死区（精选8篇）
死区 篇1
0 引言
母联死区是指故障点位于母联开关与母联TA间, 当母差动作发母联跳令后, 母联开关虽跳开, 但故障点仍存在[1~8]。虽然不同厂家针对母联死区故障的解决方法各异, 但原理大致相同。本文将分析母差保护原理, 并基于一起现场保护调试提出母联死区保护调试方法, 以供保护调试人员参考。
1 母联死区保护原理分析
对于双母线或单母分段系统, 母联单元上一般只安装一组电流互感器[9], 如图1所示。
小差为每段母线上所有元件 (包括母联或分段) 构成的差流, 结合基尔霍夫定律可知I母小差电流为 (i1+i2) +im=0, II母小差电流为 (i3+i4) -im=0。大差为不包括母联 (或分段) 的母线上所有元件构成的差流, 故大差电流为i1+i2+i3+i4=0。因为大差为启动元件, 用以区分母线区内外故障, 而小差为故障母线选择元件, 所以正常运行条件下母差保护不启动。
设母联断路器和母联TA间k3点发生故障。该故障对I母而言是区内故障, 对II母而言是区外故障, 则大差电流为i1+i2+i3+i4>Idz, I母小差电流为i1+i2+im>Idz, II母小差电流为 (i3+i4) -im=0。大差和I母小差元件动作, 由I母差动保护动作依次跳开母联断路器及I母连接元件, 但母联电流仍存在, 此时大差电流为i3+i4>Idz, I母小差电流为i1+i2+im=im, II母小差电流为 (i3+i4) -im=0。
按照上述差流算法可知, II母小差电流为零, 故障不能切除。解决方法是母联跳开后, 若母联仍过流, 则经延时将母联电流退出差流计算, 使II母小差满足动作条件, 以达到切除故障点k3的目的。 具体计算方法: 大差电流为i3+i4>Idz, I母小差电流为i1+i2=0, II母小差电流为i3+i4>Idz。
2 现场调试状况
某220kV站采用南瑞RCS915和四方CSC150母线保护装置组成双重化配置。在进行死区保护检验时, 参照保护装置说明书的一次系统接线 (如图2所示) 模拟母联死区故障。
调试动作报文显示:RCS915保护装置依次跳母联、II母所连断路器, 再跳I母所连断路器;而CSC150保护装置依次跳母联、I母所连断路器, 再跳II母所连断路器。可见, 在同一个变电站, 母联死区发生故障时, 两套母差保护装置表现出了完全不同的动作情况。
3 现象分析及处理措施
对比两种保护装置说明书的一次接线图发现差异在于, 南瑞装置中母联TA直接与I母相连, 而四方装置中母联TA经母联断路器与I母相连。后实地查对现场接线, 该站一次接线图与四方的一致。因此, 为确保保护装置正确动作, 在对RCS915保护进行调试时应按照实际一次接线设计故障, 而不是采用其说明书上的一次系统接线图。
结合母联死区保护原理分析可知, 在调试中必须满足以下条件:
(1) 母线差动保护发过I母跳令。
(2) 母联断路器已跳开 (TWJ=1) 。
(3) 母联TA任一相仍有电流。
(4) 大差比率差动元件动作后一直不返回。
为了解决以上问题, 将该站南瑞的保护调试方法进行了调整。首先在调试中分别选择I母和II母上任一TA变比相同的支路 (若变比不同, 则需进行相应电流换算) ;然后在各支路和母联的同相输入电流, 保证电流大小满足大差和小差门槛值, 相位满足实际原理接线图, 即母联ML、线路L1、 线路L2 的TA同极性串联, 实现条件 (1) 、 (3) 和 (4) ;此外, 为了实现条件 (2) , 将保护装置的母联ML跳闸出口接点接入母联跳位开入位置。
另外, 由于BP-2B微机母线保护装置考虑了母联开关ML状态对母联死区保护的重要性, 因此将ML的常开接点 (或HWJ) 、常闭接点 (或TWJ) 同时引入装置, 以便相互校验。母联死区保护校验时, 利用母联ML跳闸出口接点带动试验仪的一对常开和常闭接点模拟HWJ和TWJ, 并同时接入母联跳位开入位置。
按照上述方法进行调试, 两套保护装置动作报文一致, 正确动作, 满足现场实际要求。
4 结束语
母联死区保护原理基于基尔霍夫定律, 在保护校验工作中必须以此为依据, 才能准确地对装置的试验结果进行分析论证。此外, 母联死区保护校验工作必须以现场一次接线为准, 如此才能保证保护装置能够正确及时切除实际故障。
摘要：基于基尔霍夫第一定律, 从数学角度论证母联死区保护原理, 并结合该理论解决某220kV站两套母线保护装置现场调试动作报文不一致问题, 分析表明现场调试应以实际一次接线为主。
关键词：母联,死区,大差,小差,调试
参考文献
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死区 篇2
关键词：矢量量化；码率分配；带死区的格型矢量量化器
中图分类号：TN919.8 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 08-0000-01
Fast Bit allocation Algorithm of Wavelet Image on DZLVQ
Tie Feng
(Haerbin University of Commerce,Haerbin150028,China)
Abstract:Dead zone of the lattice vector quantization(DZLVQ)give a new rate-distortion function close rate allocation method.Can be obtained by fitting the exponential function with a dead zone lattice vector quantization(DZLVQ)the rate-distortion function(RD).
