负载控制（精选12篇）
负载控制 篇1
1 引言
永磁同步电机( PMSM) 具有结构简单、运行可靠、功率密度大和效率高等优点,且易构成高性能的伺服系统,已被广泛应用于航空航天、军用、汽车和家用等产品[1]。电机在运行中会受到各种外扰力的影响,特别是在负载发生变化时,电磁转矩和负载转矩瞬间失衡,造成转速调节有一定的滞后,而高性能调速系统要求系统应保证稳态无静差,动态情况下响应速度快[2],并且,在一些负荷变化且不确定的条件下,应具有一定的抗扰性能。
负载扰动不仅对永磁同步电机稳态精度有影响,而且影响着整个控制系统的精度、动态性能和调速范围等性能指标[3,4]。因此,研究一种永磁同步电机抗负载扰动方案具有重要的实际意义。传统的转速控制器在设计时一般会假定负载转矩扰动为零或者为一个固定值,但对于负荷变化且不确定的条件下,这个控制器并不能很好地抑制负载扰动。如何使控制系统在负载扰动的情况下保证响应快且无超调是高性能调速系统的关键。
电机在实际运行中,由于负载时变且不可预测,仅采用PI调节器不能很好地抑制负载扰动带来的转速波动,需要对各个性能指标进行折中考虑。针对抗负载扰动的问题,引入负载转矩的前馈补偿,转换成两自由度控制系统是一个比较好的解决方案[5]。但是如果要对负载转矩直接测量,会使系统成本较高,并且仪器精度和响应速度都会影响负载转矩的测量[6,7],所以采用状态观测器对负载转矩进行观测是一个很好的选择。
目前,国内外学者对负载转矩的观测进行了不少研究。文献[8]采用一阶伪微分结构,设计了扰动转矩观测器,并对转矩电流进行了补偿,但是该方法中的微分运算容易将测量误差和计算误差放大,影响观测精度; 文献[9]将降阶负载转矩观测器应用到伪微分反馈控制系统中,实现了抗扰动伪微分反馈控制,但是只完成了仿真验证,并未给出实验结果; 文献[10-13]采用滑模观测器对负载转矩进行观测,而如何在提高滑模变结构控制系统抗扰性能的同时削弱抖振现象一直是其研究的热点问题; 文献[14]根据降阶负载转矩观测器收敛速度慢的缺点,提出了一种改进型的观测器,可以提高辨识的收敛性,但仅给出仿真分析,并未进行实验验证; 文献[15]在全阶滑模观测器的基础上,提出了一种新型转矩观测器,解决了积分初始值和积分漂移的问题。
本文在降阶观测器的基础上,提出一种改进型的负载转矩观测器。新型观测器根据电机的转速和转矩电流,将比例和积分引入负载转矩的观测中,可提高辨识收敛性和辨识收敛速度,将观测到的负载转矩值按比例前馈补偿给转矩电流调节器的输入。在系统负载突变时,利用该观测器对转矩电流进行前馈补偿能减小负载变化对电机转速的影响,从而提高永磁同步电机转速环的鲁棒性。
2 负载转矩观测器
在电气传动中,电机通过其传动轴向负载提供电磁转矩,通过对电机传动轴上电磁转矩的控制就可以完成对负载运动的控制。根据动力学原理,可得永磁同步电机的机械运动方程为:
式中,Te为电磁转矩; J为系统转动惯量; ωm为转子机械角速度; bm为摩擦系数; θm为机械角度; Tl为负载转矩,其包含由电机空载损耗产生的电机空载转矩。
当控制器采样周期很小、采样频率很高时,可近似认为在一个采样周期中负载转矩T1是一个恒定值,即:
将式( 1) ~ 式( 3) 写成状态方程的形式:
式中
2. 1 降阶负载转矩观测器
采用降阶思想构建负载转矩观测器:
式中
为状态变量的估计值。
将电机的运动方程应用到式( 5) ,可得:
式中,k1、k2为反馈系数。
观测器的特征方程可表示为:
式中,21= [1 0]; I为单位矩阵。
为满足逼近的速率要求,需要选择合适的反馈矩阵Ke来满足A - KeC合适的极点配置。根据期望极点 α、β,则期望的观测器表达式为:
则可得:
如忽略摩擦系数bm,则根据式( 6) 可得出:
根据式( 10) 可搭建降阶负载转矩观测器,如图1 所示。其中,Pn为电机极对数; ψf为永磁体磁链;iq为交轴电流。可以看出,降阶观测器是以积分形式对负载转矩进行观测,收敛速度较慢[11]。
2. 2 新型负载转矩观测器
为提高负载转矩观测的收敛速度,提出一种新型的负载转矩观测器,构建状态方程:
式中
构建负载转矩观测器:
式中,为状态变量的估计值; K1=[k1k2]T; K2= [k3k4]T为反馈矩阵。
由式( 11) 和式( 12) 可得:
式中,为观测误差,观测器的特征方程可表示为:
根据期望极点 α、β,以及期望的观测器表达式( 8) ,则可得
假设bm= 0,设计k1= k3= 0,则可得状态反馈系数的值:
根据式( 12) 可得出:
根据式( 17) 可构造负载转矩观测器,如图2 所示。由此可见,与传统的降阶负载转矩观测器相比,负载转矩的观测由原来的积分改进为积分+ 比例,可有效提高辨识收敛速度。
3 抗负载扰动控制
3. 1 PMSM矢量控制策略
采用id= 0 的转子磁场定向的矢量控制系统如图3 所示。
将电流环作为转速环控制对象的一部分,可得系统转速环传递函数结构图,如图4 所示。其中Kc为转矩常数。由于摩擦系数bm较小,可忽略不计。在该系统中,负载扰动作用在电流环之后,仅依靠转速调节器产生抗扰动作用有一定的滞后,可在转矩电流中加入扰动补偿,对转矩电流进行前馈补偿。
3. 2 转矩电流前馈补偿控制
将负载转矩观测器观测到的负载转矩按比例前馈补偿到转矩电流中,作为负载扰动的补偿信号,即可得转矩电流前馈补偿的永磁同步电机抗负载扰动控制系统,其控制框图如图5 所示。其中为观测的负载转矩,β 为补偿系数。
采用id*= 0 的解耦控制策略之后,可得电磁转矩方程为:
由式( 18) 中转矩与电流之间关系,可以得出补偿系数 β 应该取2 /( 3Pnψf) 。
4 仿真与实验
4. 1 仿真验证
电机控制系统仿真模型参照实际系统搭建,由以下部分构成: ①电源、逆变器、电机等功率部分; ②电流控制器、速度控制器等控制部分; ③检测和显示部分。电机仿真模型中参数参照实际电机参数,如表1 所示。仿真采用与实验对应的标幺值系统,转速基值取3000r/min,电流基值取18A,转矩基值取5N·m。
为验证观测器的观测性能,根据图1 和图2 搭建相应的仿真控制框图,仿真条件为电机空载启动,给定转速为1pu,在0. 2s时电机突加负载1pu,0. 4s时负载阶跃至0. 5pu,降阶观测器和改进型观测器的仿真结果如图6 所示。
可以看出,降阶观测器在负载突变瞬间需要0. 003s的时间恢复稳态,稳态误差约为0. 0006pu,而改进型观测器在负载突变瞬间,能很快跟踪实际负载转矩变化,准确度高,以上仿真验证了改进型观测器的可行性与有效性。因此,以下仿真及实验将对比未加入改进型观测器与引入改进型观测器时,系统的抗负载扰动特性,以验证本文提出的转矩电流前馈补偿的抗负载扰动控制策略的有效性。
根据图5 所示的系统框图,搭建抗负载扰动控制系统的仿真模型,对转矩电流前馈补偿前后的转速、电流及负载转矩观测值进行仿真,其仿真结果如图7 所示,自上至下波形依次为转速、负载转矩、q轴电流和a相电流。给定转速为1pu,0. 2s时突加5N·m负载,0. 3s时突卸5N·m负载,电机额定转矩为5N·m,额定电流为6A,根据T = Kci,可以计算出转矩常数Kc为5 /6,即为补偿系数 β。
由仿真结果可以看出,未引入转矩电流前馈补偿的情况下,0. 2s突加5N·m负载时,转速下降0. 01pu,动态调节时间约为0. 02s; 0. 3s突卸5N·m负载时,转速上升0. 01pu,动态调节时间约为0. 02s; 电流iq的调节存在一定延时,导致转速跌落幅度较大,一段时间之后才得以恢复。而加入转矩电流前馈补偿之后,转速波形下降和上升的幅度明显减小,约为0. 002pu,转速波动得到了快速抑制,但是转速波形在突加和突卸负载瞬间有一个很小的毛刺,转速波动没有完全抑制,这是因为负载转矩的观测存在一定延时,因此提高负载转矩观测器的实时性和快速性对系统抗负载扰动具有很好的促进作用。
4. 2 实验验证
为了进一步验证抗负载扰动控制策略的实用性和有效性,搭建基于TMS320F2812DSP芯片的抗负载扰动测试平台,其由负载模拟器、联轴节、转矩传感器、加载电机、加载驱动器、负载控制& 驱动器、控制器和计算机组成,实验系统如图8 所示。
在电机启动超调满足要求的前提下,给定转速为0. 4pu,突加突卸3N·m负载时矢量控制系统的实验波形如图9所示。由此可见,负载突变时,系统鲁棒性较差,电机转速易受影响。
为提高转速环的鲁棒性,首先对改进型观测器的负载转矩观测性能进行测试,实验结果如图10 所示。图10( a) 和图10( b) 分别为转速恒定为0. 4pu时突加3N·m和突卸3N·m负载时的实验波形。从实验结果来看,转矩观测值在恒定转速情况下可以在1s内达到稳态,具有一定的实时性,并且稳态观测值与实际转矩相同。
将图10 的负载转矩折算成电流前馈至电流给定,得到的引入负载转矩观测器前馈补偿时的实验波形,如图11 所示。系统转速为0. 4pu,负载转矩变化时,电机转速基本上不受影响。
由图9 和图11 可以看出,当负载转矩发生变化时,引入转矩电流的前馈补偿,转速波动幅值和动态调节时间均有所减小,相比于未加入转矩电流的前馈补偿,转速环的抗扰性能有所提高。
5 结论
本文在完成永磁同步电机矢量控制的基础上,为提高转速环的鲁棒性,对抗负载扰动控制策略进行了研究,搭建了基于Matlab /Simulink的仿真平台和基于TMS320F2812DSP芯片的实验平台,对本文提出的控制策略进行了验证,得到如下结论:
( 1) 采用改进型的降阶观测器对永磁同步电机负载转矩进行观测,响应速度快,观测精度高。
( 2) 选用合适的补偿系数将观测到的负载转矩作为转矩电流的前馈补偿,可以补偿负载转矩变化引起的转速波动。
( 3) 本文提出的基于负载转矩观测器的PMSM抗负载扰动控制策略可以提高永磁同步电机转速环的抗扰动性能。
负载控制 篇2
如果只有一台服务器时,这个服务器挂了,那么对于网站来说是个灾难.因此，这时候的负载均衡就会大显身手了,它会自动剔除挂掉的服务器.
