整, 同时对新建变电站配置充沛的无功补偿装置。

3.2 加强10kv配网侧无功补偿

一是建立小水电站的功率因数考核制度, 目前已正在开展。根据运行数据分析并结合现有小水电分布情况, 建议对小水电无功补偿实施区别对待, 对配电线路上T接小水电较多的电站建议按功率因数0.9进行考核, 小水电较少的线路T接小水电按0.85进行考核, 若功率因数考核均按0.85或0.80考核时, 配网无功功率将向系统上网, 反而增大线路损耗。

二是开展重负荷配变和重负荷用户无功补偿以及重负荷线路无功补偿。由于35kv、10kv及一些低压配电线路的阻抗相对较大, 无功潮流在线路上流动时引起的功率损耗和电压降落均较大, 所以, 在配网侧进行无功补偿可以有效地减少无功功率在电网中的输送, 降低网损和改善用户电压水平。根据计算, 进行无功补偿后, 降损效果如下式:

即当功率因数从0.85提高至0.95时, 通过上式, 可求得有功损耗降低达20%左右, 降损效果最明显, 线路无功补偿的经典补偿方式如下表:

三是按无功功率分层分区、就地平衡的原则开展电网无功经济运行, 合理投退无功补偿装置。

4 无功功率补偿方式

目前, 采用较多的几种无功补偿装置分别为电容器、同步调相机、电抗器、静止型动态无功补偿器 (即SVC) 等。

电容器以其投资省、运行费用低、运行维护简单和应用范围广而被广泛使用;但电容器的缺点是输出无功功率与运行电压的平方成正比, 电压降低, 输出的无功将急剧下降, 所以, 事故情况下, 电容器不能起到稳定系统电压的作用。

同步调相机是一种不带机械负载的同步电动机, 它是最早采用的一种无功补偿设备, 其主要缺点是投资大, 运行维护复杂、能耗高, 在并联电容器得到大量采用后, 它退居次要地位;但也有其明显的优点:调相机可以根据系统无功的需要, 调节励磁运行, 过励磁时可以做到发出其额定100%的无功功率, 欠励磁时还可以吸收其额定容量50%的无功功率, 同时可以安装强行励磁装置, 当电网发生故障时, 可以强行励磁, 保持电网电压稳定, 因而提高系统运行的稳定性。

电抗器是一种感性无功补偿设备, 它可以吸收系统中过剩的无功功率, 避免电网运行电压过高。一般就安装于超高压等级变电站和线路, 为了防止超高压线路空载或轻负荷运行时, 线路的充电功率造成线路电压升高, 同时系统故障时产生的过电压。

静止型动态无功补偿器是近年来发展起来的一种动态无功功率补偿装置, 电容器、电抗器、调相机是对电力系统静态无功电力的补偿, 而静止型动态无功补偿器主要是对电力系统中的动态冲击负荷的补偿和抑制谐波, 如大型电炉炼钢、大型轧机以及大型整流设备等, 也可在电力系统的电压枢纽点、支撑点静止型动态无功补偿器来提高系统的稳定性。其最大特点是调节快速, 响应速度远远高于调相机, 一般只有20ms, 可以迅速改变所输出无功功率的性质和保持母线电压恒定。

5 结束语

光伏发电系统功率预测方法综述 篇8

1 预测方法分类

1.1 按预测时间尺度分类

从时间尺度上可以分为中长期功率预测、短期功率预测和超短期功率预测[3]。中长期功率预测的时间尺度大,一般为1周或1个月,主要用于光伏电站的规划设计和电网中长期调度等,短期功率预测的时间尺度一般为1~3 d,超短期功率预测的时间尺度为0~4 h,短期和超短期功率预测对电网实时调度等具有重要的决定作用,对系统运行安全性和稳定性具有直接影响。

目前,中长期功率预测一般采用统计方法利用历史数据进行预测,短期功率预测一般需根据数值天气预报获得未来1~3 d内气象要素预报值,然后根据历史数据和气象要素信息得到地面辐照强度的预测值,进而获得光伏电站输出功率的预测值,超短期功率预测的主要原则是根据地面拍摄的云图或地球同步卫星拍摄的卫星云图推测云层运动情况,从而计算出未来几h内太阳辐照强度,再通过光伏发电功率模型得到光伏发电输出功率的预测值。

1.2 按预测空间尺度分类

光伏发电功率预测方法按照空间尺度主要分为4种,分别是微尺度、小尺度、中尺度、大尺度功率预测方法[3]。依次针对单个发电单元、单个光伏电站、由多个光伏电站组成的光伏电站集群和更大地理区域内的光伏发电站。空间尺度越小,功率预测越难,这是因为预测时无法采用平均值,尺度越小对功率预测时的空间分辨率的要求越高。

近年来,小功率的分布式发电系统大量发展,其发电功率波动性很大,对电网系统的稳定性和安全性造成较大威胁,这对光伏发电系统功率预测提出了更高要求。

1.3 按预测方式分类

从预测方式上可分为直接预测和间接预测两类。前者直接对光伏电站的输出功率进行预测;后者又叫分步预测,首先对太阳辐射强度进行预测,然后根据光伏发电系统发电模型得到输出功率。

直接预测方式简洁方便,但直接预测模型需要从历史发电数据直接预测未来的发电功率,预测的准确性一方面决定于预测算法,另一方面决定于是否有大量准确的历史数据。分步预测方式包括太阳辐照强度预测和光伏发电系统功率模型两个过程,在每个过程中可灵活选择不同的方法,某种程度上克服了直接预测方式的局限性。

1.4 按预测方法分类

从预测方法上来说,光伏功率预测包含统计方法和物理方法。统计方法的原理是统计分析历史数据,从而发现其内在规律并最终用于发电功率预测,可以直接预测输出功率,也可以预测太阳辐照强度;物理方法是在已知太阳辐射强度预测值的情况下,研究光能转化的物理过程,采用物理方程,考虑温度、寿命等影响因素,由预测的太阳辐射强度得到光伏系统发电功率预测值。

2 预测方法国内外研究情况

2.1 直接预测方法

直接预测方法本质上都是统计方法,由历史数据预测未来数据。其原理是假定光伏发电系统不发生衰减,那么发电历史规律不会发生改变,根据简单天气预报和历史发电数据,就可对未来的发电功率进行预测。

2.1.1 线性预测方法

1)时间序列法。时间序列预测法是应用较早的一种方法。它把负荷数据看作是一个周期性变化的时间序列。根据系统发电的历史数据,建立数学模型来描述发电功率的统计规律性,在此基础上对光伏发电功率进行预报[4,5]。