Keywords:VQ;Bit allocation;DZLVQ
一、引言
压缩算法要求权衡视觉质量、压缩比和计算复杂度之间的关系。对于一幅静态数字图像，变换编码特别是多分辨率离散小波变换是当前最流行的压缩方法。实际上，小波系数可以在率失真函数的指导下进行有效的量化和编码，离散小波变换被应用于著名的SPIHT算法和JPEG2000标准。单独考虑多分辨率分解后的各小波子带，就必须解决各小波子带的码率分配问题。在本文中，我们提供一个完整的量化过程，图像经过多分辨率小波变换之后，采用带死区的格型矢量量化（DZLVQ）[1]对小波系数进行量化。DZLVQ方法有较好的性能，由于它允许忽略不重要的小波系数块，从而达到分配给重要的小波系数块较多码率的目的。本文提出一个简单的指数模型用于拟合DZLVQ率失真曲线，基于此模型可以采用解析的方法解决码率分配问题。此方法相对于实际数据多次调用迭代得到率失真曲线计算复杂度大大降低。
二、带死区的格型矢量量化（DZLVQ）
带死区的格型矢量量化（DZLVQ）的死区半径如图1所示。因此，任何一个输入矢量如果小于那么它被零矢量替代，如果它大于则用快速格型矢量量化算法进行量化[2]。在失真一定的条件下，较多的码率被用于重要矢量，因此DZLVQ被应用于低码率矢量量化。带死区的格型矢量化器要求对每一个小波子带确定两个参数：伸缩因子γ和死区半径。调整这两个参数使得在最小是失真的条件下，达到分配给每一子带的码率达到目标码率。
函数用于计算在γ和的情况下的失真。可以证明，可以简化为单变量函数。为了简化码率分配过程，本文提出了一个简单、精确的指数模型用于拟合率失真曲线。
图1
三、率失真函数的逼近及相应码率分配
码率分配方法可以被分为两大类：一种是拉格朗日方法动态分配、另一种是基于率失真函数的模式化分配。第一种算法的复杂度仅仅取决于优化算法的收敛速度，每一次迭代取得的R-D的值，都需要大量的计算[3]。为了降低复杂度，我们采用的率失真模型从而降低计算R-D的值的复杂度。下面，我们给出带死区的格型矢量量化的率失真函数的性质，凭借这些性质我们可以设计出有效快速的码率分配方法。我们首先根据指数模型给出近似值，然后根据相应的码率分配问题，给出简单的、可解析的算法。
（一）指数模型
指数率失真模型：
为输入矢量的方差，R为目标码率，，g（0）=1。带死区的矢量量化器拟合R-D曲线的指数模型：
参数C和a可以通过使用一个对数线性回归得到，=，k=1，...，L，是码率下的失真。
图2给出在实验得到的lena图像子带率失真函数同我们所给模型逼近的比较。正如所看到的，给出的模型是精确的。
图2
（二）码率分配的复杂度
我们需要计算三个率失真的值来确定小波子带模型的参数，可以通过上式计算出整幅图像的码率分配的复杂度。
表示基本操作（加法、乘法、除法）表示搜索到最小失真的平均迭代次数，例如图像Boat的码率就可以达到0.25 bpp，C值可以下降到63 operations/pixel。
四、实验结果
实验表明，对于不同小波子带FA-DZLVQ与LA-DZLVQ码率分配方法非常接近目标码率，并且非常近似实验所得率失真曲线。FA-DZLVQ与LA-DZLVQ在视觉上产生了很好的效果。此外，拉格朗日算子法需要进行大量的数据计算，它的收敛速度取决于初始值，因此FA-DZLVQ比LA-DZLVQ节省45%的计算量。对于Boat图像，当码率为0.125 bpp时，FA-DZLVQ的PSNR接近SPIHT并且优于JPEG2000。
参考文献：
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解决漏电保护的死区问题 篇3
随着我国经济建设的发展和人民生活水平的提高,各经济、政治、文化部门重要用电设备不断增加,用电设备和人身安全的保护自然成为了一项至关重要的工作。漏电保护器经历了一般型、脉冲型、鉴相鉴幅型等发展阶段,但是死区问题却依然存在。
1 机械式漏电保护缺陷
漏电流随气候、设备老化或其他条件发生的变化是比较缓慢的,漏电流从一个值过渡到另一个值要几秒甚至儿分钟的时间,即缓变电流,其额定动作值IΔn一般整定为100~220mA。而突变电流总是突然变化,在人畜触电或设备突然损坏时产生,它在瞬间达到其额定动作值IΔn’,IΔn’一般设定在30mA。由于缓变电流和突变电流的额定动作值不同(IΔn>IΔn’),在漏电保护时就需要对这两者区分处理,保证漏电保护器的可靠性和安全性。
针对这种情况,电流脉冲动作式漏电保护方式是比较可取的。机械式的脉冲动作式漏电保护器通常设有两个漏电监视通道,一路用来检测突变电流,另一路用来检测缓变电流,两路的动作整定值不同,缓变动作电流一般整定为100~200mA,突变动作电流一般整定为30~50mA。但是,从整定值我们却不难看出这种机械式漏电保护的一个不足,整定值过大。我们国家标准中规定:一般条件下,交流允许安全电流值为10mA[1]。由于机械式保护受灵敏度、机械脱扣延时、保证不误动作和死区问题等因素的影响,导致其理论整定值远大于交流允许安全电流,从而使人身伤亡依然以大概率出现。另外一个不足在于动作死区问题,下面进行理论分析。
设触电发生在任意一相,如A相,突变电流与线路缓变电流间的相位差角为φ,则φr=0,φL=φ,就可以得到大小为
对于电流脉冲动作式漏电保护,当触电发生时,突变电流汇入线路,缓变电流形成新的漏电电流,其前后的变化量为
取这个变化量ΔI作为漏电保护的动作信号,当ΔI达到整定值时,推动保护装置动作。将式(1)代入式(2)得
因此,当设置Ir为50mA,IL为100mA时,如图一所示,若整定值IΔn’为30mA,则出现了63.9°~139.5°和220.5°~296.1°两个死区范围。当相位差角在这两个角度区间内,即使Ir为50mA,远超过了设定IΔn’值,也不会发生保护动作。
当设置Ir为10mA,IL为100mA时,如图二所示,若整定值IΔn’为10mA,则整个区间都成为死区,保护器拒动作。
从图一、图二即以上分析可以看出:IΔn’值越小,灵敏度越高,但死区范围越大。因此,鉴于机械式电流脉冲动作保护器的灵敏度和死区之间的矛盾,我们推荐一种基于微控制器的漏电保护器,采用逐值检测的算法,利用漏电幅值和相角的变化来判定缓变电流和突变电流的情况,从而正确动作,可以解决上述矛盾。
2 逐值检测法分析
如图三所示,是电网缓变电流曲线,是测得的信号电流,其每一时刻的电流值都是缓变电流和突变电流的矢量和。由于在较短的一段时间内,缓变电流是相对不变的,大小可以等于前一时刻的缓变电流的值,即图三虚线所示,所以在t1到t3的每时刻电流突增值即突变电流就可以计算出来。
逐值检测法指将对应时刻的漏电流值与前一周期对应时刻的缓变电流值相减,我们就可以在每个周期内确定的时刻采样得到有效的信号值ΔI,然后将连续三个周期相对应时刻的ΔI值进行比较处理。这里以第二个采样点为例来阐述,如图四所示。当前采样时刻t21的ΔI与设定值作比较,若大于设定的差值IΔn’(突变电流动作整定值),再判断后续两个周期相对应时刻t22和t23的ΔI值,均大于突变电流动作整定值,则确定是突变电流,发出执行信号,继电器动作;若后续两个周期中相对应时刻t22和t23的ΔI值,如图五所示,均小于突变电流设定动作值,则确定为缓变电流,更新原来缓变电流的记录A为(A+h2),而差值h1可能是干扰信号。一直这样进行下去,记录的缓变电流值达到其动作整定值IΔn时,应发出执行信号,继电器动作,保护设备和人身。
这样就杜绝了死区问题,有效地防止了保护器拒动作和误动作所致人身触电危险的发生。即使有危险发生,也会在超过人体承受的安全电流(大小自行设定,且可更改)之前关断电源,保护人身。
3 结束语
在用电设备种类越来越繁多的今天,因设备带电而引发的触电为数不少。我们迫切需要一种无死区漏电保护器,避免对设备和人身造成危害。重要的是,采用这种方法作漏电保护,对其硬件电路器件的精度要求是很高的,表现为系统精度和零点检测精度。由于实际电网周期不稳定,存在微小波动,集成运放差分放大三极管特性的不完全对称,会导致零点检测存在误差。在设计时必须考虑并采取有效方法避免这些问题,否则达不到漏电保护的灵敏度和精度。还有,上面描述的方法,采样的点数越多,判断就越准确,误动作现象就越少发生,保护器的安全性和可靠性就越高。由此可见,死区是可以预知并解决的,通过这种检测方法可以提高漏电保护器的可靠性和安全性。
参考文献
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[2]国家机械工业委员会.工厂供电[M].北京:机械工业出版社,1988.