下面简单的介绍下我使用Nginx做负载的体会
下载---安装Nginx这些不介绍了,前篇有介绍.
windows和Linux下配置Nginx负载的写法一样,故不分开介绍.
Nginx负载均衡一些基础知识:
nginx 的 upstream目前支持 4 种方式的分配
1)、轮询（默认）
每个请求按时间顺序逐一分配到不同的后端服务器，如果后端服务器down掉，能自动剔除。
2)、weight
指定轮询几率，weight和访问比率成正比，用于后端服务器性能不均的情况。
2)、ip_hash
每个请求按访问ip的hash结果分配，这样每个访客固定访问一个后端服务器，可以解决session的问题。
3)、fair（第三方）
按后端服务器的响应时间来分配请求，响应时间短的优先分配。
4)、url_hash（第三方）
配置：
在http节点里添加:
#定义负载均衡设备的 Ip及设备状态
upstream myServer {
server 127.0.0.1:9090 down;
server 127.0.0.1:8080 weight=2;
server 127.0.0.1:6060;
server 127.0.0.1:7070 backup;
}
在需要使用负载的Server节点下添加
proxy_pass myServer;
upstream 每个设备的状态:
down 表示单前的server暂时不参与负载
weight 默认为1.weight越大，负载的权重就越大。
max_fails ：允许请求失败的次数默认为1.当超过最大次数时，返回proxy_next_upstream 模块定义的错误
fail_timeout:max_fails 次失败后，暂停的时间。
backup： 其它所有的非backup机器down或者忙的时候，请求backup机器。所以这台机器压力会最轻。
Nginx还支持多组的负载均衡,可以配置多个upstream 来服务于不同的Server.
配置负载均衡比较简单,但是最关键的一个问题是怎么实现多台服务器之间session的共享
下面有几种方法(以下内容来源于网络,第四种方法没有实践.)
1) 不使用session，换作cookie
能把session改成cookie，就能避开session的一些弊端，在从前看的一本J2EE的书上，也指明在集群系统中不能用session，否则惹出祸端来就不好办，
电脑资料
如果系统不复杂，就优先考虑能否将session去掉，改动起来非常麻烦的话，再用下面的办法。
2) 应用服务器自行实现共享
asp.net 可以用数据库或memcached来保存session，从而在asp.net本身建立了一个session集群，用这样的方式可以令 session保证稳定，即使某个节点有故障，session也不会丢失，适用于较为严格但请求量不高的场合。但是它的效率是不会很高的，不适用于对效率 要求高的场合。
以上两个办法都跟nginx没什么关系，下面来说说用nginx该如何处理：
3) ip_hash
nginx中的ip_hash技术能够将某个ip的请求定向到同一台后端，这样一来这个ip下的某个客户端和某个后端就能建立起稳固的session，ip_hash是在upstream配置中定义的：
upstream backend {
server 127.0.0.1:8080 ;
server 127.0.0.1:9090 ;
ip_hash;
}
ip_hash是容易理解的，但是因为仅仅能用ip这个因子来分配后端，因此ip_hash是有缺陷的，不能在一些情况下使用：
1/ nginx不是最前端的服务器。ip_hash要求nginx一定是最前端的服务器，否则nginx得不到正确ip，就不能根据ip作hash。譬如使用的是squid为最前端，那么nginx取ip时只能得到squid的服务器ip地址，用这个地址来作分流是肯定错乱的。
2/ nginx的后端还有其它方式的负载均衡。假如nginx后端又有其它负载均衡，将请求又通过另外的方式分流了，那么某个客户端的请求肯定不能定位到同一台session应用服务器上。这么算起来，nginx后端只能直接指向应用服务器，或者再搭一个squid，然后指向应用服务器。最好的办法是用 location作一次分流，将需要session的部分请求通过ip_hash分流，剩下的走其它后端去。
4) upstream_hash
为了解决ip_hash的一些问题，可以使用upstream_hash这个第三方模块，这个模块多数情况下是用作url_hash的，但是并不妨碍将它用来做session共享：
假如前端是squid，他会将ip加入x_forwarded_for这个http_header里，用upstream_hash可以用这个头做因子，将请求定向到指定的后端：
可见这篇文档：www.sudone.com/nginx/nginx_url_hash.html
在文档中是使用$request_uri做因子，稍微改一下：
hash $http_x_forwarded_for;
这样就改成了利用x_forwarded_for这个头作因子，在nginx新版本中可支持读取cookie值，所以也可以改成：
hash $cookie_jsessionid;
假如在php中配置的session为无cookie方式，配合nginx自己的一个userid_module模块就可以用nginx自发一个cookie，可参见userid模块的英文文档：
wiki.nginx.org/NginxHttpUserIdModule
另可用姚伟斌编写的模块upstream_jvm_route：code.google.com/p/nginx-upstream-jvm-route/
原文地址：my.oschina.net/u/574366/blog/157784
负载均衡更高效 篇3
解决之道
解决这个问题的传统思路是更换技术更加先进、性能更加强大的主机服务器，然而这将使企业面临资金投入的巨大压力，而且对于一个成长型企业来说，网络应用信息量增长的速度很快，新的主机可能在不远的将来遭遇相同的尴尬处境。
另一个解决思路就是使用流量分担技术。即在网络内增加多台主机服务器，并让这些服务器保存和处理相同的应用内容。这样的主机服务器并不一定要求是技术最先进、性能最强大的，所以投资可以相对较少，但是由它们组成的服务器群，却能够共同完成网络的服务功能。当用户来访时，这些服务器轮流响应不同用户的请求，通过流量分担技术把大量的用户请求自动地分散到了不同的主机服务器中处理，从而减少了单个主机上的任务量，实现了网络流量在多台主机间的平衡处理。
流量分担技术实现的方法根据系统的软硬件不同而有所区别，有通用方法也有专用方法，有的网络系统还为此提供了专门的服务。微软新发布的Windows Server 2003就在其网络内提供了许多此类技术，主要是分布式文件系统（DFS）。
DFS 发威
DFS即分布式文件系统，主要用于解决把分散的共享资源集中管理的问题，它其实还有一个重要的功能，就是在域环境中能够利用文件复制服务(FRS)为共享目录产生副本。
DFS的基本概念是DFS根和DFS连接。DFS根指服务器或服务器组，是客户端试图访问文件时首先要前往的地方。这些服务器通常分布在一个域的各个站点中。DFS 连接是指从逻辑目录到可以处理文件请求的服务器（位于企业内的任意位置）上的物理共享文件夹的引用。在Windows Server 2003中，大大增强了DFS的功能。 Windows Server 2003 在可靠性方面，针对DFS 作了重要的功能提升：一个服务器可以主持多个DFS 根。在Windows 2000中，不可能在一个服务器上有多个DFS根。因此，需要有大量运行Windows 2000 的服务器来主持多个DFS根。在Windows Server 2003 中，取消了这一限制。此外，Windows 2000 群集的独立DFS 服务器只能主持一个DFS根，而Windows Server 2003允许主持多个DFS根。
Windows Server 2003 还改进了在跨越多个站点对复制操作进行设置时的DFS行为。在 Windows 2000中，DFS 会优先考虑与客户端位于同一站点中的目标，如果在该站点中没有连接目标，它会在任何其他站点中为该客户端请求选择任意的连接目标。这种算法不是最有效的。
例如，如果某企业有分别位于北京、天津和上海的站点，并且其客户端计算机试图访问天津中的连接，则当天津中的所有连接目标都无法访问时，该客户端计算机不会考虑通信成本的高低，而故障转移到北京或上海中的某个目标。与此不同的是，Windows Server 2003会使用主动目录（Active Directory）中的站点开销信息来选择能够满足客户端请求的站点外目标。对于该企业的这种情况，DFS 能够从主动目录了解到从天津到上海的通信费用比从天津到北京的通信费用更昂贵，因此它会根据主动目录中的站点配置相应地将天津的客户端重定向到最近的北京目标。