2)时间趋势外推法。时间趋势外推法主要使用马尔科夫链模型预测光伏发电量[6,7,8]。由于该方法受天气影响很大,目前较少使用。

2.1.2 非线性预测方法

1)人工神经网络。人工神经网络(ANN)算法在复杂非线性预测方面有着良好表现,适用于光伏发电功率预测这样的场合。将天气、季节等影响因素作为输入,用历史数据对算法进行训练,最终可实现光伏发电功率的预测[9,10,11]。

2)支持向量机。支持向量机(SVM)是一种机器学习算法,与传统的神经网络学习方法不同的是,它实现了结构风险最小化(SRM)。在国外,法国玛格丽特太阳能协会使用支持向量机算法进行了光伏系统发电量预测研究。在国内,栗然等[12]建立了基于支持向量机的光伏系统发电功率预测模型。

3)其它非线性方法。常用的非线性方法还有模糊逻辑预测法[13]、小波分析预测法[14]、卡尔曼滤波预测法[15]等。

各种非线性方法是未来直接预测法发展的重点,目前国内外的研究也多集中于此。

2.1.3 组合预测方法

组合预测法是指使用几种方法分别预测后,再对多种结果进行分析处理。组合预测有两类方法:一种是指将几种预测方法所得的结果进行比较,最后选取误差最小的模型进行预测,该方法难点在于误差计算方法;另外一种是将几种结果进行加权平均,提高预测的准确性。该方法的难点在于如何计算各种预测方法的权重。

2.2 分步预测法中的太阳辐照强度预测方法

上节中的直接预测方法也可用于太阳辐照强度预测,只是输入数据中的历史发电功率变为历史太阳辐照强度,其它类似,不再赘述。而以下介绍的几种方法可直接进行太阳辐照强度预报,无需历史数据。

2.2.1 基于数值天气预报的方法

数值天气预报根据流动力学和热力学原理建立微分方程组,确定大气初始状态后,就可迭代计算出来某个时间大气的状态,就是通常所说的温度、风、降水、太阳辐照度等。

目前经常使用的全球数值天气预报模型主要有美国的GFS模型和欧盟的ECMWF模型,最长可进行15 d的预报,其中GFS免费提供预报。全球数值天气预报模型的空间分辨率和时间分辨率都比较低,目前的模型其空间分辨率为16~50 km,时间分辨率为3~6 h。

全球数值天气预报模型难以直接应用,常常作为其它更小尺度预报的基础。中尺度数值天气预报模型仅仅覆盖地球上的一小部分地区,由各个国家或商业公司运行,空间分辨率和时间分辨率要高得多,空间分辨率在1~20 km,时间分辨率为1 h。

中尺度预报模型常用的是WRF模型。WRF模型是20世纪90年代由美国的科研机构为中心开发的一种统一的中尺度数值天气预报模型,2000年开始免费对外发布,已更新了数个版本,用户可在此基础上开发本地的数值天气预报模型,空间分辨率可达1 km。文献[16]将MM5中尺度模型和美国国家环境预报中心模型的辐照度预报与地面观测值进行了对比研究。文献[17]提出了一种利用ECMWF提供的辐照度预报值进行单个和区域光伏电站发电功率预测的方法。

目前数值天气预报的缺点在于其空间和时间分辨率仍然不够高。1 km的空间分辨率无法对具体的一块云做出预测,只能对某一片区域的整体平均天气做出预测。1 h的时间分辨率也无法进行高时间分辨率的功率预测。因此,基于数值天气预报的方法目前主要应用于较大区域的光伏发电系统功率预测。另外,数值天气预报方法中的气象和环境因素较为复杂,精准度的提高一直是目前研究的重点和难点。

2.2.2 基于云图的方法

云的大小、形状、厚度、致密度等因素都会直接影响到达地面的太阳辐照强度,而云在时间上和空间上很容易发生变化。因此,知道并预测云的变化是太阳辐照强度预测面临的一项挑战任务。

通过卫星云图和地面拍摄的云图,可以预测云的变化。其基本原理是由历史的云图数据预测未来云的变化。

文献[18]研究了使用气象卫星云图进行光伏发电功率预测的方法。作者调查比较了多种使用气象卫星数据提取云特征并预测太阳辐照强度的方法。文献[19]也研究了通过静地运行环境卫星云图预测太阳辐照强度预测的方法。这些卫星实际上都是遥感卫星,通过勘测地球大气系统发射或反射的电磁辐射可获得遥感图像数据。

但基于卫星云图的方法空间分辨率仍然不够高,基于地面的云图方法则弥补了这一缺陷。该方法利用地面的监测装置抓拍云图,能够捕捉云的突然变化。基于地面的云图方法预测的时间范围在0~25 min之间。

2.3 分步预测法中的光伏发电系统功率模型建立方法

光伏系统发电功率模型是实现发电功率准确预测的关键。目前,国内外有关光伏发电功率模型的建模方法主要有物理模型方法和统计模型方法两大类。

2.3.1 物理模型方法

物理模型方法的有效性取决于对研究对象内部构成及其所遵循规律的把握程度和模型参数的精度。

1)效率模型。即直接通过太阳辐照强度和效率因子估算光伏发电系统输出功率。该方法计算精度低,只适用于光伏电站选址等对精度要求很低的场合。

2)电子元件模型[20,21]。使用基于光伏半导体设备物理或发光二极管的物理原理来建立电子元件模型。由于模型考虑因素不够全面,基于该类模型的预测方法基本不再使用。

3)物理模型。综合考虑寿命、温度、雨雪等的影响,建立光伏发电的物理模型。结合天气、太阳阵的构型布片方式等,日本学者建立三维模型考虑了建筑物遮挡情况下对复杂光伏发电量预测方法[22]。

2.3.2 统计模型方法

统计模型把光伏发电系统看作一个“黑箱”,并不关注内部各模块的特性或内部各因素影响分析,而是基于实际运行数据对其功率特性进行拟合。常用的统计建模方法有神经网络、关联数据等方法。文献[23]利用回归神经网络建立了光伏系统的发电功率特性模型。

3 结论

功率超声谐振系统的CAE研究 篇9

关键词：谐振系统,超声珩磨,CAE

0引言

超声波振动加工技术是一种新型的特种加工技术,在这种特种加工技术中最关键的技术是谐振系统的研究。近年来计算机辅助工程技术(CAE)蓬勃发展,CAE技术可以有效地增强设计的手段和评估分析计算功能。利用CAE技术能够逼真地模拟功率超声谐振系统,为用户提供一个交互平台。在这个平台上,设计者可以把不同的功率超声谐振系统模拟出来,用于仿真和评估各加工过程对产品质量的影响。功率谐振系统的CAE研究丰富并发展了虚拟制造技术的理论,揭示了功率超声谐振系统的机理,对于推广功率谐振系统在实际加工中的应用具有重要意义。