母线死区故障保护逻辑的改进 篇4
关键词：双母线,母联,差动保护,死区故障
0前言
母线是输变电设备中最为重要的元件之一, 母线起着汇集和分配电能的作用, 母线发生故障将造成非常严重的后果, 因此考虑到系统运行和操作的可靠性, 国内110~220 k V母线大都采用双母线接线方式, 在母联断路器两侧装设一组或两组CT[1,2]。尽管现代微机保护技术已经相当成熟, 但母线微机保护中仍有一大难点, 那就是在母联断路器和母联CT之间发生故障时, 母差动作跳故障母线以及母联断路器后, 故障依然存在, 还要跳另一条母线, 保护不能正确有选择性地切除故障母线, 这种故障称为“死区故障”[3]。现有母线微机保护的保护原理采用带比率制动特性的差动保护, 并针对死区保护设置了相应的保护逻辑。
文中首先介绍带比率制动特性的差动保护原理, 对母联带单侧CT和双侧CT情况下的母线故障和死区故障保护动作逻辑进行了分析, 指出现有保护逻辑的优缺点, 最后对母联配置双CT时的死区保护逻辑进行了改进。
1 比率制动差动保护原理
母线主保护常采用比率制动差动保护, 设置大差及各段母线小差, 大差计算除母联 (或分段) 外母线上所有元件构成的差流和制动电流, 小差计算每段母线上所有元件 (包括母联或分段) 构成的差流和制动电流。大差作为启动元件, 用以区分母线发生区内故障还是区外故障, 小差作为故障母线的选择元件, 判别故障处于哪段母线上。大差、小差均采用带有比率制动特性的电流差动算法, 其动作方程为[4]:
式 (1) 中, Id为差动电流, Ir为制动电流, I0为差动电流门槛, K为比率制动系数。当大差和某段小差都满足判据时, 判为母线内部故障, 母差保护动作, 跳开相应母线上的所有断路器。对于双母接线母联配置双CT, 大差与小差的保护范围如图1所示。
2 双母线保护原理
双母线的主保护、失灵以及死区保护逻辑如图2所示, 各段母线的小差经复压闭锁, 如小差和大差同时满足时保护出口跳故障母线;母联配置单侧CT发生死区故障时, 先跳故障母线和母联断路器, 通过确认母联断路器位置在分位, 经延时后封母联CT, 使母联CT电流不计入小差, 破坏另一条母线的小差电流平衡, 跳此母线, 切除故障, 实现死区保护。母联配置双侧CT发生死区故障时, 两条母线的小差均动作, 直接跳两条母线。
2.1 双母线母联配单侧CT时的保护
双母线母联配置单侧CT时的接线如图3所示, 母线保护会遇到下面三种故障:
1) 母线出线k1点发生故障, 对于母线保护来说为区外故障, 母线保护不动作。
2) Ⅰ母k2点发生区内故障, 大差动作, Ⅰ母小差动作, Ⅱ母小差不动作, 母线保护瞬时跳母联断路器和Ⅰ母, 故障切除。
3) 母联和母联CT之间k3点发生区内故障, 大差动作, 对Ⅱ母小差来说为区外故障, Ⅱ母小差不动作;对Ⅰ母小差来说为区内故障, Ⅰ母小差动作, 保护瞬时跳开母联和Ⅰ母上连接的所有断路器。但此时Ⅱ母依然向故障点供给短路电流, 实际上故障并没有切除, 针对这种情况, 保护在母联跳后经整定延时检测母联断路器的位置, 若母联处于跳位, 则母联CT电流不计入Ⅰ、Ⅱ母小差计算, Ⅱ母小差的电流平衡被破坏, 产生了差流, 使Ⅱ母小差动作, 最终切除故障。若没有把母联的位置信号引入保护装置, 或者保护没有识别到母联的位置, 则保护自动按母联失灵来处理, 经延时跳Ⅱ母。
2.2 双母线母联配双侧CT时保护
双母线母联配置双侧CT时的接线如图4所示, CT1的极性与Ⅰ母元件一致, CT2的极性与Ⅱ母元件一致, 母联CT1电流计入Ⅰ母小差, 母联CT2电流计入Ⅱ母小差。
以Ⅰ母区内外故障和死区故障为例, 保护动作逻辑为:
1) 母线出线k1点发生故障, 对于母线保护来说为区外故障, 母线保护不动作。
2) Ⅰ母k2点发生区内故障, 大差动作, Ⅰ母小差动作, Ⅱ母小差不动作, 母线保护瞬时跳母联断路器和Ⅰ母, 故障切除。
3) 母联和母联CT之间k3或k4点发生死区故障, 大差动作, 由于母联双CT交叉配置, 根据差动保护的原理可知, 对于Ⅰ母小差和Ⅱ母小差来说均为区内故障, Ⅰ、Ⅱ母小差均动作, 瞬时跳开母联断路器和Ⅰ、Ⅱ母上连接的所有元件。
2.3 对传统双母线保护原理
母联配单侧CT时节省了一组CT, 装置接线简单, 但发生死区故障时, Ⅰ、Ⅱ母上所有元件都被切除, 扩大了停电范围, 这是母联配单侧CT时保护的最大缺点。
母联配双侧CT时, 同母联配单侧CT一样, 发生死区故障时, 传统母线保护将Ⅰ、Ⅱ母上所有元件全都切除, 停电范围依然被扩大, 仅仅是不需要延时, 能够瞬时切除故障。下面提出一种改进的母线死区保护逻辑, 母联配双CT时, 发生死区故障, 仅切除一条母线, 另一条母线继续运行, 缩小停电范围。
3 改进的母线死区保护逻辑
3.1 母联小差
由此提出母联小差的概念, 以的相量和的模值作为母联小差差流, 以的模值和作为制动电流, 母联小差动作方程为:
式 (2) 中Id M为母联小差差流, Ir M为母联小差制动电流, KM为比率制动系数, 为了防止母联小差误动且有足够灵敏度, 取KM为0.3, I0取为与母差电流门槛一致。
3.2 母线死区保护逻辑的改进
母联配置双CT时, 利用母联小差判据, 对传统母线保护及死区保护逻辑进行改进, 如图6所示。
图中各段母线小差出口要经1 ms延时是为了确保死区故障时母联小差先将母联断路器跳开, 否则若小差先动作, 则会直接跳两条母线。
当Ⅰ母发生故障时, 大差动作, 母联小差不动作, Ⅰ母小差动作, Ⅰ母小差经1 ms延时后跳Ⅰ母上所有元件和母联断路器。当死区故障时, 大差、小差以及母联小差均同时动作, 母联先被跳开, 母联小差闭锁小差出口, 两母线均不会跳, 经延时封母联CT后, 母联小差与非故障母线的小差不再动作, 小差不再被闭锁, 故障母线的小差出口跳相应母线上所有元件。由此实现了死区故障时, 保护仅跳一条母线即可切除故障, 缩小了停电范围, 较传统母线保护有较大优越性, 虽然在母线故障时, 小差出口增加了延时, 但换来的是死区故障时保全一条母线, 意义更为重大。
4 结束语
传统母线差动保护不管母联配置单CT还是双CT, 发生死区故障时, 保护都将两条母线跳开, 扩大了停电范围。在分析了传统母线差动保护的原理后, 针对母联配置双CT的情况提出死区保护的改进逻辑, 改进逻辑对于死区故障仅需跳一段母线即可切除故障, 缩小了停电范围, 较传统保护逻辑有较大优越性。
参考文献
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2D数字阀流量规划补偿死区研究 篇5