利用DFS
实现流量分担方法的首先要在多台主机服务器内保持相同的内容，即把某主机的特定内容动态地复制到多台主机中。比如在Windows Server 2003 里，我们就可以借助DFS 技术来完成此目的。通过使用DFS 在域环境中能够利用文件复制服务(FRS)为共享目录产生副本这一功能，就能够把指定主机服务器内某一文件夹下的内容自动拷贝到其他一台或多台服务器中，从而就实现了主机间保持相同内容的目的。
在Windows Server 2003 中使用DFS的第一步是要建立DFS 根目录。
从Windows Server 2003 的管理工具进入“分布式文件系统”管理器，在这里新建DFS根目录。建立根目录的时候系统会要求选择根的类型。DFS根的类型有两种：一种是域DFS；另一种是独立DFS，要想实现目录的副本，必须选择域DFS 类型。独立DFS 只是在非域环境内建立的，它不能支持文件复制服务。
在域环境里建立DFS，需指定域名和保存DFS 根的主机服务器名，其中域可以是本地域也可以信任域。然后如图1 所示要定义根的名称，此名称是用来在域中标识 DFS根的。接着要在主机服务器的NTFS分区内指定一个共享文件夹用来放置DFS 根。第二步是要建立链接。链接是从DFS 根中指向网络内各共享目录的指针。在“分布式文件系统”管理器里用鼠标右击已经建立的DFS根，选择“新建链接”。在新建链接的向导里需要指定链接指向的目标位置，如图2，这个位置应该是一个网络中已经存在的共享目录。然后为此链接起一个形象的名称。
通过以上建立链接的方法可以分别把网络中各个共享目录都组织DFS 中来，这样用户只要访问DFS 根就能够访问到其中的所有共享目录了。
域DFS的链接建立后，就可以为其创建副本。指定另一台服务器上的一个共享目录作为副本复制的目的地。接下来在复制向导中定义复制的具体对象。一台主机服务器里的共享目录可以被指定复制到其他多台服务器中。
至此，在多台主机内保持相同内容的工作就完成了。Windows Server 2003的DFS会利用文件复制服务，把某主机服务器的特定内容动态地复制到多台服务器中。通过定义DFS 根的属性，还可以把DFS 发布到活动目录中，当域用户在活动目录里访问此主机服务器的链接内容时，DFS就会自动在多台服务器的副本间分流访问流量。然而这样的应用只解决了企业网内部 Windows用户的访问问题，但是，许多非企业网用户也许根本访问不到域的DFS根，比如广域网用户在访问主机服务器上的Web页内容时就不是直接访问DFS根的，从而也就无法访问其中的链接副本。因此还应该选择一种更通用的方法来实现不同主机服务器间的流量分担。
借力DNS
对于上述问题，可以通过域名服务（DNS）来解决。根据DNS的工作特点，我们的思路是让DNS将同一个主机名称轮流解析到不同的IP地址，即把信息轮流交换到不同的网络主机内，这些主机就是我们在前面已经利用Windows Sever 2003 的DFS 副本技术准备好了的、保存了相同内容的服务器，从而达到在多台主机间分担网络流量的目的。
实现这一功能可以借助Windows Server 2003 的 DNS 服务器里提供的循环解析功能来完成。
首先要在DNS管理器内进行“新建主机”操作，即指定主机名称与其IP地址的映射对应关系，在此应该将所有在前面介绍的已经保存了副本目录的各台主机都定义到 DNS服务器中。设置时应该注意，要根据主机的网络地址为各台主机指定不同的IP，但同时各主机都要起同一个相同的名称。经过这一步的定义后在DNS服务器里就配置出了多台具有相同名称但不同地址的主机。接下来进入属性设置的高级配置中定义服务器选项。要达到让DNS把信息轮流交换到不同主机的目的，必须在这里选中“启用循环”选项，这个功能是此技术的关键，它利用DNS将同一个主机名称轮流解析到不同的IP地址上。
完成这些设置工作后，Windows Server 2003 网络中利用多主机服务器来分担网络流量的任务就可以实现了。当许多用户同时访问网络主机时，DNS服务器会先把第一台主机的IP地址回应给第一个用户，然后把第二台主机的IP地址回应给第二个用户，等等，当用完最后一个IP地址后再动态循环到第一台主机，以次类推。用户在访问时不用知道主机的具体网络地址，只要访问主机的名称即可，所有流量的分配工作由DNS 服务器自动完成，而且DNS 服务器还能够根据子网的划分，优先由子网内的主机来处理来自同一子网的用户访问，这样就实现了网络流量在多台主机服务器间的负载平衡。
以上介绍的这种分担流量的方法，使用了Windows Server 2003 中的DFS 和DNS两个服务，技术完全由软件实现，实现起来比较简单，而且成本低，不需要配置额外的硬件。虽然功能相对较少，但使用操作系统本身的网络技术，不需要另外的其他负载平衡服务，所以此方法通用性较强，任何提供目录副本技术和支持DNS循环解析功能的主机服务器都能够实现。
大惯量负载永磁同步电机优化控制 篇4
1电压前馈解耦电流矢量控制
1.1永磁同步电机数学模型
d-q轴坐标系下永磁同步电机定子电压方程、 运动方程和电磁转矩方程分别为[4]:
式中B ——— 粘性摩擦系统;
J ——— 电机转子的转动惯量;
Ld、Lq——— 永磁同步电机d、q轴电感;
pn——— 电机极对数;
Rs——— 定子电阻;
Tl——— 负载转矩;
ωr——— 转子电角速度;
ωm——— 转子机械旋转角速度;
ψf——— 转子永磁体磁链 。
当电机为隐极式永磁同步电机时,即Ld= Lq, 式( 3 ) 可变换为:
由式( 4) 可知,对于隐极式永磁同步电机调速系统,只需调节iq即可控制电机电磁转矩,从而达到调速的目的。
1.2电压前馈解耦电流控制策略
对于永磁同步电机调速系统电流环控制部分通常采用电流反馈矢量控制,如图1所示。电流指令值与电流反馈值进行比较,其差值通过PI电流调节器得到电压指令值[5,6]。
当电流PI调节器增益很大时,可近似地认为id= i*d、iq= iq*,从而实现对电流的近似线性解耦控制。但在实际系统中,受传感器延时、量化误差及数字采样幅值相位误差等因素的影响,电流调节器的增益决定了电机定子电流波动的大小,其取值越大,电流波动也越大,从而导致调节器的增益取值受到限制,使式( 1) 中的耦合项不能忽略, 无法实现系统控制的完全解耦。
为了消除耦合项对系统控制的影响,对电流反馈控制环部分增加了电压前馈环节,其控制系统结构如图2所示。
由图2可知,电压前馈解耦控制是通过增加前馈补偿项,将定子电压中的耦合项互相抵消,从而消除耦合项所带来的耦合扰动。且耦合项中的Ld、Lq和 ψf为系统已知常数,因此只需检测出 ωr和定子电流id、iq即可达到解耦的目的。
2负载转矩观测与转动惯量辨识
2. 1负载转矩观测与前馈补偿
根据永磁同步电机运动方程,定义TF为:
且加速转矩分量可以写成[7]:
对于隐极式永磁同步电机来说,将其电磁转矩表达式代入式( 5) 中,可得:
其中,电机极对数pn、永磁体磁链 ψf和采样周期均可认为是常数。
可以认为辨识得到的负载转矩TF与实际系统中负载转矩相等,因此,可以根据式( 7) 设计负载转矩在线观测器。
将负载观测器的输出作为扰动的补偿与定子电流交轴分量给定值iq*一起作为电流调节器的给定输入,使速度控制环的动态响应性能得以提高,控制系统结构如图3所示。
2.2转动惯量辨识
为了得到负载转矩观测值,需要知道系统的转动惯量J,然而,转动惯量会随着工况的不同而变化。因此,为了得出准确的负载转矩观测值需要对转动惯量进行在线辨识。
转动惯量的真实值表达式为[8]:
式中J*———转动惯量的观测值;
ΔJ———转动惯量真实值与观测值间的误差。 且根据式( 7) 有:
由于速度环时间常数远大于电流环时间常数,因此,在电流环采样期间,将负载转矩视为恒定值[9]。将速度给定值信号设为周期信号,即 ωm( t) = ωm( t + T) ,将速度信号微分值 ωm( t) 乘以式( 9) 中的每项,并在一个周期内积分,因在一个速度周期内负载转矩可视为常量,故其负载转矩的扰动项为零,则可得:
将式( 8) 代入式( 10) ,可得转动惯量辨识表达式:
图3 负载转矩前馈补偿控制系统结构
根据式( 11) 搭建转动惯量在线观测器,并将辨识得到的转动惯量作为负载转矩观测器的输入,实现大惯量负载发生突变时跟踪转动惯量的变化来实时观测负载转矩,并将观测到的负载转矩前馈于电流控制环构成电流控制给定值,及时跟踪大惯量负载转矩变化,提高系统转速跟踪控制的快速性与准确性。
3仿真验证