本文是在熟悉并掌握超声振动系统理论的基础上,建立相应模型,完成谐振系统各模块的设计,并对系统的关键技术理论及实现方法进行研究。

1谐振系统构成

超声加工设备一般包括超声波发生器和超声振动系统两大部分。

1.1 超声波发生器

超声波发生器的作用是将220V或380V的交流电转换成超声频的电振荡信号。它由振荡器、电压放大器和输出变压器等部分组成。其中,振荡器是超声波发生器的心脏,它分为电子管和晶体管两种。由于晶体管型超声波发生器具有成本低、体积小、耗能少、开机时不需预热的特点,因此在纵向超声珩磨装置中常采用晶体管超声波发生器作为功率超声源。

超声加工用的超声波发生器由振荡级、电压放大级、功率放大级及电源等4部分组成。其可以是他激式,也可以是自动跟踪式。后者是一种自激振荡推动多级放大的功率发生器,自激频率取决于超声波振动系统的共振频率。当出于某种原因(如更换工具或工具头磨损、部件受热或压力变化等)而引起超声波振动系统共振频率变化时,可通过“声反馈”或“电反馈”使超声波发生器的工作频率能自动跟踪变化,保证超声波振动系统始终处于良好的谐振状态。

1.2 超声振动系统

在功率超声加工处理的设备中,我们一般将由换能器、变幅杆以及加工工具所组成的系统称为超声振动系统。超声振动系统3部分均是谐振单元,按统一谐振频率分别设计,然后级联起来。

超声换能器的功能是将超声波发生器产生的超声频电震荡信号转换为超声频机械振动,它是超声加工设备的关键部件之一。根据其转换原理的不同,分为磁致伸缩式换能器和压电换能器两种。本文采用压电换能器为研究对象。对于普通的压电换能器,受自身材料和力学性能的限制,其输出端的位移振幅很小,一般不超过10μm,达不到工作要求。因此在换能器振子前表面加装超声变幅杆。

超声变幅杆,又称超声聚能器,它在超声技术中,特别是在高声强超声设备的振动系统中是很重要的一部分。它的主要作用有两个:一是将机械振动位移或速度振幅放大,或者把能量集中在较小的辐射面上,即聚能作用;二是作为机械阻抗的变换器,在换能器和声负载之间进行阻抗匹配,使超声能量更有效地向负载传输。

2功率超声谐振系统的CAE应用系统开发

超声振动CAE系统的功能是协助设计人员交互式地快速设计出超声变幅杆、压电换能器的形状参数,做出三维造型,并实现数据传输,完成所设计模型的自动加工和模态仿真技术。本文以WindowsXP为系统开发平台、UGNX软件为系统应用环境,运用UG软件的二次开发工具以及VC++语言,设计开发一个基于UG的超声振动CAE系统。

下面以超声振动CAD系统为例说明超声谐振CAE的开发过程。超声振动CAD系统的功能是协助设计人员交互式地快速设计出超声变幅杆、压电换能器的形状参数并做出三维造型。

2.1 超声谐振CAD系统总体方案设计

由系统需求分析可知,该系统主要应完成菜单定制、参数输入、设计计算、参数输出及模型输出等内容,超声谐振CAD系统的数据流图见图1。

2.2 超声谐振CAD系统的实现及关键技术

需要实现的功能是:在用户界面中对初始参数交互式输入,VC程序对这些参数的读取,利用超声谐振系统的设计方法进行设计计算,最后得到超声振动系统的几何参数并输出。本部分开发流程图如图2所示。

采用MenuScript与UIStyler开发出来的超声振动CAD系统菜单和对话框分别见图3和图4。

3超声谐振CAD系统应用实例

本例设计一套应用在Φ150mm超声振动珩磨装置上的振动系统,换能器是由4片PZT-8中孔圆片、1片4mm铜电极、2片极薄铜电极组成。

运行开发出来的超声振动CAD系统,输入参数见图5(a),调用嵌套的VC++程序及UG/OpenAPI程序,设计出来的换能器如图5(b)所示。

本例中变幅杆的基本参数如下:45钢调质处理作为变幅杆的材料;声速为C=5 157m/s;共振频率F取为20kHz;大端直径D=27.5mm;小端直径d=17.5mm。

运行开发出来的超声振动CAD系统,输入参数见图6(a),调用嵌套的VC++程序及UG/OpenAPI程序,设计出来的变幅杆如图6(b)所示。

对换能器和变幅杆的设计输出后,应按照要求对其进行装配。执行自动装配时,运行开发出来的超声振动CAD系统,系统读取已设计绘制好的换能器和变幅杆的信息后进行自动装配,装配体的设计见图7。

4结论

本文以超声振动CAD系统为例研究分析了超声振动CAE系统的开发过程,完成了功率超声谐振系统的CAE应用系统开发的部分内容。

(1)介绍了系统界面开发技术、UG/Open UIStyler对话框开发技术和UG Open API程序开发技术。

(2)在系统需求分析的基础上,设计出了超声振动CAD系统的总体方案和各个模块方案,给出了数据流程图及内部程序流程图。其中包括换能器的开发方案和变幅杆的开发方案。

(3)应用UG自带的二次开发工具结合VC++开发出了超声振动CAD系统专门的菜单、工具条和对话框,编制了部分换能器及变幅杆的设计计算程序,实现了部分人机互交功能。

(4)在超声谐振CAE实现及关键技术中,使用UG/OpenAPI的Intenral方式与UIStyler、MenuScript联合开发,并与UG/Open++混合编程的技术,完成了大部分界面开发与程序设计。

参考文献

[1]陈传梁.特种加工工艺学[M].北京:北京工业学院出版社,1984.

[2]祝锡晶.超声光整加工及表面成型技术[M].中国:中国科学文化出版社,2005.

[3]王爱玲,祝锡晶.功率超声振动加工技术[M].北京:国防工业出版社,2006.

[4]李伯明,赵波.现代磨削技术[M].北京:机械工业出版社,2005.

智能太阳能最大功率跟踪系统 篇10

人类当前使用的能源主要来自煤炭、石油等化石能源。而占人类能源消费大部分的煤炭、石油等化石能源都是不可再生资源。据有关资料报导, 依目前石油储量的综合估算, 可支配的化石能源的极限大约为1180~1510亿吨。以上世纪90年代世界石油的年开采量33.2亿吨计算, 石油储量估计可维持到2050年左右;天然气储备估计在1318×103~1529×103Mm3, 年开采量维持在2300Mm3左右, 将在60年左右内枯竭;铀的年开采量为每年6万吨, 根据1993年世界能源委员会的估计, 铀也将于本世纪30年代中期宣告枯竭。煤的储量约为5600亿吨, 上世纪90年代煤炭年开采量约为33亿吨, 可以供应169年[1];应而新能源的开发与应用, 势在必行。作为新能源之一的太阳能, 更是受到越来越多的国家重视, 运用越来越广泛。