电液伺服系统是一种比较典型的非线性系统[1]。死区特性表示输入信号在零位附近变化时, 元件或环节无信号输出, 只有当输入信号大于或小于某一数值 (死区) 时, 才有输出信号, 且与输入信号呈或近似呈线性关系[2]。死区特性对系统性能的影响主要体现在两方面:一是死区特性对系统响应具有延滞性;二是死区特性的存在对系统产生了静差, 影响了精度[3]。
刘白雁[4]提出了电液比例方向阀死区的一种智能补偿方法, 为比例阀的伺服控制提供了一种可能途径。Leandro等[5]采用基于遗传算法的自适应控制补偿电液系统的死区特性, 有效地处理了系统参数的不确定性问题。文献[6-7]研究了带死区的三级电液伺服阀的模型和关键技术, 通过PD控制取得了很好的特性。
2D数字伺服阀的主阀采用的是滑阀结构[8]。零开口滑阀由于具有线性流量增益, 性能较好, 因此得到了广泛的应用。但是零开口滑阀加工非常困难, 它需要通过阀芯和阀套的配磨来达到零开口。正开口阀在开口区内的流量增益变化大, 压力灵敏度低。因此, 正开口阀主要应用于需要由连续液流维持合适油液温度的场合或恒流系统。负开口阀由于其流量增益具有死区非线性, 使得系统存在稳态误差, 并且还可能产生游隙导致系统不稳定, 因此很少采用。但是负开口阀零位泄漏小, 对加工工艺要求较低, 因此, 如果能找到某种补偿方法消除负开口阀的死区非线性, 则可以大幅度降低电液伺服阀的加工难度, 提高电液伺服阀的加工效率、成品率, 以及提高电液伺服阀的静态性能。另外, 2D数字阀传动机构齿隙、电-机械转换器死区和加工误差也会引起死区非线性。为此, 笔者提出了流量规划补偿2D数字阀死区的技术[9,10]。
1 2D数字阀工作原理
图1为2D数字阀结构图, 2D数字阀将导阀和主阀融为一体, 通过双自由的伺服螺旋机构实现位置反馈, 无需任何固定阻力小孔来保证其稳定性, 结构简单且加工方便。为保持阀芯的径向力平衡, 阀套采用具有双余度控制功能的双伺服螺旋机构。
2D数字阀具有单个阀芯的旋转和滑动双自由度, 如图2所示, 其中P为系统压力油口, T为回油口, A、B为工作压力油口。在该结构中, 阀右腔通过小孔b, 经阀芯杆内通道和小孔a与进油口 (系统压力) 相通, 其面积为左腔的一半;左腔的压力由开设在阀芯左端台肩上的一对高低压孔和开设于阀芯孔左端的螺旋槽相交的两个微小弓形面积串联的液压阻力半桥控制。在静态时若不考虑摩擦力及阀口液动力的影响, 左敏感腔压力为入口压力 (系统压力) 的一半, 阀芯轴向保持静压平衡, 与螺旋槽相交的高低压侧的弓形面积相等。当以顺时针 (面对阀芯伸出杆) 方向转动阀芯, 则高压侧的弓形面积增大, 低压侧的弓形面积减小, 左腔压力升高, 并推动阀芯右移, 同时高低压孔又回到螺旋槽的两侧, 处于高低压侧弓形面积相等的位置, 敏腔的压力恢复为入口压力 (系统压力) 的一半, 保持轴向力平衡;若逆时针的方向转动阀芯, 变化则正好相反, 阀芯向左移动。
2 流量规划补偿死区原理
在以往的控制系统中, 嵌入式控制器的输入信号往往是芯阀的位移, 相对于2D数字阀来说, 就是阀芯的角位移。这种控制方式是基于阀芯的角位移与流量是线性关系的情况。当两者相对关系为线性关系时, 才有线性的角位移产生线性的流量这样的结果, 同时才会有线性的流量曲线。但是这种控制方式相对于流量来说类似于开环控制, 流量不仅受开口大小影响, 同时也受油压的影响。目前的嵌入式控制器往往不能直接控制外部油源压力的大小, 但是这样做也有一定的好处, 就是使嵌入式控制器有着最大的适应性, 在不同的压力下都可以正常工作。
虽然非线性的产生是由加工等其他因素引起的, 但对于某一个特定的嵌入式控制器来说, 其非线性是有重复性的, 也就是说在该电-机械转换器的寿命里, 这些因素都不会消失。
流量规划补偿原理是将原来的2D数字阀嵌入式控制器的角位移输入信号, 由DSP内部算法转换为流量输入信号, 再通过流量曲线构造流量与角位移的函数关系。在输入角位移信号的同时, 首先由数字控制元件如DSP等通过既定的关系、函数、表格等形式, 转为流量数据, 其次再转化成为电-机械转换器的角位移信号, 这样就能保证流量的线性度。
根据拟合的流量特性曲线, 可以取出若干个点, 组成流量比 (Q/Qmax) -步进电机角位移比 (Q/Qmax) 表格 (表1) 。
2D数字阀用电-机械转换器由DSP控制, 选用最小二乘逼近法来拟合流量曲线不仅简单方便, 还可加快DSP的运算速度, 提高精确度。
由已知的流量特性曲线可得已知的Q=f (θ) 的实验数据, 如表2所示。其中, θ1<θ2<…<θm, 记X={θ1, θ2, …, θm}。
选取集合Hn中关于点集X及权系数{ωi} (i=1, 2, …, m) 上线性无关多项式组{φ0 (θ) , φ1 (θ) , …, φn (θ) } (m>n) , 定义
则有唯一Pn (θ) ∈Hn使
成立。
最小二乘多项式表达式为
系数{aj} (j=0, 1, …, n) 可由如下方程组求得
实验计算表明, 当n=7, 8, …时, 式 (4) 是病态方程, 基的选取对求解误差影响较大, 可以选择Chebyshev正交多项式基或者Legendre正交多项式基。
3 流量规划补偿死区的实验研究
实验装置如图3所示, 采集步进电机角位移与流量信号后, 进行函数拟合, 制成表1所示的表格, 输入给2D数字阀控制器的步进电机角位移信号经DSP运算变为步进电机角位移比信号, 将步进电机角位移比信号当作流量比信号, 经由流量比-步进电机角位移比表格查找到相应的步进电机角位移比, 再转换为步进电机角位移, 去控制步进电机, 因此, 可以消除死区以及电机磁路的不理想造成的滞环。
本次实验采用了流量特性曲线拟合成表格的方法进行了应用研究。工作压力为21 MPa, 阀压降为10 MPa。
由图4可知, 该2D数字阀在未加任何补偿时的流量特性曲线有明显的死区存在, 并且死区十分明显, 达到了5%, 非线性影响严重, 不仅在死区边界出现一定的曲线, 在线性部分也有一定的弯曲, 非线性度达到了7%, 效果十分不理想。
按上述方法制成的流量比-步进电机角位移比的表格 (表3) , 并将该数据应用到实验程序中。该程序中将输入信号作为流量比, 从表格中找到相应的步进电机角位移比, 然后计算出步进电机的角位移, 从而控制2D阀的开口。图5所示为采用流量规划补偿后未加颤振的流量特性曲线, 由图可知, 采用流量规划补偿后, 死区基本上消失, 在流量零位时仍有一定的非线性, 但是非线性度已经减小到3%。这个实验证明, 采用流量规划补偿是有效的, 可以明显减小甚至消除死区的影响, 增加系统的线性度, 滞环依然存在。
图6所示为流量规划同时叠加50%死区量颤振补偿的流量曲线, 由图可知, 死区和滞环都有所减小, 非线性度降低为1.8%, 良好的线性度已经可以满足比例控制系统要求。