为验证负载转矩补偿控制的有效性,笔者运用Matlab /Simulink仿真平台,分别对电压前馈解耦电流控制策略、负载转矩观测器和转动惯量辨识进行仿真验证。仿真采用的隐极式永磁同步电机的参数为: 定子相绕组电阻为0. 05Ω,绕组电感交直轴分量为Ld= Lq= 0. 3m H,系统转动惯量真实值为50 000kg·m2,极对数为60,永磁体磁链为1. 48Wb,功率为2MW。
图4 电流反馈与电压前馈解耦控制
图4为电流反馈与电压前馈解耦控制速度跟踪对比仿真波形。iq*设为1. 4k A,则由图4可看出,当采用电流反馈控制时,由于耦合项带来的影响,使定子电流交轴分量不能准确跟踪给定值,导致电流跟踪有所延迟且存在一定的静态误差。当采用电压前馈解耦控制时,耦合项所带来的影响被抵消,电流跟踪效果更加精确、快速。
如图5所示,速度给定值信号设定为最大值2rad / s、最小值1rad / s,周期为0. 01s的三角波周期信号,可以看出,转动惯量辨识结果经过短时间内到达稳定值且非常接近真实值50 000kg·m2, 表明该方法转动惯量辨识精度很高且辨识速度快。
为验证负载转矩观测器的正确性,将速度给定值信号设为恒定2rad /s,电机输入的机械转矩信号设定为系统运行初始时100k N·m,当运行至0. 5s时突变至400k N·m,图6为负载转矩观测值波形。
由图6可以看出,所设计的负载转矩观测器可以准确地跟踪实际负载转矩,并在负载转矩发生突变时,能够快速、准确地跟踪实际负载转矩的变化,从而给负载补偿控制提供准确的补偿信息。
在确保转动惯量辨识与负载转矩观测的准确性和有效性之后,将进行大惯量负载永磁电机速度跟踪控制对比仿真。在系统运行的过程中,负载转矩初始为180k N·m,电机转速的给定值为1. 01rad / s,当系统运行至0. 5s时,负载转矩突变至500k N·m,电机转速给定值增加至2. 02rad /s。 未加入负载转矩补偿时,电机实际转速跟踪波形如图7所示。
由图7可以看出,未引入转矩观测器的矢量控制系统虽然能够跟踪上给定转速,但是当负载转矩发生突变时,实际转速存在明显波动。加入负载转矩补偿后,电机转速跟踪波形如图8所示。
可以看出,加入补偿后电机实际转速能够快速跟踪给定的转速,并且在负载转矩发生突变时, 能够较好地抑制扰动,使电机实际转速更快地跟踪给定转速轨迹,并且减小电机实际转速的波动,从而提高了永磁同步电机在大惯量负载时的动态响应速度。
图8 加入补偿后的电机转速波形
4结束语
链路负载均衡的应用 篇5
多宿主网络能够提高企业业务的可靠性和性能，但这种结构也面临着特殊的问题和挑战。因为多条因特网链路提供的是完全不同的公网IP地址段来让企业接入因特网，而在同一个内部网络访问因特网时，通常只能选择一个唯一的“缺省网关”，也就是说一个网络通常只可以选择一条因特网链路。如果我们将内部网络分成多个子网段，让它们各自使用一条因特网链路;或者，出网流量走一条链路，进网流量走另一条链路，那我们就达不到让多条链路互相备份以提高链路可靠性的目的。而BGP协议既不是一般情况下能采用的，也不能很好的实现多条链路负载均衡，尤其是对于进网流量更缺乏解决方案。
负载均衡器对多重连接ISP的状态进行监测
Omnirange Plus负载均衡器会随时监控多条ISP连接链路的状态，并根据监控结果对本地DNS服务器中的地址记录进行动态更新。如果某一个ISP发生工作中断(无论其原因是进行维护，工作过于繁忙，或者设备离线)，那么负载均衡器将向域名服务器发送一条动态DNS更新信息，此域名服务器将删除服务已经中断的ISP所属范围之内的全部IP地址，并将之更新为可用最佳链路的IP地址。这样内向型数据包在达到目的DNS服务器时将始终可以最快速地获得可用的目的服务器的地址，而无需象之前那样在获得一个不可用的目的服务器地址后进行漫长的等待，因此可以大大减少访问的滞后时间，
如果一个曾经中断服务的ISP恢复了工作状态，那么属于该ISP的IP地址将在域名服务器中被重新激活。
群集配置的负载均衡交换机
当企业使用了一台OmniRange Plus系列产品时，已经可以解决多因特网链路的服务问题，但此时，作为因特网数据流的必经之路，单台OmniRange Plus也会成为单点故障所在。
Asce Networks充分考虑了用户需求，对OmniRange Plus进行了群集化(Cluster)设计：ClusterNG，企业可以随时将它的OmniRange Plus系统升级成为群集结构，ClusterNG群集中的OmniRange Plus设备最多可达16台，群集对内网/外网都是透明的。整个群集采用同一个虚拟IP地址，对用户而言是单一网关;群集中的所有设备工作于负载均衡状态，大大提高了整个OmniRange Plus系统的性能和可靠性。
群集的设置十分简单，只要将第一台OmniRange Plus的设置复制到所有其他节点，再进行极其简单的群集配置便可完成。群集中任何一台设备发生问题，都不会影响用户的因特网访问。当群集建立后，您可以随时加入一台设备，也可以随时取出一台设备进行升级维护，都不影响系统的正常工作，大大方便了系统维护。
负载均衡大比拼 篇6
负载均衡的实现方法有四种：
1． 基于DNS的负载均衡：它是通过DNS服务中的随机名字解析来实现的，但不能够按照Web服务器的处理能力分配负载，无法完全解决现在网络中面临的问题：如单点故障问题、服务器资源不够用问题等。
2． Windows Server自带负载均衡服务：如果是基于IIS，Windows 2003 Server本身就带了负载均衡服务，但这一服务也只是轮流分配，可能会造成额外的网络问题。
3． 软件方式：通过一台负载均衡服务器进行，上面安装软件。这种方式比较灵活，成本相对也较低。但是软件负载均衡解决方案缺点比较多，因为每台服务器上安装额外的软件，运行会消耗系统不定量的资源，越是功能强大的模块，消耗得越多，所以当连接请求特别大的时候，软件本身会成为服务器工作成败的一个关键；此外软件的可扩展性并不是很好，受到操作系统的限制。
4． 硬件方式：通过专门的负载均衡设备实现。直接在服务器和外部网络间安装负载均衡设备，这种设备通常称之为负载均衡器，对于流量的分配可以有多种策略，但基本上都是与应用无关的，独立于操作系统。这种方式往往适合大量设备、大访问量、简单应用。
一般而言，硬件负载均衡在功能、性能上优于其他几种方式，因为它能有效地解决数据流量过大、网络负荷过重的问题。
LUDV控制系统的负载特性研究 篇7
LUDV即负载独立流量分配系统,具有两个显著优点:1)变量泵能自动调节并输出流量,提高系统效率的同时达到节能目的;2)当执行器所需流量大于泵的最大流量时,系统流量按比例分配给各执行器,保证各执行器动作的平稳。论文对LUDV系统的控制特性进行了研究,分析了LUDV系统在大负载压差下的节流阀进出口压差、流量、脉动、及功率分布情况。
1 LUDV系统工作原理
LUDV系统主要由变量泵、节流阀、压力补偿器及负载组成,其原理如图1所示。设有负载F1<F2,则:
式中PP为泵的出口压力;P1,P2为负载进口压力;P1',P2'为压力补偿器进口压力;ΔP1,ΔP2为节流阀压差;ΔP3为压力补偿器压差。
节流阀1和节流阀2的流量分别为:
式中C为流量常数;ρ为油液密度;
综合可得:
通过式(1)、(2)、(3)可以得出LUDV系统最显著的两个特点:1)各支路流量只与节流阀的通流面积有关而与负载无关。2)泵的输出压力始终高于最大负载压力。
2 系统建模
LUDV系统中压力补偿器是一种带压力反馈的减压阀,它的主要结构包括阀芯、进出油口、反馈油口等。在AMESim软件中没有现成压力补偿器及LS控制阀模型,可利用超级元件进行搭建。仿真模型根据力士乐公司的LUDV控制阀块SX的物理结构进行搭建,最终的模型如图2所示。
3 参数设置
仿真基本参数设置如下:系统输入转速2 000 r/min;变量泵排量71 m L/r;液压缸缸径105 mm;压力补偿器、LS控制阀及一些关键参数参数设如表1所示,其余参数均可接受系统默认设置。
4 LUDV特性仿真
4.1 控制特性仿真
为了使仿真结果更好的体现LUDV的控制特性,基于如下:负载1为25 k N,负载2为35 k N,,节流阀1的控制信号从0加到0.5,持续时间10 s,然后稳定在0.5 s,持续20 s;节流阀2的控制信号从第10 s开始,控制信号从0加到0.4,持续时间10 s,然后稳定在0.4,持续10 s。节流阀1、2的控制信号如图3所示。设定仿真时间为30 s,采样间隔0.01 s。
图4为系统流量的仿真曲线,从中可以看出当节流阀1的控制信号从0变成0.5时,它的流量逐渐增加到120 L/min但小于泵的最大流量。第10 s后节流阀2的流量也开始增大,第13.4 s左右泵输出流量饱和,此时节流阀1的流量开始减小,节流阀2的流量继续增大。最终节流阀1的流量稳定在87.3 L/min,节流阀2的流量稳定在68.7 L/min.由式(3)知:
说明节流阀1、2的过流流量满足按比例关系。