太阳能光伏发电具有无污染、取之不竭用之不尽等优点。太阳能光伏发电的特性是, 发电功率由温度、光辐射强度、太阳能电池板工作电压影响。为提高太阳能电池板的发电效率, 最大功率跟踪不可或缺。

1 太阳能电池特性分析

太阳能电池板由许多个小的太阳能电池组成, 根据需要的电压和电流, 通过相应的小太阳能电池块串并联获得。每个太阳能电池都是有具有PN结的半导体组成, 图1为太阳能电池板的等效电路模型[1,2]。

太阳能电池的伏安特性与太阳辐射强度和温度息息相关, 用函数关系可以表达为:I=V, Iph, T) 。由太阳能电池板的等效电路和半导体PN结特性, 可以用下式表示太阳能电池板的输出电流与输出电压的关系[3]:

其中:

I为光伏电池输出电流, 即工作电流;

V为光伏电池输出电压, 即工作电压;

Iph为太阳能电池板在阳光照射下产生的电流, 即光生电流;

Io为太阳能电池板的逆向饱和电流;

q为电子的电荷量;

n为太阳能电池板的理想因数, 当T=298K时, n取值2.8;

k为玻尔兹曼常数;

T为光伏电池表面温度;

RSh为太阳能电池内部等效并联电阻;

Rs为太阳能电池内部的等效串联电阻。

由上式模型可知, 太阳能光伏电池阵列具有典型的非线性特性。

通过上述的太能电池的模型分析, 太阳能电池板的输出不仅与太阳能辐射强度有关, 还与温度有关。为了更好地理解太阳能电池的输出特性, 分别分析太阳能电池的伏安特性及功率电压特性曲线随辐射强度及温度而变化的曲线[1,4]。太阳能电池随辐射强度而变化的特性见图2、图3。

图2是太阳能电池保持温度不变条件下随辐照度变化的伏安特性曲线。图3是太阳能电池保持温度不变条件下随辐照度变化的功率电压特性曲线。MPP (Maximal Power Point) 为太阳能电池最大功率点。由图可知:

(1) 太阳能电池的短路电流随太阳辐射强度增强而变大, 两者近似为正比关系。在最大功率点之前, 随着太阳能电池板输出电压的增大, 输出电流减小缓慢。但是, 最大功率点是个转折点, 该点后, 随着输出电压的增大, 输出电流急剧减小, 导致输出功率亦急剧减小。太阳能电池的开路电压在各种光照条件下变化不大;

(2) 太阳能电池的最大输出功率随光照强度增强而变大, 且在同一光照环境下有且仅有唯一的最大输出功率。在最大功率点左侧, 输出功率随电池端电压上升而增大, 近似线性增大。最大功率点右侧, 输出功率随输出电压的增大而急剧下降。

图4是太阳能电池保持辐照度不变条件下随温度变化的伏安特性曲线。图5是太阳能电池保持辐照度不变条件下随温度变化的功率电压特性曲线。从图4中可知, 温度对光伏电池的短路电流影响不大, 随着温度的上升, 短路电流只是略增加。但光伏电池的开路电压随温度上升下降较快。从图5可知, 太阳能电池输出功率变化趋势与不同太阳能辐射强度下的功率变化相类似。同一太阳能辐射强度下, 太阳能电池输出最大功率随电池温度上升而下降。同时, 最大功率点对应的工作电压也随温度上升而下降。

2 硬件电路设计

本系统是太阳能LED照明系统, 太阳能电池板的负载是蓄电池。白天只要太阳能转换成的电能 (最大功率处输出功率) 大于系统工作需消耗的功率, 即开始工作。在MCU的控制下, 对蓄电池充电。这里只对充电系统部分详细阐述, LED驱动[5]部分不作详述。

传统的充电电路部分是将太阳能电池通过二极管对蓄电池充电。二极管的主要作用是保证电流的单向流向性, 防止太阳能电池板电压比蓄电池电压低时的电流倒灌。再通过采用匹配蓄电池规格与太阳能电池板的规格使得效率不至于过低, 例如:对于12V规格的蓄电池, 则选用峰值电压为17V左右的太阳能电池板与其匹配工作;而对于24V规格的蓄电池, 则选用峰值电压为30V左右的太阳能电池板与其匹配工作。

这种传统的二极管式充电电路结构非常简单, 最大弊端在于充电时太阳能利用率非常低[6], 并且无法对充电过程进行控制, 导致严重影响蓄电池使用寿命同时, 影响蓄电池的充电效率[7]。对于传统充电电路, 随着太阳辐射能量的不同, 有三种情况分别是:

(1) 在太阳辐射功率较大时, 处于峰值功率处的电压比蓄电池电压大, 由于蓄电池的钳压作用导致太阳能电池板电压工作点只能比蓄电池电压略高。而太阳能电池板的功率输出同等条件下随着输出电压是先增大后减小, 即存在某一电压使得输出功率为最大值, 此电压称为峰值电压。电池板的工作电压与峰值电压相差越远, 输出功率越小, 如图6所示。

图6是太阳能电池板在某温度及太阳辐射强度下的伏安特性曲线示意图, 对于任意工作点, 与横坐标及纵坐标所围成的面积即为太阳能电池板输出功率。在太阳能电池板工作电压小于峰值功率电压时, 随着工作电压的提高输出电流下降, 但下降速度较慢, 输出功率增大。在太阳能电池板工作电压大于峰值功率电压时, 随着工作电压的提高输出电流急剧下降, 输出功率亦急剧下降。图6中A点是最大功率工作点, 面积 (1) 和面积 (2) 之和即为该条件下的最大输出功率。由于蓄电池的钳压作用, 对于12 V蓄电池系统, B点为实际的太阳能电池板的工作点。面积 (3) 和面积 (2) 之和为该条件下的实际太阳能电池板的输出功率。面积 (1) 与面积 (2) 之差即为采用传统的二极管式充电电路所损失的功率。

(2) 在太阳辐射功率较小时, 处于峰值功率处的电压比蓄电池电压小, 由于蓄电池钳压的作用导致太阳能电池板电压工作点只能比蓄电池电压略高, 从而导致太阳能电池板的实际功率输出比峰值输出功率要小。且同等情况下, 电池板的工作电压与峰值电压相差越远, 输出功率相差越大, 如图7所示:

图7是太阳能电池板在某温度及较弱太阳辐射强度下的伏安特性曲线示意图。太阳能电池板工作电压大于峰值功率电压时, 随着工作电压的提高, 则输出电流急剧下降, 输出功率亦急剧下降。图7中A点是最大功率工作点, 面积 (1) 和面积 (2) 之和为该条件下的最大输出功率。由于蓄电池的钳压作用, 对12 V蓄电池系统, B点为实际太阳能电池板的工作点。面积 (3) 和面积 (2) 之和为该条件下的实际太阳能电池板的输出功率。面积 (1) 与面积 (2) 之差即为采用传统的二极管式充电电路所损失的功率。