图7所示为采用流量规划补偿同时叠加100%死区量颤振的流量特性曲线, 死区已经完全消除, 滞环也明显减小, 流量特性曲线已经接近理想直线, 非线性度已经小于0.5%。该系统已经具有良好的线性特性控制性能, 基本上能够达到伺服系统的要求, 并且不需要加大高频颤振信号幅值, 不存在系统发散、失控的危险。
由叠加不同死区量颤振信号的实验效果可知, 叠加的颤振信号的幅值对补偿非线性有重要影响。采用死区补偿后, 在原有死区范围内的控制分辨率将明显得到提高, 相反, 在原有死区范围外的控制分辨率将有所下降。由于在不同负载压力下, 对阀的压力影响表现为阀压降不一样。为了验证在不同负载下2D数字阀流量规划补偿效果, 可通过改变系统压力的方式改变阀压降。当系统压力为15 MPa, 阀压降为6 MPa时, 流量规划后的流量曲线如图8所示;当系统压力为7MPa, 阀压降为3.5 MPa时, 流量规划后的流量曲线如图9所示。由图7、图8和图9可知, 输入信号-流量输出曲线在不同的油压下呈现出高度的重复性。
4 流量规划补偿死区后的动态特性实验研究
4.1 阶跃响应特性
2D数字阀动态特性测试的液压系统原理见图10。2D数字伺服阀的动态特性通常用它的阶跃响应特性或频率特性来表示。测试所使用的流量计型号为VS 4, 其测量量程为300 L/min, 精度为0.3%, 重复精度为±0.05%。实验时, 信号发生器发出满开口幅值 (±4V) 的低频 (0.02 Hz) 正弦信号, 该信号一方面送给2D数字阀控制器, 另一方面送给记忆示波器。采用颤振补偿技术, 2D数字阀控制器在输入信号和颤振信号的叠加作用下根据跟踪控制算法控制阀的开度。
系统调零后, 关闭阀1、阀2、阀3, 打开阀4、阀5。经过死区补偿后, 输入幅值4 V的阶跃信号, 使阀芯为满开口, 调节系统压力为21 MPa, 待示波器出现稳定的流量信号, 保存流量信号和输入控制信号, 处理数据得阶跃响应特性, 如图11所示, 其中阶跃响应上升时间为5.3 ms。
4.2 频率特性
系统调零后, 关闭阀1、阀2、阀3, 打开阀4、阀5, 输入幅值1 V、频率1 Hz的正弦信号, 使阀芯开口25%, 调节系统压力为21 MPa, 待示波器出现稳定的流量信号, 保存流量信号和输入控制信号。再依次改变频率为10 Hz、20 Hz、50 Hz、80Hz、100 Hz、120 Hz, 或更大频率, 至输出流量信号滞后输入信号90°, 测试结果如图12~图15所示, 死区补偿之后, 该阀在开口25%满量程的正弦波控制下, -3 d B处幅频宽可达141 Hz。
5 结论
(1) 2D数字阀由DSP控制, 通过DSP内部算法, 用函数逼近拟合实际的流量特性曲线, 基本可以消除死区, 但滞环依然存在。
(2) 采用流量规划同时叠加颤振的补偿技术, 不仅可以完全消除死区, 而且滞环也明显减小, 使2D数字阀的非线性度小于0.5%。
(3) 输入信号-流量输出曲线在不同的油压下呈现出高度的重复性。死区补偿之后, 该阀在开口25%满量程的正弦波控制下, -3 d B处幅频宽可达141 Hz。
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死区 篇6
随着电力工业的快速发展, 地区电网结构越来越复杂, 也越来越强大, 基本满足N - 1 要求。 按照国网公司 “ 大运行” 建设要求, 地市供电公司将电网调度运行与设备监控运行值班集中融合, 实现 “ 大值班” 工作模式, 优化人力资源配置, 提升运行工作效率, 基本统一采用 “ 集中监控、 分设操作队” 运行管理模式, 此时不仅要求运行人员具备较高技能素质, 对电网结构和电力系统保护装置运行可靠性也提出了更高的要求。
目前2 2 0 k V变电站内2 2 0 k V母线均配置母差保护, 母线发生故障时, 母差保护能准确判断出故障母线并切除故障点。 但母线各间隔出线断路器和C T之间发生故障时 ( 称为死区故障) , 母线差动保护动作跳开故障间隔所在母线各出线开关后故障点并未隔离, 只能通过上级元件后备保护较长时限的将故障切除, 不利于系统的安全稳定运行[1,2,3,4,5]。对于值班调度员而言, 死区故障使故障范围扩大, 难以判断。 因此, 文中分析了地区电网中常见的几种死区故障, 并根据保护死区故障特点提出了相应的快速保护方案。
1 地区220k V电网典型死区故障分析
1.1 线路开关与CT之间的死区故障
目前, 220k V变电站一般采用双母线接线方式, 如图1所示。
当出线开关与出线电流互感器之间的保护死区k3点发生短路故障时, 母线差动保护启动跳开母线上各出线间隔开关, 故障点未隔离, 对侧线路继续向故障点提供短路电流, 因该故障点处于线路两侧电流互感器之外, 对电流差动保护来说是外部短路, 线路差动保护不会动作, 当对侧电流互感器检测到故障电流后, 由线路后备保护启动跳开对侧开关, 将故障切除, 故障隔离时间较长。
1.2 母联开关与CT之间的死区故障
母联开关保护死区k2发生短路故障时, 母差保护启动, 大差动元件动作判断母线故障, 小差动元件动作选择其中II母故障, 跳开母联开关和II母上各出线开关, 但故障点未被隔离, I母上各出线间隔继续向故障点提供短路电流, 此时大差动元件没有返回, 经过0.15s跳开故障段母线所有出线开关, 从而切除了母联断路器死区故障, 与此同时使无故障II母失压, 减轻了大量负荷。
1.3 变压器开关与CT之间的死区故障
2 2 0 k V母线各出线开关配置失灵保护, 当变压器220k V高侧死区k1短路故障时, 220k V侧母差保护动作跳开220k VI母上各出线开关, 但不能切除故障, 220k V变压器侧高压开关启动失灵保护将主变三侧开关断开隔离故障点。
2 现有保护死区方案
2 2 0 k V线路开关死区故障时, 母差保护动作跳开故障点所在母线上所有出线开关的同时, 光纤纵联电流保护采取发远跳信号, 高频保护停、 起信加速对端开关跳闸, 快速切除故障, 保证系统稳定[6]。
2 2 0 k V母联开关死区故障时, 大差动元件动作没有返回, 先跳开母联开关, 再封母联开关C T , 此时小差动元件对死区故障有了选择性, 启动跳开故障段母线所有断路器, 切除了母联断路器死区故障, 避免了两条母线都失压, 缩小了事故停电范围[7]。
2 2 0 k V变压器高、 中压侧死区故障时, 2 2 0 k V侧母差保护先动作跳开高/ 中压侧开关所在母线各出线开关, 差动保护未返回, 故障电流仍存在, 文献[8]提出的快速保护跳开主变另外两侧开关, 切除了变压器开关死区故障, 保证变压器的安全。