从图5中可以看出,在第10 s节流阀2开启,系统负载数变为2个。但节流阀1,2的出口压力基本相等,且维持在63 bar左右,说明节流阀1与节流阀2的进出口压力差相等。
以上的结论验证了式(1)、(2)、(3)的数量关系,体现了LUDV系统的控制特性,说明仿真模型是正确的。
4.2 负载特性仿真
在4.1条的基础上,将负载2的值依次设为25 k N,65 k N,105 k N,145 k N,其他参数保持不变,仿真计算更改为批处理。获得的节流阀1进出口压差如图6所示,系统流量分配如图7所示,系统脉动如图8所示。
图6中节流阀1在四种不同工况下进出口压差的变化趋势是一致的,但是该压差并不是一个定值,而是一个与系统流量有关的值。
图7中各负载情况下系统的流量分配情况基本不变,进一步说明LUDV系统中流量分配与负载无关。但从图8中可以看出:随着负载的增大,当节流阀2逐渐打开时,泵的出口脉动也随之增大,依次为5.9 L/min,11.8 L/min,16.5 L/min,21.8 L/min。
不考虑泵及液压回路的泄漏等功率损失情况,将负载的有用功与泵的输出功相比,获得系统的效率如图9所示。从图9中可知,系统稳定时效率依次为63%、53%、50%、48%,可见随着系统压差的变大,系统效率逐渐减小。值得注意的是,在节流阀2逐渐开启的时间区域内,系统的最低效率依次为45%、26%、18%、15%。对于节流阀调节频繁的液压挖掘机,这个效率的影响也是比较明显的。
5 结论
1)建立了LUDV系统的AMESim仿真模型并对关键参数进行了设置,通过仿真计算验证了LUDV的控制特性,为LUDV的参数调校,特性研究和功能完善提供了方法;
2)LUDV系统中节流阀进出口的压差并不是一个固定值,而是一个与泵的输出流量有关的变量;这对提高LUDV系统的效率有重要意义;
3)分析获得了LUDV系统不适于多负载大压差场合的原因之一,即在这种工况条件下,系统的脉动增加同时压力补偿器中的压力损失增加最终导致系统效率降低。
摘要：针对液压挖掘机中使用的LUDV控制系统,利用AMESim软件建立了该系统的仿真模型,并对其负载特性做了计算,获得节流阀进出口压差、流量、脉动及效率等特性曲线,最终验证了LUDV系统的控制特性。通过对其负载特性的分析得出:在多负载且系统压差增大时,LUDV系统的脉动增大、效率降低。
关键词：LUDV,流量分配,负载特性,AMESim
参考文献
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[7]王长江.当今挖掘机对液压系统的要求及液压系统的发展方向[J].工程机械与维修,1997,(1):38-40.
负载控制 篇8
用电管理系统智能化是用电管理现代化发展的一个必然趋势,电力电子技术的大力发展,使得用电负载出现了很多革命性的变化。起初最普遍的是电阻性负载一类的线性负载,而现在则出现了非线性负载、电磁兼容性负载、自动化供电负载和电容性负载等等这样的新型负载。新型负载的出现给供电和用电带来了许多新问题,导致了这两者之间的矛盾的日益突出,从而新型的负载识别和管理系统的建立,成为了当前解决供用电矛盾的迫切需要。非线性负载、电磁兼容性负载等这一类出现的新型负载统称为现代负载。相对于现代负载,电阻负载、电感负载等这一类的负载则称为传统负载。传统负载的识别方法对于新型负载来说已经不再适用了,新型负载需要一种更为先进的识别与管理方法,本文所讨论的就是新型负载的识别与管理方法。[1]
我国高校和大型集贸市场的用电管理相对来说比较落后,电力资源浪费严重,安全隐患也日益突出。由于热得快、电炉子等大功率用电设备大量接入公寓和市场,而学生公寓又是人口密集、用电负载类型多样的场所。当使用以上大功率的电器设备时,很容易引起火灾等事故,直接威胁同学们的人身安全和学校的财产。供电与用电之间的矛盾日益突出,传统的负载识别和管理系统远远不能满足高校后勤管理的要求,建立新型智能管理系统,是当今管理的迫切需要。
1 基于监测负载功率变化规律的负载识别
当用电器接入电网的时候,电力系统的总功率会发生相应的变化。但是对于不同的用电器,功率的变化规律是不一样的[2]。比如,当接入热得快等大功率用电器的时候,系统总功率的变化会非常大,增加的数值可达800W甚至1000W左右,最少的也要增加250W左右。而对于电脑等非线性负载,电灯等感性负载,它们接入电力系统之后总功率的变化幅度则不如纯电阻负载大,一般来说系统功率会增加30W到100W左右,也即是说,接入不同类型的负载时,系统功率增大的幅度是有很大差别的。
除了功率会增加之外,负载识别的另外一个重要依据就是功率因数。一般的大功率器件都是电阻性负载,所以其功率因数趋近于1。而对于非线性负载或者混合负载,功率因数都明显小于1,所以我们可以同时根据功率因数的大小来判断负载的类型并作相应处理。
根据上述理论,我们可以建立一个实时的时域上的矩阵,这个矩阵总共包括10行,记录的信息包括了每隔2s采集的系统的功率值、电流值、电压值和功率因数,也即20s内的系统的各个特征值。本系统的设计要求是采集16路的电信号进入到单片机中,16路的电信号包括1路电压信号和15路的电流信号,所以时域矩阵的每一行总共包含有18个量值。构造的时域矩阵如:
然后单片机会首先对采集的功率值进行对比监测,如果发现后面采集到的功率值较前面一次采集的功率值增加的幅度超过250W,并且从这一次采集的数据开始,后面的3组数据的增长幅度较第一次功率增加的值的前面的一次对比都超过了250W,则初步判定可能有大功率电器接入电网中。其次单片机会在对功率因数进行检测,判断在这6s之内功率因数的数值的大小,若功率因数接近于1,则证明确实是有大功率电器接入到电网中,下一步就要进行断电操作;若功率因数明显小于1,则证明接入的可能是混合负载,则要进行下一步的负载识别,即基于FFT的负载识别,从而对混合负载中的负载种类作进一步的判断,然后再作相应的负载管理操作。本设计中采用的负载管理方法是触发继电器操作,使违规电器被迫退出电力系统。
2基于快速傅里叶变换的负载识别
当基于监测负载功率变化规律的负载识别无法判别出接入电网的负载是否符合要求的时候,就要利用基于快速傅里叶变换的负载识别[3]。快速傅里叶变换是经典的信号分析方法,它具备正交、完备等诸多优点,在负载识别、电能质量分析等领域已经有了非常广泛的应用。但是,要应用这种方法必须要具备以下两个条件:
(1)满足采样定理的要求,即采样频率是最高信号频率的两倍以上;
(2)被分析的波形必须是稳态的、随时间周期变化的。
因此,当采样频率或者信号不能满足以上条件的时候,快速傅里叶变换的分析会产生“频谱泄露”现象,这是会给分析带来误差的[4]。
本系统中的基于快速傅里叶变换的负载识别的关键就在于负载特征矩阵。负载特征矩阵的实质就是事先采集好的一个特征参数数据库。部分采集好的特征参数如下所示:
以上特征参数原始数据表转换为特征参数矩阵即如下图所示:
以上的负载特征参数矩阵是以数组的形式存放在外扩芯片Intel6264中的。当有实时的数据经过采集电路进入到芯片,并且经过快速傅里叶变换变为频域上的数据之后,就要经过多次的迭代运算来判断采集的数据最接近矩阵中的哪一组。这种方法类似于电力系统分析中的牛顿-拉夫逊法。
设Intel6264中的特征矩阵中的参数为标准信号,其模型的离散波形为:
实时采集的信号经过FFT之后得到的模型的离散波形为:
为了验证接入的负载是哪种类型的负载,也即检验采集的信号经过FFT之后最为符合特征矩阵中的哪一行,我们还需要引入另一个函数,即均方差函数E,形式如下所示:
这个函数方程的作用就是用来验证m(n)和s(n)是否一致。过程就是要求出两者之间的误差并使其达到最小,同时还要设定一个阈值δs,通过比较误差和阈值来判断所采集的信号数据最接近于特征矩阵中的哪一行,从而也就判断出到底是哪一类负载。
验证过程的实质其实是一个参数修正过程。我们把实际采样的数据s(n)分成两组,一组为训练组s(n),另一组为测试组T(n),即s(n)=S(n)+T(n)。其中,选定s(n)的长度为M1,T(n)的长度为M-M1,其中M为数据的总长度。
我们还需要定义两个均方差函数,一个是训练组均方差函数,形式为:
在运用算法使得Es最小化得到一些修正参数之后,利用这些参数形成的测试组的均方差函数为:
根据设定的误差限值δs,若得到的ET≤δs,则证明接入的负载符合特征矩阵中的某一行数据,从而就可以识别出接入的负载的类型,能够进行下一步的负载控制与管理;若得到的ET>δs,则需要调整计算的谐波次数,调整过后再进行下一步的参数修正过程。在规定的计算次数p之内仍无法识别出负载的话,则结束此次识别过程,进入下一次的负载识别。这个过程是不断在进行的,矩阵中的每一行都在循环往复不断重复着这个过程。当有违规负载识别出来之后,通过相应的中断程序执行继电器动作,从而完成整个负载识别和控制管理过程。