(3) 只有在太阳能电池板峰值功率处的电压与当前状态蓄电池电压相等时, 太阳能电池板实际输出功率才是太阳能电池板当前条件下峰值输出功率。而实际工作情况下, 太阳能电池板峰值功率处电压与当前状态蓄电池电压相等的时间几乎可以忽略不计。系统工作时, 绝大部分都是处于前面两种状态。

为最大效率利用太阳能, 必须设计电路系统在蓄电池电压和太阳能电池峰值电压功率不停变化时能自适应, 使太阳能电池板始终工作于最大功率处。考虑到太阳能电池峰值电压随温度及太阳能辐射强度变化而变化, 而系统所用蓄电池规格可以是12V也可能是24V。只具有升压或降压等单一功能的Buck和Boost并不能满足上述要求, 既能升压又能降压的拓扑结构为更佳选择。

可以知道既能升压又能降压的电路拓扑有BuckBoost变换器、Cuk变换器和Speic变换电路等。这三种变换电路最大区别在于Buck-Boost变换器和Cuk变换器都是输出电压与输入电压极性相反, 而Speic变换电路是输入输出同性。由于系统的MCU由蓄电池供电, 并且需要经常检测太阳能电池板的电压等, 若太阳能电池板输入电压和蓄电池电压极性相反, 给整个系统设计带来很多不便, 选用Speic变换电路问题便迎刃而解。基于MCU为控制器的充电电路子系统如图8图所示。

对于Speic变换电路, 关键的电路器件参数在于电感L1、L2, 耦合电容C2、输出电容C3, 开关管T及二极管D2。各器件参数设计如下:

Speic变换电路的传递函数是:

对于本系统, 采用的太阳能电池板是50W最大功率峰值电压是18V, 蓄电池是24V。考虑到太阳能电池板的峰值电压随太阳辐射强度变化而变化, 蓄电池端电压也随着其蓄电状态变化而变化, 作如下设计:

输入:13~20V

输出:24~28.8V

由于二极管存在压降, 依传递函数有

故可得Dmax与Dmin:

若电感L1、L2单独绕制, 具体电感量由下式决定:

其中, I为电流的纹波增量取0.6A,

f为系统的工作频率为97kHz。

由上式不难算出电感量, 取20%裕量, 最终选择0.3mH。若电感采用共轭绕法代替两个单独的电感, 则电感量可减半。电感2的峰值电流由蓄电池最大充电电流决定。对于本系统, 太阳能电池板功率为50W, 蓄电池为24V, 则最大充电电流可取3A。电感1的峰值电流由太阳能电池板的最大充电电流决定, 对于该规格峰值功率为50 W的太阳能电池板, 短路电流为3A, 方可选择3A为1的峰值电流。流过二极管的最大电流和2的峰值电流一致, 流过开关管的最大电流则和1的峰值电流一致。

接下来分别计算耦合电容C2、输出电容C3值。

其中△V2为耦合电容C2上的纹波电压, 取0.5V。f为充电电路的工作频率, △V3为输出电容C3的纹波电压, 取0.2V。将前面诸数据代入, 最终可以得出C2取20µF;C3取60µF。略加分析, 即可得出各主要器件所需最低耐压值。

3 最大功率跟踪 (MPPT) 控制策略

最大功率跟踪 (MPPT) 的方法有很多, 如开路电压控制法 (Open Voltage, OV) , 恒定电压控制法 (Constant Voltage, CV) , 扰动观测法 (Perturb and Observe, P&O) , 增量电导法 (Incremental Conductance, IC) , 模糊逻辑控制法 (Fuzzy Logic, FL) , 人工神经网络控制法 (Artificial Neutral Network, ANN) 以及这些方法的改进方法等等。

在这些方法中, 目前最常见的是扰动观测法 (P&O) 和增量电导法 (IC) , 而扰动观测法以其控制精度高, 实现成本低, 优势更强。

扰动观察法[1,8], 是一种基于实时控制的MPPT控制算法, 它通过对电路施加某一幅度的扰动, 改变太阳能光伏电池的工作状态, 同时观察并计算太阳能电池板实际输出功率大小。得到当前时刻值后, 将其与前一时间值进行比较, 通过对比结果确定下次扰动方向, 最终得出目标值, 从而使得太阳能电池板的工作输出最终稳定在最大功率点附近。

扰动观测法的实现原理为:K时刻以占空比DK工作, K+1和DK-1分别为K+1和K-1时刻的工作占空比;PK+1和PK-1分别为K+1和K-1时刻对应的太阳能电池输出功率;△D为扰动控制量;符号函数sign () 定义如下:

扰动观测法在进行最大功率点跟踪过程如图9所示, 整个算法进程共有以下三种状态。

通过算法后, 若系统当前处于状态A, 则下一时刻朝着D值增大的方向运行;若系统当前处于状态B, 则下一时刻朝着D值减小的方向运行;若系统当前处于状态C, 则K时刻对应的输出功率即为这条件下的最大功率点, D值即为目标值。系统经连续运行, 最终必然进入状态C, 从而完成本轮的算法控制。具体占空比值可由下式给出:

扰动控制量△D为系统中非常重要的参数, 为了加快系统寻优速度, 要求扰动控制量△D尽量大些。然而最大功率跟踪精度又要求扰动控制量△D要尽量小。这是一对矛盾关系, 为了实现相应的控制速度, 必定以损失控制精度为代价。

为了解决上述矛盾问题, 我们提出了极速扰动观测算法[1], 保证以最少能量损失最快速度完成最大功率跟踪控制的同时, 精度达到最高。极速扰动观测算法是吸收了二分寻优法这一快速寻优特点的扰动观测法。

设函数f (x) 在区间[D-△D, D+△D]中只有一个极大点, 在函数f (x) 极大点的左边上升, 右边下降.为寻找极大点, 可先用下法:

在区间[D-△D, D+△D]内取两点D-△D/2、D+△D/2,

计算f (D-△D/2) 、f (D) 和f (D+△D/2)

1) 若f (D)

2) 若f (D+△D/2) >f (D) , 则极大点必在[D, +△D/2]内;

3) 否则, 则极大点必在[D-△D/2, D+△D/2]内.