3 保护死区快速保护方案
对现有的针对死区故障的保护方案进行总结, 发现电网保护死区大都位于各出线开关CT处, 故障点本身位于下级元件保护范围之内, 下级元件的快速保护动作之后, 故障点未被隔离, 进而使上级元件的后备保护动作将故障切除, 动作时间较长, 不利于系统稳定, 同时扩大了停电范围, 其本质就是保护死区缺乏快速保护。
因此, 除设置后备保护外, 增设快速保护, 缩短保护动作时间。 下级元件保护动作, 开关断开一定时限后封出线开关CT, 当母线差动保护大差元件动作, 先跳开母联开关, 封母联开关CT, 若为母联开关死区故障, 小差动元件和大差动元件共同保死区故障所在母线隔离, 其保护动作逻辑图如图2所示。
若220k V线路开关死区故障, 母线差动保护动作后, 将故障点隔离, 然后封各出线线路开关CT, 判别为线路, 线路差动保护启动, 差动电流大于判别电流, 迅速跳开线路对侧开关, 故障快速切除, 若死区无故障, 线路纵联保护不会启动;若220k V变压器高/中压侧开关CT死区故障, 220k V母线差动保护动作后, 封高压侧开关CT, 主变差动保护动作快速切除故障, 若主变高/中压侧开关死区无故障, 主变差动保护不启动, 其保护动作逻辑图如图3所示。
4 实用性分析
母联开关死区快速保护在传统母差保护的基础上, 使母联开关第一时限跳开, 再短接母联开关CT, 以此判别并跳开故障母线;出线开关死区快速保护本质是利用对侧元件的快速保护, 短接本侧开关CT使对侧检测到故障电流, 可作为2 2 0 k V变压器和线路开关死区的快速保护。 采用短接开关C T接线方式简单、 可靠性高, 能满足工程要求, 快速隔离死区故障。
5 结束语
地区电网迅速发展, 保护死区故障造成的危害会越大。 本文分析了典型保护死区故障的特点, 通过封母联开关CT, 可避免母联开关死区故障, 减少双母线失压减供负荷; 通过封出线开关CT, 可利用线路和变压器本身差动保护快速切除该类死区故障, 可以减轻死区短路故障对电力设备的冲击和损伤, 有利于电网安全稳定运行。
本文的研究将对实际工作具有指导作用。
摘要：随着电网结构愈来愈复杂, 电力系统安全稳定运行越来越重要。电网保护死区故障时由后备保护动作, 隔离故障点时间长, 不利于电网安全。本文分析了地区电网220k V变电站高压侧几种常见的保护死区故障及逻辑问题, 结合现有电网典型保护死区的继电保护方案, 根据保护死区的故障特点, 提出封故障间隔开关CT构成死区故障的快速保护方案。该方案可有效地提高继电保护装置的可靠性和电网运行的稳定性。
关键词：保护死区,母差保护,线路保护,后备保护,快速保护
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死区 篇7
近年来随着电力工业的发展,地区电网结构愈来愈坚强,基本满足N-1要求。按照国网公司“大运行”建设要求,地市供电公司将电网调度运行与设备监控运行值班集中融合,实现“大值班”工作模式,优化人力资源配置,提升运行工作效率,基本统一采用“集中监控、分设操作队”运行管理模式。这不仅要求运行人员具备较高技能素质,对电网结构和电力系统保护装置运行可靠性也提出了更高的要求。
目前,220kV变电站内的220kV母线均配置母差保护,在母线发生故障时能准确判断出故障母线并切除故障点。但母线各间隔出线断路器和TA之间发生故障(称为死区故障)时,母线差动保护动作跳开故障间隔所在母线各出线开关后,故障点并未隔离,只能通过上级元件后备保护在较长时限后将故障切除,不利于系统的安全稳定运行[1,2];同时死区故障也使故障范围扩大而难以判断。为此,本文分析了地区电网中常见的死区故障,并根据保护死区故障特点提出了相应的快速保护方案。
1 地区220kV电网典型死区故障分析
1.1 线路开关与TA之间的死区故障
目前,220kV变电站一般采用双母线接线方式,如图1所示。当出线开关与出线电流互感器之间的保护死区k3点发生短路故障时,母线差动保护启动跳开母线上各出线间隔开关,故障点未隔离,对侧线路继续向故障点提供短路电流。因该故障点处于线路两侧电流互感器之外,对电流差动保护来说是外部短路,故线路差动保护不会动作,当对侧电流互感器检测到故障电流后,由线路后备保护启动跳开对侧开关,将故障切除,故障隔离时间较长。
1.2 母联开关与TA之间的死区故障
母联开关保护死区k2发生短路故障时,母差保护启动,大差动元件动作判断母线故障,小差动元件动作选择其中II母故障,跳开母联开关和II母上各出线开关,但故障点未被隔离,I母上各出线间隔继续向故障点提供短路电流。此时大差动元件没有返回,经过0.15s后跳开故障段母线所有出线开关,从而切除了母联断路器死区故障,与此同时使无故障II母失压,减供了大量负荷。
1.3 变压器开关与TA之间的死区故障
220kV母线各出线开关配置失灵保护,当变压器220kV高侧死区k1短路故障时,220kV侧母差保护动作跳开220kV I母上各出线开关,但不能切除故障,220kV变压器侧高压开关启动失灵保护将主变三侧开关断开隔离故障点。
2 现有保护死区方案
220kV线路开关死区故障时,母差保护动作跳开故障点所在母线上所有出线开关的同时,光纤纵联电流保护采取发远跳信号,高频保护停、起信加速对端开关跳闸,快速切除故障,保证系统稳定[3]。
220kV母联开关死区故障时,大差元件动作没有返回,先跳开母联开关,再封母联开关TA,此时小差动元件对死区故障有了选择性,启动跳开故障段母线所有断路器,切除了母联断路器死区故障,避免了两条母线都失压,缩小了事故停电范围[4]。
220kV变压器高、中压侧死区故障时,220kV侧母差保护先动作跳开高/中压侧开关所在母线各出线开关,差动保护未返回,故障电流仍存在,再由快速保护跳开主变另外两侧开关,切除了变压器开关死区故障,保证变压器的安全[5]。
3 保护死区快速保护方案
对现有的针对死区故障的保护方案进行总结后,发现电网保护死区大都位于各出线开关TA处,故障点本身位于下级元件保护范围之内,下级元件的快速保护动作后,故障点未被隔离,进而由上级元件的后备保护动作将故障切除,动作时间较长,不利于系统稳定,同时扩大了停电范围,其本质就是保护死区缺乏快速保护。为此,除设置后备保护外,可增设快速保护,以缩短保护动作时间。下级元件保护动作,开关断开一定时限后封出线开关TA,由母线差动保护大差元件动作跳开母联开关,封母联开关TA。
若为母联开关死区故障,小差动元件和大差动元件共同确保死区故障所在母线的隔离,其保护逻辑如图2所示。