参数修正的过程流程图如3所示,其中,p表示迭代次数,p是每循环一次就加1,pM代表最大迭代次数,N代表谐波的次数,N每循环一次就减1,本系统设定N为15。判断一次循环结束的条件有三个:(1)ET≤δs;(2)N=1;(3)N=1且ET未达到收敛标准。
3 基于FFT的负载识别
在日常生活中,我们经常碰到的负载类型有很多种:阻性负载、感性负载、非线性负载等等,当然还有它们的混合负载[5]。为了达到安全用电,预防各类事故发生的目的,我们要对负载的类型进行相应的识别。具体的思路就是:采集用户使用的负载的电压和电流信号,并对其进行快速傅里叶变换,最后根据频域上的特征参数矩阵进行识别管理。
3.1 FFT负载识别的基本思路
典型负载的波形分为两种,一种是在标准正弦电压下的波形,还有一种是在非标准正弦电压下的波形。下面将讨论标准正弦电压下的典型负载的波形。我们将以DELL OPTIPLEX330+1达硕主机加上一个750W热水壶和一个1个100W电灯的混合负载为例,画出标准正弦电压下的负载信号的波形及幅频响应图。如下图所示,其中采样频率为6400Hz,采样点个数为128个。图中将同时给出电压和电流的波形。
3.1.1标准正弦电压下的负载的频谱图
通过比较以上各种类型的负载的负载电压和电流的波形图以及电流的幅频响应图,我们可以得到以下结论:
(1)对于纯阻性负载,电压和电流是同相位的。
(2)50Hz的电压信号仅在电流上产生50Hz、150Hz、250Hz等奇次谐波,并且它们的幅值衰减速率是很快的。但是只有50Hz的电流分量才产生功率,其他频率的电流分量产生的功率可以忽略不计。
(3)当仅有计算机负载时,从时域上分析,其电流波形是区别于其他负载的电流波形的,波形有两个尖峰,这已经完全不同于正弦信号;而其他的负载的波形仍然是具有正弦信号的特点的。
(4)含有计算机负载的混合负载和仅有计算机的负载相比,快速傅里叶变换后的幅频响应图中,基波分量所占比重明显增大,而高次谐波分量所占的比重明显降低。
(5)仅有计算机负载时,电流信号50Hz与150Hz的幅值比为1.2,相位差为-0.5。
3.1.2非线性负载的识别
由于线性负载可以在第一种识别方法中识别出来,所以快速傅里叶变换主要针对的是非线性负载的识别[6]。通过分析仅含有非线性负载的电流和电压幅频响应可以看到,电压信号只有50 Hz分量很大,而其他奇次频率的分量非常小,可以忽略其他频率分量产生的功率,因此可以用电流电压50Hz分量来计算负载功率。
在对采样得到的混合负载电流信号进行FFT后,得到的50 Hz分量是混合负载的电流,我们无法直接算出非线性分量所占比重,而根据频谱分析图,我们可以认为150 Hz分量等此类的奇次分量只有非线性负载产生,而其他类型的负载所包含的150Hz等奇次分量是可以忽略不计的。电流信号中的150Hz分量来源于两个部分,一个部分是电压信号中的50 Hz分量所产生的电流信号中的150 Hz分量;另一部分是电压信号中的150 Hz分量所产生的电流信号中150 Hz分量。在上一章节中,我们得到过如下结论:非线性负载的电流幅频响应中50Hz与150 Hz幅值比为1.2。
根据以上关系,就可以确定出电压信号中的50 Hz分量所产生的电流信号50 Hz分量的值,再根据相应的公式就能够计算出非线性负载的功率。
4 基于C8051F040的电力系统复杂负载识别管理系统硬件设计
本系统的设计主要是针对学生公寓、集贸市场等人口密集并且用电量比较大、用电负载类比较多的场所而设计的。有以下主要功能:
(1)负载识别。根据采样信号的特征值识别负载类型;
(2)断电处理。当用户接入空调、电视机、计算机等负载时,整个区域将正常供电。
但是当接入热得快、电磁炉等大功率电器时,将对用户进行断电处理,防止由于功率过大而发生事故。
本系统主要包括了主控制板、片外存储器、锁存和分频器、液晶显示模块、电源模块、采样电路和继电器执行模块等7个部分。系统框图如下所示。
5 基于C8051F040的电力系统复杂负载识别管理系统软件设计
本系统的软件程序包括以下几个主要部分:数据的采集,功率突变检测,快速傅里叶变换(FFT),迭代验证,外部器件的控制等。
程序流程图如图12所示:
6 结束语
本文主要是针对学生公寓、集贸市场等人群密集大型场所,为了实现其安全用电,解除用电隐患而设计的了一种集中供电复杂电力负载识别与控制。采用了比较实用的软件算法进行负载识别和控制管理。一种是功率参数突变检测算法,另一种就是比较常用的快速傅里叶变换(FFT)算法。通过这两种算法的有机融合,提高了负载识别的可靠性。负载识别与控制管理是一个常谈常新的话题,现代技术的发展虽然很快,但在一些特殊场合,普通的负载识别器仍然是无法满足所要求的,这从侧面反映出它的发展前景仍然是十分广阔的。
参考文献
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负载控制 篇9
1 系统总体方案设计
按照主从控制和交叉耦合控制的原理[3]:即将一台电机作为主电机,主电机及其控制回路作为主回路,另外一台电机及其回路作为从回路,通过一个耦合器将主电机的某一输出信号变换为从电机的输入,在这里是将主电机的转矩信号输入从电机,达到从电机跟踪主电机转矩的目的,系统框图见图1。
图1中,交叉耦合控制器采用速度调节器,作用为将给定的速度信号ω*与反馈的速度信号ω变换为转矩信号T*;控制器采用转矩调节器,作用为将T*转换为定子电流转矩分量i*T1、i*T2。控制环路包括逆变器、控制单元等部分,作用是将控制信号定子电流转矩分量及定子电流励磁分量i*M1、i*M2转换为控制电机的三相电流iA1、iB1、iC1和iA2、iB2、iC2。
2 系统数学模型建立
在图1的主回路中,速度调节器采取P I调节器,即式(1)。KP为比例系数,TI为积分系数,p为微分算子。
转矩调节器为式(2):
K=ΨrconCIM,其中:Ψrcon为转子磁链定值即Ψrcon=constant(常数);CIM为转矩系数,等于npLmd/Lrd,其中np为电机磁极对数,Lrd为转子一相绕组的等效自感,Lmd为定、转子一相绕组之间的等效互感[4]。
以上各个系数由两方面因素决定:一是控制系统的设计,二是所使用电机的各参数。两个电机的参数不同导致负载不平衡,因此对两个不同的电机采用不同的系数,使得两者实现负载平衡。
控制回路包括Park逆变换(即反旋转变换)和Clark逆变换两部分,作用是将转矩电流分量ir*和励磁电流分量iM*转换为用于控制电机的三相电流。该处可以将控制环路和电机两部分用三相异步电机的等效直流电动机模型来代替。另外,因为两个电机是通过一根刚性主轴连接的,等效直流电动机模型中的运动部分应有相应体现,整个系统如图2所示。图中K1、K2为转矩调节器系数,Tr1、Tr2为电机1和2转子电路的时间常数,CIM1、CIM2分别为电机1和2的转矩系数,TL为外加负载转矩,J为机电系统转动惯量,p为微分算子。
3 Matlab仿真
对系统在Matlab中进行仿真,仿真图如图3所示,参数设定在图上标出。图中Te1、Te2为电机1和2的转矩,ωr为实际转速,s为一个复数变量,称为复频率。
两台电机的转矩输出波形如图4所示,在负载转矩TL为20 N·m时,两台电机功率相同,参数略有差异的电机转矩Te1、Te2都非常接近10 N·m,完全实现了负载平衡,达到了设计目的。如果不使用转矩调节器进行耦合,即两台电机采用相同的转矩电流,电机1转矩在10 N·m以上,电机2转矩在10 N·m以下,两台电机的负载有明显的差异,如图5所示。
4 结语
对于同轴串联的双电机,由于制造上的差异,即使同型号、同批次的电机,其参数也不可能完全相同。本文将矢量控制理论应用于同轴串联的双电机的负载平衡,通过Matlab仿真证明了理论上的可行性。由仿真结果看出,采用矢量控制理论的系统中,两台电机可实现承担相同负载的设计目的;而对于只含单个转矩调节器的系统中,两台电机承担的负载有明显差异。在仿真的过程中发现,要实现双电机的负载平衡,测算出准确的电机参数是必需的,这将是在接下来的研究工作的重点和难点。
参考文献
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负载控制 篇10
本文考虑到基于数字功率计的微控制器已经被广泛用于监控不同时间的电力消耗量和最大电能需求量,并且这类的监控容易实现对个体用户耗电量的实时测量,故通过对个体用户耗电量的测量可有效提高电力监控和计量的精度和效率[8,9]。除此之外,当电力供应处于局部供不应求的状况时,极易造成电网中电压和频率的波动,最终导致整个电网的不稳定,严重时甚至会引起电网的损坏,从而造成巨大的经济损失。