通过上述算法, 快速对△D进行二分, 每计算一次, △D便减半, 一旦△D小于某预定值, 上述算法便完成。而通过控制预定值, 便能达到我们想要的精度。进而使得极速扰动观测算法快速完成最大功率跟踪控制同时, 精度也达到最高。极速扰动观测算法程序流程图如图10所示。

4 实验结果

表1是实验中测得的带有MPPT功能的太阳能电池板对蓄电池充电功率与太阳能电池板接二极管对蓄电池充电功率的对比。

从表1可以看到, 带有MPPT功能的充电功率要明显比太阳能电池板直接串联二极管对蓄电池进行充电功率高, 而且太阳辐射能越大, 功率高得越多。在太阳辐射能很低时, 太阳能处于最大功率工作处的电压与蓄电池端电压加上二极管压降上的电压相近, 从而使得两种工作情况下的太阳能对蓄电池充电功率相近。

5 结论

提出一种MCU为控制器, 基于SPEIC电路, 以蓄电池为负载的MPPT系统。本系统主要用于太阳能离网式以蓄电池为储能环节的照明系统或发电系统。详细分析了智能太阳能最大功率跟踪系统的工作原理, 及电路系统设计和软件系统设计。以SPEIC电路为主电路, 即能升压也能降压, 使得系统对于不同规格蓄电池、不同规格太阳能电池板的应用场合均能自适应工作。同时, 针对常规MPPT扰动观测法寻优速度与控制精度相矛盾, 提出了极速扰动观测算法, 保证以最少能量损失最快速度完成最大功率跟踪控制同时, 精度达到最高。

摘要：随着社会的发展, 能源危机日趋严重, 太阳能的研究与应用也愈来愈受到世界各国的重视。然而太阳能电池特性是, 在温度和太阳能辐射等一致情况下, 其输出功率随着输出电压呈单峰曲线。采用最大功率跟踪 (MPPT) 能大幅提高功率输出, 实际对于太阳能应用, MPPT必不可少。提出MCU为控制器的嵌入式SPEIC电路系统, 实现最大功率跟踪。结果表明, 系统在各种辐射强度下均明显增加了输出功率。

关键词：太阳能,最大功率跟踪 (MPPT) ,充电,SPEIC,电路

参考文献

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[2]毛明, 黄念慈.铁氧体磁心电感的设计[J].电工技术杂志, 2002, 12:30～33

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[4]王健.太阳能驱动的LED照明系统研究[D].上海:上海大学, 2009

[5]刘卓, 李志豪等.基于蓄电池供电的自适应LED照明系统[J].中国照明电器, 2009, 4:1～4

[6]陈敏, 太阳能电池最大功率点追踪的控制策略[J].太阳能学报, 2007, 28 (12) :1317～1320

[7]FengBo.Intelligent Controller for LEDs Lighting Systems Supplied by Batteries[C].IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, 2008.

系统功率 篇11

为了有效实现对微波功率器件的热特性分析，在瞬态红外设备基础上开发了一套用于获取微波功率器件降温曲线的测量系统。分析了瞬态红外设备的原理，并根据降温曲线测量的需要对设备进行改造，开发了数据采集和处理系统，扩展了原有设备的功能，重新设计了测温流程、数据处理算法和相应的软件系统，实现了对GaN HEMT器件不同工作条件下降温曲线的测量。测量的降温曲线满足现有国际标准JESD51系列的要求，在器件热特性分析方面具有较好的应用前景。

关键词：

红外测温技术； 降温曲线； 电学法

中图分类号： TN 219文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.02.002

Abstract：

A set of cooling curve measurement system for microwave power devices was developed based on a transient infrared tester in order to analyze the thermal characteristics of power devices.Working principles of the transient infrared tester were analyzed.A set of data acquisition and process system was developed to replace the corresponding part of the transient infrared tester.The working procedure and data processing software were designed to meet the demands of cooling curve measurement.Cooling curve of GaN HEMT device was obtained under varied working conditions.The obtained cooling curve fulfilled the requirements of JESD51 standard series.

Keywords：

infrared thermal measurement technique； cooling curve； electrical method

引言

微波功率器件正向着大功率、高频的方向发展，器件的工作温度或者结温越来越高，器件热特性（热阻、结温、接触热阻及器件各层的热阻和热容）分析的重要性也日益凸显。为了有效地检测和分析微波功率器件的热特性，国际固态物理委员会（JEDEC）制订了JESD51系列的国际标准，用以指导对微波功率器件的温度、热阻及结构特性的检测和分析[12]。

电学法是器件热分析的传统方法，利用器件电参数的温度特性测量器件温度，用于热阻[3]等特性分析。在国际标准中，为了实现对热阻等参数的测量，规定需要获取器件的降温曲线，并采用基于热阻抗原理的结构函数方法对曲线进行分析以获得器件相关的热特性参数。现有的电学法热阻测试仪，如T3ster和Phase11等都采用了降温曲线的方法，该方法也被美国等多个国家的标准所采纳[46]。但是，由于电学法热阻测试仪的测量电路与器件的工作电路相连接，会影响器件的真实工作条件，导致测量结果的偏差。并且电学法热阻测试仪在GaN HEMT等新兴器件的检测方面还不够成熟，无法满足这些器件的检测需要，因此电学法的应用受到了一定限制。

显微红外热像仪将红外测温技术应用于微波功率器件温度检测，能够在不影响器件工作状态的条件下测量器件温度，逐渐在微波功率器件热分析领域推广普及[79]。但是，目前在半导体行业应用的显微红外热像仪不具备降温曲线的测量能力，无法满足JEDEC标准的要求，无法有效获得器件各层材料的热容、热阻及总体热阻等关键热特性参数的信息。因此，本文在现有具备高速测量能力的瞬态红外设备基础上，开发了一套数据采集及处理系统，以获取器件的降温曲线，为微波功率器件尤其是新兴GaN类器件的热特性检测和可靠性分析提供参考。

1系统方案设计及实现

现有的瞬态红外设备提供高速测温功能，但其只适用于脉冲工作条件下器件瞬态温度特性的测量，与测量降温曲线的需求差异较大，无法直接应用于器件降温曲线的测量。表1列举了两种应用对设备要求的主要差异。

瞬态红外设备的基本构成如图1所示，控温平台根据红外测温需要调整被测器件的基础温度，伺服系统承载显微红外光学系统完成位置调整和对焦，光学系统将捕捉到的红外辐射传输至高速红外探测器，后者将红外信号转换为电信号，经前置放大后由工控机的数据采集卡采集，并进行后续的数据处理、分析、显示和储存。此外，工控机还负责控制伺服系统和控温平台完成用户要求的动作。

1.1方案设计

通过前面的比较可以看出，测量降温曲线的需求差异主要体现在数据处理部分，因此我们在现有瞬态红外设备的硬件基础上进行改造，用自行开发的数据采集和处理系统取代设备原有的配套工控机的数据采集和数据处理部分，设计新的数据处理算法和测温流程以适应降温曲线测量的需要。

我们采用了高性能的数据采集卡采集高速红外探测器输出并经过放大后的电信号，将其转换为数字信号后交由软件处理。测温流程如图2所示，首先通过测量或者用户直接输入发射率，然后进行背景辐射测量获得背景辐射数据用于修正，接下来测量目标红外辐射强度获得电平数据，并利用之前获得的背景辐射数据进行修正，修正后的数据根据目标发射率和预先得到的电平温度关系数据进行换算，即可得到温度数据，最后对温度数据进行处理。