若220kV线路开关死区故障,则母线差动保护动作后将故障点隔离,然后封各出线线路开关TA,判别为线路,线路差动保护启动,差动电流大于判别电流,迅速跳开线路对侧开关,快速切除故障;若死区无故障,则线路纵联保护不会启动。若220kV变压器高/中压侧开关TA死区故障,则220kV母线差动保护动作后,封高压侧开关TA,主变差动保护动作快速切除故障;若死区无故障,则主变差动保护不启动。出线开关死区保护逻辑如图3所示。
4 实用性分析
母联开关死区快速保护在传统母差保护的基础上,使母联开关第一时限跳开,再短接母联开关TA,以此判别并跳开故障母线。出线开关死区快速保护本质是利用对侧元件的快速保护,短接本侧开关TA使对侧检测到故障电流,可作为220kV变压器和线路开关死区的快速保护。短接开关TA的接线方式简单、可靠性高,能满足工程要求,可快速隔离死区故障。
5 结束语
分析了典型保护死区的故障特点,通过封母联开关TA,可避免母联开关死区故障和双母线失压导致的减供负荷,通过封出线开关TA,可利用线路和变压器本身差动保护快速切除该类死区故障,减轻死区短路故障对电力设备的冲击和损伤,有利于电网安全稳定运行。
摘要：分析了地区电网220kV变电站高压侧常见的保护死区故障及逻辑问题,结合现有电网典型保护死区的继电保护方案,并基于保护死区故障特点,提出封故障间隔开关TA构成死区故障的快速保护。实践表明该方案可有效地提高继电保护装置的可靠性和电网运行的稳定性。
关键词：保护死区,母差保护,线路保护,后备保护,快速保护
参考文献
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[4]刘枫,李晓方,秦莉,等.针对辐射型电网母联死区故障的保护改进设计[J].电力系统自动化,2013,37(22):122~124
死区 篇8
为了解决环境污染与能源危机,太阳能、风能等绿色新能源技术的发展得到广泛关注。在大力建设大规模新能源电站的同时,利用微网结构实现新能源分布式发电也是未来的重要发展方向,一些发达国家已经进行了相关方向的研究[1]。在微网结构中,太阳能、风能等新能源组成的分布式电源需要逆变装置实现直流电到交流电的转换与并网控制[2],因此低谐波含量的单相逆变调制方法研究具有重要意义。
逆变技术主要是通过控制桥型逆变电路上功率半导体器件的导通与截止实现直流电到交流电的转变,通过SPWM调制方法可以实现正弦交流电的输出[3,4]。但在桥式逆变电路中,为了避免开关管直通现象必须在调制波形中加入死区时间,传统的加入死区方法会引起波形畸变,增加输出电压电流的谐波含量[5]。
目前在逆变电路中单极性的单相SPWM调制方法存在过零振荡,而双极性的单相SPWM加入死区时间后波形畸变严重。而利用单相空间矢量PWM(SVPWM)对逆变电路进行调制,可以克服前两者存在的缺点,降低输出波形的谐波含量[6]。将可变的死区时间加入到单相SVPWM调制波的零矢量中,可以改善传统死区加入方法引起的波形畸变。采用FPGA生成单相SVPWM调制波的方法简单、灵活性高,有利于复杂控制算法的加入。通过Matlab仿真和实验验证,证明了该调制方法的有效性和准确性。
1 单相SVPWM原理
单相电压源型逆变电路如图1所示,UPN为直流输入电压,四个开关管S1、S2、S3和S4构成H桥型结构,a、b两点为交流侧输出,Lac和C为输出LC滤波电路,经过滤波的正弦交流电为负载提供电能[7]。
a、b两点间交流侧输出电压矢量可以用桥臂空间电压矢量表示为
用1表示开关管导通,0表示开关管截止,对开关管S1、S2、S3和S4的导通和截止情况进行分析,在应用中单相逆变电路存在的四种开关状态,对应的输出电压矢量Uab如表1所示。
从表1可以看出,根据不同的开关状态,存在两种有效状态和两种零状态,共分为v0、1v、v2和v3四个离散矢量,根据SVPWM的原理,需要用这四个离散矢量来合成输出电压矢量。由于输出矢量Uab只存在UPN、-UPN和0三种数值,故可用一维空间表示。假设空间矢量到垂直方向投影的幅值保持不变,就可以将桥臂空间电压矢量沿矢量v0和v3的方向投影到水平直线上,得到两个方向相反但幅值相同的输出电压矢量UPN和-UPN,零矢量产生的输出电压为0,这样就将二维空间转化为一维空间,如图2所示。它将交流输出根据正负半轴分为两个扇区,当交流输出大于0时,选择有效矢量1v和零矢量v0及v3进行合成;而当交流输出小于0时,选择有效矢量v2和零矢量v0及v3进行合成。
若令uab为期望输出电压,uab=mUPN,其中,m为SVPWM调制因子,控制输出电压的幅度。根据矢量合成方法[8]
式中:Ts为开关周期,T1表示有效矢量的作用时间,T0表示零矢量的作用时间。为了得到正弦波交流电压输出,利用式(2)计算出有效矢量和零矢量的作用时间分别为
根据式(3)的计算结果,在一个调制波周期内周期性地调整有效矢量的作用时间T1和零矢量的作用时间T0,就可以使逆变电路输出与期望相同的正弦波交流电。根据SVPWM合成规律,将矢量均匀地前后分为两部分,就得到了如图3(a)所示的一个调制波周期内单相SVPWM四路控制信号的整体波形。
单相SVPWM控制简单,易于数字电路实现。通过Matlab仿真[9],在不考虑死区时间情况下通过单相SVPWM调制输出的正弦波谐波含量为THD=0.31%,如图3(b)所示,应用效果很好。经过逆变电路后输出波形与SVPWM调制信号之间的对应关系示意图如图4所示。本文采用FPGA生成单相SVPWM的方法,可以更加灵活地加入死区时间,有利于减小输出正弦波交流电的谐波含量。
2 死区加入方法分析及改进
2.1 传统死区时间加入方法
对于单相电压源型逆变电路,由图1可以看出,当同一桥臂上的两个开关管S1、S2或S3、S4同时导通时,相当于将直流输入电源短路,会产生极大的短路电流,将开关管烧毁。图3(a)为理想状态下的单相SVPWM波形,可以看出S1和S2、S3和S4开关状态同时发生变化,在实际应用中由于各个开关管个体性能的差异以及控制信号存在延时等原因,很可能导致同一桥臂的两个开关管短时间同时导通,对系统造成损害。因此,必须加入死区时间避免这种情况发生[10]。
传统的死区加入方法如图5(a)所示,以Δd表示死区时间,通过延迟开关管S1和S3导通,提前S1和S3截止的方法,防止由于各种非理想情况造成的同一桥臂开关管同时导通。加入死区时间后,有效矢量的作用时间T1和零矢量的作用时间T0分别为
从式(4)可以看出,每个开关周期的有效矢量的作用时间T1减小了一个固定值,会使输出波形的幅度减小。对于一个调制波周期看,T1的变化规律发生了一个非线性的变化,使波形产生严重畸变,在过零点附近最为明显。设定Δd=1μs,利用Matlab仿真可以看到利用这种死区加入方法最终输出正弦波的谐波含量较大,THD=4.89%,如图5(b)所示。
2.2 可变死区时间加入零矢量的方法