综上所述,本文设计了一种基于PIC微控制器的数字控制系统以从电力供应的角度自动调节个体用户的负载功率,并充分利用PIC微控制器的优异性能、功率效率和设计的柔性。在第1.1节中,将详细叙述控制装置的硬件体系架构,并对装置中各个组成单元的功能进行介绍;在第1.2节中,将重点介绍控制装置的软件架构,并对控制程序的流程图进行叙述;在第2 节中,根据设计的硬件和软件体系结构搭建实验用的自动控制装置,然后通过实验测试验证的有效性;本文的第3 节则对本文设计的自动控制装置进行总结。
1 系统体系架构开发
基于微控制器控制单元的体系架构如图1所示,由电压/电流传感单元、微控制器、精密整流器、取样保持电路、蜂鸣器、继电器和LCD显示器等部分组成[10,11,12,13],且该整个控制系统均采用230V/50Hz的AC电源。其中电流传感器用来检测信号的电流,该信号经放大后输入到精密整流电路;同时利用降压器检测信号的电压,并且降压器输出的电压经过精密整流电路后输入取样保持电路;整流电路和取样保持电路的输出均为模拟量,并通过为控制器中的ADC部分转换为数字量。此外,微控制器可同时检测电压和电流,并且当电压和电流值超过设定值时,电子开关将自动关闭,这就意味着整个电力供应系统将关闭;在经过预设的时间后,微控制器将重新判断电压和电流的设定值,如果电流小于或等于设定值,负载将被重新接通,反之则继续保持切断状态。
1.1 控制单元硬件体系架构
基于数字控制系统的硬件体系结构如图2所示,电力消耗被电流/电压传感器和微控制器等限定,以避免耗电量超过规定的需求量。其中数字控制系统可分为电压传感器、电流传感器、放大电路、整流电路、采样保持电路、微控制器、继电器控制单元、显示单元和电源九个部分组成,且这九个部分硬件的详细描述如下:
电压传感器(降压器,3V-0-3V):交流电源通过一个变压器进行降压,并利用精密整流器进行整流,经分压器电路后最终输入微控制器。
电流传感器(WCS 27270):本文采用基于霍尔效应的交流电流传感器,但通过霍尔效应获得的输出电压极小,需要额外的电子设备进行放大处理。
放大电路:由于电流传感器输出的电压很小(μV),为了使其达到可使用的电压水平,故本文采用运算放大器(LM324)对输出电压进行放大,其放大比接近于7。
精密整流电路:考虑到信号极低的电压、电流和功率,本文的精密整流电路采用小信号整流器,其可对极低峰值的信号进行整流。
采样保持电路:鉴于模拟数字转换器(ADC)需要稳定的信号以实现精确的模数转换,故采样保持(S/H)电路的主要目的在于为AD转换器提供充裕的转换时间。对于快速变化的模拟信号,S/H电路的主要作用在于对ADC输入端的信号进行周期性地采样,并保持每一个采样信号的振幅。
微控制器(PIC16F877A):微控制器是一种低成本可编程的单片机,由微处理器、存储器和输入/输出接口等部分组成,被广泛应用于自动控制领域。通过整流和S/H电路得到的电压及电流从微控制器的PIN2和PIN3输入,并利用其内置的AD转换器进行模数转换。
继电器控制单元和蜂鸣系统:一个6V的继电器被用于实现连接负载的开关转换。如果电路的功率在预先设定值以内,继电器将不会发生反应,当功率接近预设极限值时,与微控制器PIN21连接的蜂鸣器将连续间歇性的哔哔声以警示用户,而但功率超过预设极限值时,继电器立即将负载从电源上断开,并且继电器在预设时间(10秒)内一直保持断开状态作为一种惩罚措施。在此期间,继电器继续对负载的状态进行监控,如果负载功率仍然超过预设限定值,继电器在下一个预设时间内将继续保持断开状态,直至负载功率恢复到预设限定值以内,继电器才会接通并使系统正常运行。
显示单元:微控制器可以控制点阵液晶显示器显示相关字母数字的字符和符号。在本文中,LCD主要用于显示负载的电压、电流和功耗。
供电系统:电路中每一个部分的运行都需要合适的电源,本文中的微控制器、运算放大器、LCD和继电器均采用±5V的直流电源。
1.2 控制单元软件体系架构
本文提出控制单元的软件采用C语言进行编译,其算法的流程图如图3所示,控制单元控制算法的步骤叙述如下:
开始;
初始化;
检测电压、电流及相位差,如功率因子;
计算功率,P=VIcosΦ;
显示电压、电流和功率;
接通负载;
判断功率是否大于额度功率;C1:如果负载功率大于额度功率,控制单元将发出长嘟嘟的报警声,并切断负载;在经过预设时间后,将再次判断负载功率,如果消耗的功率小于额度功率,控制单元将接通负载并转动第7 步。C2:如果负载功率小于但接近额度功率,控制单元将在规定的时间间隔内发出短嘟嘟的报警声,并且负载保持接通状态;
转到步骤3继续执行。
2 实验测试与结果分析
在实验室条件下(系统功率为500W)对该控制单元进行测试,先利用功率表对负载消耗的功率进行测量,并通过LCD显示器进行显示。电流传感器和电压传感器的输出利用数字存储示波器(DSO)进行测量和校准,控制系统中负载的功率显示如表1 所示。由表1 的结果可以看出,当负载功率超过500W时,控制单元切断负载10秒(预设时间,可调),并发出连续的长报警声。经过预设时间后再次检测负载功率,如果在规定的功率内,则控制单元会再次接通负载。当负载功率大于350W且小于500W时,控制单元会发出规律并且间歇性的报警声,但当消耗功率小于350W时,控制单元将没有任何的限制。此外,根据实验测试的结果可以可以看出,该控制单元工作稳定且反应迅速,具有较高的实用价值。
5 结束语
本文提出一种能够自动控制电力过度消耗的负载管理系统,即按照设定的功率需求研制电力供应管理(SSM)装置,并对其实际工作性能进行实验测试。SSM装置可为长期忍受能源短缺的国家进行可持续的能源保护和管理,并可利用相似的方法搭建性能更为优异和复杂的SSM装置,然后根据可用的功率将消耗负载控制在允许的范围以内,对于实现国家智能电网具有重大的意义。
摘要：随着我国经济的快速增长,对于电力的需求也急剧增加,其中许多地方的电力消耗要高于其发电量,从而造成局部的电力短缺。而目前解决电力短缺最为有效方法是对电力进行有效的管理,通常对电力的管理有两种常用的方法,包括电力供应管理(SSM)和电力消耗管理(DSM)两种方法。作者提出一种基于SSM的自动控制系统,其能够对个体消耗的功率进行自动调节和监控电力的过度使用,以最大程度上减少负载功率超过额度需求的运行情况。该控制系统的设计包括软件和硬件两个部分,然后在实验室条件下对其进行实验测试,其结果表明了该装置在电能管理领域的巨大应用潜力。
负载均衡技术实现方法分析 篇11
关键词：负载均衡 链路聚合 均衡策略
TP393.09
Internet的规模每一百天就会增长一倍，客户都希望能够获得不间断可用性及较快的系统反应时间，但是随着网络的业务量的提高、信息量的加重，单一设备根本无法承担。在此情况下，如果扔掉现有设备去做大量的硬件升级，这样将造成现有资源的浪费。于是，负载均衡机制应运而生。
负载均衡（Load Balance）建立在现有网络结构之上，它提供了一种廉价有效透明的方法扩展网络设备和服务器的带宽、增加吞吐量、加强网络数据处理能力、提高网络的灵活性和可用性。
根据OSI参考模型，一个网络可以分为七个层面。我们从不同的层面着手，解决负载均衡的方法也就各异。在一般情况下，普遍都是通过传输链路聚合技术、借助更高层网络交换技术和设置服务器集群策略等几个角度来实现。
1.数据链路层均衡技术
传输链路的备份是提高网络系统可用性的重要方法。目前的技术中，以生成树协议（STP）和链路聚合（Link Aggregation）技术应用最为广泛。
1）生成树技术
生成树协议（Spanning Tree）提供了链路间的冗余方案，允许交换机间存在多条链路作为主链路的备份。网络创建时，网络的所有节点间可以存在多条路径，生成树算法计算出最佳路径，在网络中定义了一个树，并且强制其他的路径处于备用状态。
当发现生成树中一部分网络不可达，或发生了某种变化时，生成树算法就会重新计算生成树拓扑，并且通过启动备份路径来重新建立连接。生成树技术要防止局域网中产生环路，因为环路会使网络发生故障。原始生成树协议 IEEE 802.1D通常在50秒内就可以恢复一个链接故障[融合时间=（2xForward_Delay）+Max_Age]。当设计此协议时，这种停机还是可接受的，但是当前的关键任务应用（如语音和视频）却要求更快速的网络融合。为此，IEEE委员会开发了新标准，在IEEE 802.1w中定义的快速生成树协议（RSTP）以减少停机的时间。
2）链路聚合技术
链路聚合技术亦称主干技术（Trunking）或捆绑技术（Bonding），其实质是将两台设备间的数条物理链路“组合”成逻辑上的一条数据通路，称为一条聚合链路，链路聚合成员彼此互为冗余和动态备份。实现的目标是提高链路可用性、线性增加带宽、分担负载、实现自动配置、快速收敛、保证传输质量、对上层用户透明、向下兼容等等。交换机之间多条物理链路组成一条聚合链路。该链路在逻辑上是一个整体，内部的组成和传输数据的细节对上层服务是透明的。