根据斯蒂芬玻尔兹曼公式，物体在一定温度T下，单位面积、单位时间内所发射的全部波长的总辐出度为

M=σ εT4（1）

式中：M为辐射单元的全波长总辐出度，单位为W/m2；ε为辐射单元表面发射率，无量纲；σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数，其值为5.67×10-8 W·m-2·K-4；T为辐射单元表面温度，单位为K。在确定ε的前提下，可以根据辐射强度确定被测物体的温度。

发射率ε定义为物体辐出度M与同温度下黑体辐出度M0之比，即

ε=MM0

（2）

由于仪器的响应电信号与被测物体的辐出度成正比，因此可以在参考温度下测量目标红外辐射得到电平值V，并在相同温度下测量黑体红外辐射得到电平值V0，两者之比即为目标发射率，因此式（2）可以表示为

ε=MM0=VV0

（3）

电平温度关系数据是将修正后的电平数据换算为温度的依据，该数据可以通过在一系列标准温度下测量黑体得到。为提高效率，电平温度关系数据预先获得并存储在文件中，软件在启动后读取该文件，并利用其中数据通过拟合算法生成电平温度函数，测温过程中直接利用函数关系计算出对应温度值。

1.2系统的实现

数据处理部分主要包括数字滤波、块平均和下采样，其中块平均的数据块大小以及下采样的采样率可以根据需要逐段调整。由于数据采集卡在改变采样率时需要重新初始化，在一个record的采样过程中不能更改，而初始化过程的时间不能严格确定，因而我们令数据采集卡运行在固定的高采样率下，通过块平均和下采样来控制输出的数据量。在一次降温过程（对应于一个record）中，初始阶段曲线比较陡峭，需要高采样率分辨曲线的细节，此时我们只进行块平均来抑制噪声，而不进行下采样；随着时间推进，曲线会逐渐趋于平缓，同时我们会引入下采样并逐渐降低采样率，从而在保持足够时间分辨率的前提下有效降低数据量。

软件部分利用LabVIEW开发，包括数据采集卡的控制和数据读取、数据处理和储存以及用户界面，软件主要模块功能关系如图3所示，用户界面如图4所示。

2结果分析

2.1系统准确度验证

在系统开发调试完成后，对标准面源黑体的温度进行测量，以验证系统测温的准确性。实验结果如图5所示，实验数据点以十字表示，实线是实测温度等于设定温度的参考线，实测温度与设定温度的最大偏差为0.7 ℃（出现在95 ℃和105 ℃处）。

我们还与瞬态红外设备的测量结果进行了对比，来进一步验证所开发的系统的有效性。由于瞬态红外设备只能测量稳定的周期信号，我们在自行开发的系统中也增加了周期测量模式，以方便对比。

实验装置如图6所示，被测目标依然为面源黑体，在面源黑体与物镜之间插入光学斩波器，通过调制红外信号模拟辐射温度的变化，从而验证自行开发系统在测量变化信号时的性能。

光学斩波器调制频率设定为1 kHz，保持实验条件不变，先后使用瞬态红外设备原有系统和自行开发的系统测量，实验结果如图7所示，图7（a）为瞬态红外设备测量的结果，图7（b）为自行开发系统的测量结果，其中方波为驱动光学斩波器的同步信号。可以看到，两者均能够正常测量周期变化的信号，周期为1 ms，与斩波器设定吻合。

选用RFMD公司的一款GaN HEMT器件（型号为RF3928）作为被测件进行降温曲线测量实验。我们通过调整栅压控制器件的功率，得到若干不同初始状态下的降温曲线，具体实验条件如表2所示。

设定系统采样率为10 MS/s，平均块为1 000个样值，此时能够分辨的最小时间间隔为100 μs。我们给被测器件施加表2所示实验条件，待器件状态稳定后，撤掉漏压并捕捉器件的降温曲线，测量时间为120 s，实验结果如图8所示。

图8横轴为对数形式的时间轴，纵轴为温度，从上到下4条曲线依次对应表2中4种实验条件。可以看出，不同耗散功率下器件的初始温度不同，但是曲线形状基本相同，都存在一段比较迅速的降温过程，然后降温速度变缓并最终趋于同一个最终温度。

3结论

本文实现了基于红外测温技术的器件降温曲线的测量，测量的降温曲线能够满足国际标准对器件热特性分析的要求。根据降温曲线测量的需要，利用瞬态红外设备的硬件基础，通过自行开发的数据采集系统和数据处理软件实现了降温曲线测量功能。通过实验验证了系统的有效性和准确性，并成功获取了GaN HEMT的降温曲线。由于红外测温技术不会受器件的种类、电路连接及工作条件的影响，本系统可以适用于任意器件降温曲线的测量。根据JESD51系列国际标准，获得的降温曲线可以采用与传统电学法相同的技术进行分析，得到反映器件纵向热特性的结构函数。该技术适用于任何种类的微波功率器件的降温曲线测量，应用前景广泛。

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脉冲功率高速数据采集系统实现 篇12

关键词：脉冲功率,数据采集,高速A/D转换器,MAX120,抗干扰

0 引言

脉冲功率技术具有高电压、大电流、高功率、强脉冲的特点[1,2]。脉冲功率系统是将储存的由低功率能源提供的能量，经高功率脉冲发生器转换成高功率脉冲，并传导给负载的装置。如今，脉冲功率已被广泛应用于工业、民用等领域，其在环境保护、生物医疗、目标探测、工业加工、超导储能等方面也已体现出广阔的应用前景[3,4,5,6,7,8,9]。

脉冲功率放电过程是一个瞬态过程，功率脉冲宽度通常只有几百微秒，甚至几百纳秒，且流过放电负载的电流是瞬时脉冲大电流，因此可靠测量脉冲放电电流将是检测脉冲功率放电波形可控性和重复性的有效措施。以数字信号处理器(简称DSP)为代表的新一代微处理器，具有机器周期短、指令丰富、数据处理能力强等特点，可与高速A/D转换器共同构成用于脉冲功率技术的高速数据采集系统(简称高速DAS)[10]。

在此，基于TMS320F206 DSP和MAX120高速A/D转换器提出了一种脉冲功率高速DAS的设计方案。该系统采样频率为200 kHz，并可实现4路以上多输入信号的同步数据采集。实验结果表明，该数据采集系统不仅具有很好的采样准确性，而且具有较高的实际应用价值。

1 脉冲功率高速DAS工作原理

图1为所研究的高速DAS及其应用对象———脉冲功率装置的原理图。图中，CZ和CY分别为主电离和预电离储能电容器组;R和L分别为放电回路等效电阻和电感;LT1～LT10为10路放电支路调波电感;TL1～TL10为10路放电支路连接电缆;XDFZ1～XDFZ10为10路氙灯放电负载;SZ和SY分别为主电离和预电离放电开关，本脉冲功率装置中采用引燃管;Rogowski线圈1～10为10路脉冲功率放电电流采集传感器;高速DAS由3个具有相同软件和硬件结构的4路高速数据采集模块构成;控制终端用于脉冲功率电离流程的操作和放电电流曲线的显示。