传统将死区加入有效矢量的方法对输出电压的幅度产生影响,并且在过零点处产生明显波形畸变,将死区时间加入到零矢量可以缓解以上问题。当交流输出为正时,此时导通的开关管是S1和S4,因此不能改变S1和S4的脉冲宽度,只改变S2和S3,对S2的操作是提前关断并延迟导通,而S3则是延迟导通并提前关断;同理,当交流输出为负时,此时处于有效状态的是S2和S3,需要将S1延迟导
通并提前关断,而S4则是提前关断并延迟导通。图6(a)为将死区时间加入到零矢量的波形。通过这种方法加入死区时间后,有效矢量的作用时间T1和零矢量的作用时间T0分别为
从式(5)可以看出,每个开关周期的有效矢量作用时间T1不发生变化,不会影响输出波形的幅度;同时有效矢量在调制波周期内的变化依旧符合SVPWM规律,对波形影响较小。
将死区时间加入有效矢量或零矢量,开关状态矢量会存在[0001],[1000],[0100],[0010]几个特殊状态。从图1可以看出,这些状态输出电压虽然为0,但直流输入源和输出LC滤波电路的能量回路与正常零矢量并不相同,固定的引入这些变化也是系统的非线性因素。通过将固定的死区时间改进成可变的死区时间,有助于消除这些非线性因素,更有效地降低输出谐波含量。设定死区时间为
式中,n为加入死区时间所占有效矢量作用时间的比例。加入死区后SVPWM的波形图同图6(a)相同。根据式(5),有效矢量的作用时间T1和零矢量的作用时间T0分别为
通常情况下死区的加入时间为几微秒,此处选择n=30,由于开关频率为10 k Hz,所以此处最大的死区加入时间为Δd=3.3μs。此时Matlab仿真输出正弦波信号的谐波含量THD=0.33%,如图6(b)所示,十分接近于未加入死区时间的THD=0.31%,证明了该死区加入方法可以有效减小谐波含量。
3 SVPWM的FPGA生成方法
电压源型逆变电路应用在微网分布式电源中会有独立运行、并网运行多种运行模式,要求调制信号可调性好,可以对输出正弦波的幅值、频率、相位进行有效控制,从而适应各种运行模式的需求。FPGA为大规模可编程逻辑器件,具有很强的并行处理能力,很适合用来实现符合以上要求的单相SVPWM的生成[11],程序内部结构框图如图7所示。
图中频率相位模块根据系统的运行模式,分为两种功能:当系统并网运行时,锁定电网电压的频率和相位,然后根据其调整参考频率和相位;而当系统独立运行时,FPGA内部生成参考频率和相位。它输出的Pr是FPGA内部高速时钟频率与开关频率之比,与开关周期Ts直接相关,t表示相位信息。通过改变开关频率的方式调整输出正弦波的频率,当输出频率在49.5~50.5 Hz范围内变化时,开关频率变化为9.9 k~10.1 k Hz,不会对滤波设计造成过大的影响。变开关频率的方法使每个调制波周期正弦离散点数固定,正弦表中存入相应点数的离散正弦值,每次只要根据相位读出相应地址的值就可免去复杂的正弦值计算。
有效矢量计算模块则根据Pr、读表得到的正弦值和调制因子m计算有效矢量的时间T1。针对单相电压源型逆变电路,空间矢量PWM控制器有四路输出,分别为cmpr1、cmpr2、cmpr3和cmpr4,表示了PWM调制信号在每个开关周期中的起始点位置,存在比较寄存器中。中心对称的SVPWM调制信号采用计数器的方式实现,在每个开关周期内,计数器按连续递增方式计数,直到计数器达到设定最大值Pr时清零,形成了一个锯齿波载波。当计数器的值与比较寄存器匹配时,通过设定相应的输出电平就可产生相应的SVPWM调制波形,其生成示意图如图8所示。在不考虑死区时间的情况下,同一桥臂上下两个开关管信号取反,一次可以得到两路控制信号。图中的匹配点有两个,分别是脉宽起始点和结束点,但它们是基于开关周期中心对称的,计算简单。
结合图6(a),运用本文提出的加入可变死区的方法,在ωτ∈(0,π)的区间内,可以推出对应输出电压正半周的4路脉宽起始点为
在ωτ∈(π,2π)区间内将对cmpr2和cmpr3死区时间的操作对应到cmpr4和cmpr1上,可以得到对应输出电压负半周的4路脉宽起始点。根据式(8)计算的脉宽起始点,在输出时对S2和S4取反,可方便地利用FPGA生成死区可变的单相SVPWM调制波形。
4 仿真实验结果
在研究过程中,建立Matlab仿真模型,对各种调制方法的谐波含量进行了分析。通过实验室建立的微网分布式电源实验平台进行实际验证,该实验平台选用德州仪器公司的DSP处理器TMS320-F2812和Altera公司的FPGA器件Cyclone II作为控制平台,三菱公司的IPM模块pm100cla060作为功率开关器件,具有较高的灵活性和安全性,便于各种调制方法和控制策略的研究[12]。在直流输入电压为60 V时,使用单相空间矢量PWM调制方法控制电压源型逆变电路,调制因子m=0.95的条件下,分别对传统死区加入方法和本文提出的变死区时间方法进行了仿真和实验验证,结果见图9。
图9(a)所示的是固定死区时间Δd=1μs时,按照传统方法加入死区后的仿真结果,图9(b)为在实验平台得出的实际结果,可以看出波形在过零点处有明显的畸变,整个输出波形的幅度也比理论计算值略小。图9(c)所示为通过本文提出的改进型变死区方法得到的仿真结果,最大死区时间为Δd=3.3μs,图9(d)为实验平台得到的实际结果,逆变电路的输出波形得到了很大改善,幅值与理论计算相符。
5 总结
微网分布式电源中多采用单相电压源型逆变电路,低谐波的调制方法可以保证输出电压质量,减小对电网的谐波污染。通过对SVPWM矢量合成理论分析得到了单相SVPWM的调制波形。由于传统死区时间加入方法会使输出波形发生较大的畸变,并且降低输出波形的幅度,本文提出一种将可变死区加入到零矢量中的方法,通过对Matlab仿真结果的谐波含量分析证明了该方法有效降低了输出谐波含量。提出了利用FPGA生成单相SVPWM调制波形的具体实现方法,并在微网分布式电源实验平台上得到了实验结果,通过与传统调制方法的对比,验证了该调制方法的准确性和有效性。
摘要：针对传统死区时间注入SVPWM调制波会使逆变电路输出波形产生畸变并导致其幅度降低的问题,为降低输出波形的谐波含量,提出了一种将可变死区时间加入到零矢量中的死区注入方法。在单相SVPWM调制方法的矢量合成原理分析基础上,对死区算法进行理论研究,并利用Matlab仿真进行了谐波分析。研究了采用FPGA生成SVPWM波形及相应的死区注入方法,利用微网分布式电源实验平台,分别对两种不同死区时间注入单相SVPWM的算法进行了实验验证,证明了该低谐波死区算法的有效性和准确性。
关键词：分布式电源,低谐波,空间矢量PWM,死区时间,FPGA,微网
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