该脉冲功率装置通过控制终端进行主、预储能电容器组储能。当电容器组储能达到储能电压设定值后，利用远程通信光纤启动高速DAS，使其进入数据采集准备状态。随后由控制终端发出主、预电离触发信号，一方面，触发主、预引燃管，使电容器组储能对10路氙灯放电负载进行脉冲放电;另一方面，同时作为高速DAS的数据采集启动信号，使其进行高速数据采集。整个主、预电离过程结束后，控制终端按照制定的通信协议，通过远程通信光纤获取高速DAS采集的脉冲功率放电电流数据，并进行放电电流的曲线显示。

2 多路高速数据采集模块的硬件设计

图2为构成高速DAS的多路高速数据采集模块的原理图。如图所示，该模块由4路采样信号调理电路、4个MAX120 A/D转换器、串行EEPROM存储器、TMS320F206 DSP、光纤收发电路组成。

为了达到200 k Hz采样频率，所设计的高速数据采集模块采用MAX120 A/D转换器，它是带采样电路的12位双极性A/D转换器，内含1路跟踪/保持器，可实现高达500 k SPS的采样速度[11,12]。通过对MAX120 A/D转换器的工作时序和DSP读写工作时序的适配分析，从提高数据采集模块性价比的角度出发，图2所示的多路高速数据采集模块采用1个DSP配置4个MAX120的同步数据采集结构。由于1个MAX120 A/D转换器内部只带1个采样保持器，因此模块中设计了4路相互独立的信号调理电路，调理电路的输出信号分别作为4路A/D转换器的输入。

该模块完成的功能包括：对由Rogowski线圈传感的脉冲放电电流输入信号，进行适配于A/D转换器输入信号的信号调理;利用光纤信号传输的抗干扰能力和DSP的外部中断功能，在电离触发信号到来时，同步启动4路数据采集;利用DSP的数据线和控制信号对A/D转换器进行放电电流信号的采集和信号的A/D转换，同时利用控制信号将采集的放电电流数据转存至EEPROM存储器，以防止强电磁干扰造成放电电流数据的丢失;利用DSP的通信功能，一方面通过接收光纤接收来自控制终端的数据采集准备指令或数据查询指令，另一方面在收到数据查询指令后，通过发送光纤向控制终端传送放电电流采集数据。下面介绍图2中信号调理电路、DSP与MAX120 A/D转换器及EEPROM的接口电路。

2.1 信号调理电路

脉冲功率技术的特点使其在脉冲功率放电过程中产生强大的电磁场，该电磁场会造成强烈的电磁干扰，从而影响脉冲功率放电电流数据采集的准确性。为了解决上述问题，图1所示Rogowski线圈测量电路采用外积分工作方式。该方式下，Rogowski线圈的感应电动势与线圈尺寸、匝数及一次电流有关，而受外磁场和通流导体位置的影响小[13,14]。通过对Rogowski线圈的输出电势进行积分即可还原出被测电流[15,16,17,18,19]。图3为多路高速数据采集模块中4个调理电路的原理图。

图中，Rs为Rogowski线圈的外接取样电阻;并联电容C2和C3为隔直电容，用于去除采样信号中的直流分量;R3和R6分别为两级运放的平衡电阻，用于消除运放内部静态基极电流对输出电压的影响，并抑制输出电压漂移，提高测量精确度。负载输入电阻R1垌Rs，以减小输入阻抗对取样电压的影响;二极管VD1和VD2用于限制运算放大器输入信号电压范围。

R1、R2、C1及其运算放大器共同构成有源积分环节，对输入的采样电压信号进行积分，使之还原成被测电流波形信号。设Rs上的取样电压为us(t)，第1级运放的输出电压为u1(t)，由图3可得：

考虑有源积分电路中，为消除输入信号中直流分量对积分饱和性的影响，R2通常取值较大，因此式(1)中右边u1(t)/R2项可以忽略。则由式(1)可得u1(t)表达式：

R4、R5及其运算放大器共同构成反相比例放大环节。对u1(t)进行极性反相和比例放大调整，由图3可得uo(t)表达式：

2.2 DSP的接口电路

图4为多路高速数据采集模块中DSP与MAX120和EEPROM存储器等外部设备的接口电路。图中各A/D转换器都工作在其5种工作方式中的第1种工作方式[10]。DSP通过复位控制信号线XF同步启动4路A/D转换器，进行信号采样和数据转换，XF复位0.2μs后，置位XF，再延时2.5μs后，利用DSP外部设备读写指令、74LS138译码器以及数据线，读取各A/D转换器的转换数据。数据读取结束，且此轮操作从复位XF开始时间持续达到5μs，再次复位XF，开始新一轮的信号采样和数据读取。当DSP达到预定持续采样时间2 ms后，就利用其IO控制信号线，将所读取并存储在DSP芯片内部数据存储区的实时采样数据依次转存入24LC32串行EEPROM存储器内。在控制终端请求查询放电电流数据后，DSP首先从EEPROM存储器内将最近一次放电电流数据读出，然后通过图2所示的通信光纤，将数据传送给控制终端。

3 多路高速数据采集模块的软件设计

根据前面介绍的多路高速数据采集模块的工作原理，进行了该模块的软件编程，其程序流程框图如图5所示。该程序主要包括控制命令查询主程序、放电电流数据查询响应子程序、放电电流数据采集子程序。

各模块通过软件进行编址，以实现多个数据采集模块的并列运行和多路采集数据的查询。同时，程序设置了等待电离信号的30 s延时功能，以避免因电离准备命令引起的程序等待死循环。

4 实验结果

由Rogowski线圈输出的微分电流，经分流器后转换成数字示波器能测量的电压信号，图6即为与实际脉冲放电电流对应的真实测量信号。实验中，主储能设置电压为23.5 kV，预储能设置电压为23 kV，主、预电离的时间间隔为250μs。图中主脉冲测量峰值电压对应的峰值电流为23.5 kA，脉冲宽度约640μsㄢ

图7为相同实验条件下，利用多路数据采集系统测量的6个放电支路的电流波形。图7中的放电支路主脉冲放电电流峰值和脉冲宽度测量结果，与图6的实际测量结果吻合。各支路脉冲峰值电流的测量相对误差不大于0.7%，主脉冲宽度(主脉冲电流值大于10%峰值电流的脉冲宽度)测量相对误差不大于2.4%。实验结果表明所实现的多路高速DAS具有很好的测量精度和很高的抗干扰性，并可有效检测脉冲功率放电电流波形的可控性和重复性。

5 结语