2.高层负载均衡技术技术
高层负载均衡技术通常操作于网络的第四层或第七层。第四层负载均衡将一个Internet上合法注册的IP地址映射为多个内部服务器的IP地址，對每次TCP连接请求动态使用其中一个内部IP地址，达到负载均衡的目的。第七层负载均衡控制应用层服务的内容，提供了一种对访问流量的高层控制方式，适合对HTTP服务器群的应用。
1）DNS负载均衡
DNS负载均衡技术是在DNS服务器中为同一个主机名配置多个IP地址，在应答DNS查询时，DNS服务器对每个查询将以DNS文件中主机记录的IP地址按顺序返回不同的解析结果，将客户端的访问引导到不同的机器上去，使得不同的客户端访问不同的服务器，从而达到负载均衡的目的。
在win2000 server下实现DNS负载均衡的过程是：
在DNS服务配置控制台中打开相应DNS 服务器的“属性”，在“高级”选项卡的“服务器选项”中，选中“启用循环”复选框。
打开正向搜索区域的相应区域（如test.com），新建主机添加主机 （A） 资源记录，记录如下：
www IN A 192.1.1.1
www IN A 192.1.1.2
www IN A 192.1.1.3
可以看到的区别是在NT下一个主机名“www”对应多个IP地址记录。
2）NAT负载均衡
NAT（网络地址转换Network Address Translation）简单地说就是将一个IP地址转换为另一个IP地址，一般用于未经注册的内部地址与合法的、已获注册的Internet IP地址间进行转换。
NAT负载均衡将一个外部IP地址映射为多个内部IP地址，对每次连接请求动态地转换为一个内部服务器的地址，将外部连接请求引到转换得到地址的那个服务器上，从而达到负载均衡的目的。
3）反向代理负载均衡
普通代理方式是代理内部网络用户访问internet上服务器的连接请求，客户端必须指定代理服务器，并将本来要直接发送到internet上服务器的连接请求发送给代理服务器处理。反向代理（Reverse Proxy）方式是指以代理服务器来接受internet上的连接请求，然后将请求转发给内部网络上的服务器，并将从服务器上得到的结果返回给internet上请求连接的客户端，此时代理服务器对外就表现为一个服务器。
反向代理负载均衡技术是把将来自internet上的连接请求以反向代理的方式动态地转发给内部网络上的多台服务器进行处理，从而达到负载均衡的目的。
参考书目：
1.华为3COM技术有限公司，华为3COM网络学院教材，2004年12月，P255-259，P273-280
2.丁宇，中文Windows server 2003网络管理与网站构建，冶金工业出版社，2005年2月，P150-210
负载控制 篇12
配电网中越来越多的电力机车、轧钢机以及电弧炉等大容量不平衡负荷投入运行,由此引起的电压不平衡、波动及闪变等电能质量问题会给配电网和电力用户造成各种危害。 对此,国内外学者进行了广泛深入的研究,其中配电网静止同步补偿器 (DSTATCOM)以其快速的动态响应能力 、 更宽的运行范围和良好的谐波性能等优势,在不平衡负荷补偿中受到了越来越广泛的关注和应用[1,2,3,4]。 此外,由H桥功率模块级联构成的级联DSTATCOM可实现高压大容量化,并且各模块直流侧彼此独立,容易实现均压,同时各功率单元结构相同,便于模块化的设计、安装及维护,非常适合在中高压配电网中应用。
三角形结构的级联STATCOM的三相输出电流可独立控制,因此在补偿不平衡负载时受到了更多的关注与研究,但其每相换流链承受电网线电压,因此其级联H桥的数目是相同电压等级星形结构的姨3倍,成本增加。 星形结构的级联STATCOM受限于三相输出电流之和为零的约束条件,其研究多限于补偿平衡负载的工况[5,6]。 通过引入D / Y型隔离变压器,星形级联STATCOM具有补偿不平衡负载的能力[7,8],但是变压器的引入使其工程应用价值受限。 此外,有文献采用基于零序电压叠加的控制方法,取得了较好的补偿不平衡负载的效果,但是零序电压计算方法较复杂,且容易引起系统失稳。
三相四线制级联DSTATCOM由于可以直接接入电网,省去了复杂的多重化变压器或隔离变压器同时具有分相不对称补偿能力,因而得到了越来越多的研究[9]。 有文献提出分序控制策略[10],需在正序、负序及零序坐标系下分别建模并设计控制器参数,过程繁琐且无法实现选择性补偿。 还有一些文献采用基于导纳补偿的分相控制策略[11],但指令电流检测计算复杂,动态性能差,补偿能力有限。
对于三相四线制不对称负载的补偿,在电流跟踪环节无法通过旋转坐标得到直流分量,故需对交流信号直接跟踪,传统比例积分(PI)控制器对无功谐波等周期性信号直接跟踪时存在静差。 基于内模原理的重复控制器因对周期性信号跟踪精度高而在并网逆变器中广泛应用[12,13,14,15]。 但重复控制以工频周期为步长对误差信号进行修正,动态响应时间长,且需存储一个周期内的误差信息,占用的存储空间大。
本文针对以上分析的不足,基于三相四线制级联DSTATCOM可等效为3个独立系统的特点 ,提出静止坐标系下的DSTATCOM瞬时电流分相控制策略, 在正、负序同步旋转坐标系下分别提取基波正序负序无功分量,可按照系统容量灵活选择补偿模式为提高无功补偿精度,引入快速重复控制,设计了基于PI控制内环和快速重复控制外环的电流双环控制策略,其中快速重复控制器以工频半周期为步长对误差信号进行调节,动态响应时间更快,所需存储空间减少一半。 最后搭建三相四线制DSTATCOM仿真模型和实验样机进行验证。
1三相四线制不平衡负载无功指令提取
DSTATCOM对配电网不平衡负载补偿的目标是:当补偿容量足够时完全补偿大容量冲击性不对称负载产生的负序、零序分量和正序无功分量,保证电网电流对称,且只含基波正序有功分量,提高配电网侧的功率因数;当补偿容量不足时优先补偿不对称负载的负序、零序分量,尽量保证电网电流对称[16,17]。
1.1正、负序同步旋转变换及滑动平均滤波
对于三相四线制不平衡无功负载,根据对称分量法,负载电流可分解为正序、负序和零序分量:
其中,ωt为a相电网电压的相位角;下标“P”、“N” 和“0”分别表示基波正序分量、负序分量和零序分量;ψP、ψN和 ψ0分别为正、负、零序初始相位角。
上式中各分量均为交流分量,为提取出指令电流,使用式(2)矩阵对其进行同步旋转变换:
经正序同步旋转变换(θ=ωt),可得:
经负序同步旋转变换(θ=-ωt),可得:
其中,下标“+”、“-”分别表示正、负序同步坐标系, “d”、“q”分别表示对应同步坐标系下d、q轴分量。
由式(3)、(4)可以看出,在正序同步坐标系下, 负载电流基波正序分量变换为d、q轴上的直流量, 基波负序分量变换为2倍工频(100 Hz)的交流分量, 零序分量为0。 而在负序同步坐标系下,负载电流基波正序分量变换为2倍工频的交流分量,基波负序分量则变换为直流分量,零序分量仍为0。
为了提取出直流分量,在此引入滑动平均滤波器(MAF)[18]。 MAF的时域数学模型为:
其中,x(t)、xave(t) 分别为MAF的输入信号 、 输出信号;Tw为MAF的滑窗长度。 进行离散域的分析时,假设MAF的滑窗中包含输入信号的N个采样点信息, 即Tw= NTs(Ts为采样周期),则MAF的离散域描述如式(6)所示,其中x(k)为当前采样点信息。
将式(6)所示差分方程转换到z域中,可得MAF的传递函数为:
该设计中,MAF用于滤除2倍工频分量,可将Tw定为工频周期的1 / 2。 此时MAF的幅值、频率特性曲线及其阶跃、谐波瞬态响应曲线分别如图1、2所示。 作为对照,给出了截止频率为30 Hz的传统二阶低通滤波器(LPF)的对应曲线。
由图1可知,MAF具有完全低通特性,对直流分量既无幅值衰减,也不会引入相位滞后,而对2倍工频分量的衰减幅度则比二阶低通滤波器大,滤波效果更好。 此外,由图2可见,MAF的阶跃、谐波响应速度均快于二阶低通滤波器,且稳态跟踪误差更小。
1.2不平衡无功指令选择性提取
综合上述分析及DSTATCOM的补偿目标,设计了不平衡负载无功指令的选择性提取方法,如图3所示。 负载电流分别进行正、负序同步旋转变换后, 经MAF提取出直流分量再经同步旋转反变换,可实现正序无功分量iref P j与负序分量iref N j(下标j = a,b, c)的分离,零序分量iref0按照定义法得出。 此后,可根据DSTATCOM系统容量选择补偿模式。
当容量不足时,优先补偿负序无功和零序无功(即不平衡补偿模式)以保证电网电流平衡(iref j为无功补偿指令值):
当容量足够时,选择全补偿模式:
2三相四线级联DSTATCOM分相控制策略
2.1级联DSTATCOM拓扑结构及数学模型
图4为三相四线制级联DSTATCOM的主电路拓扑结构,每相由M个H桥单元级联构成,采用Y型接法通过滤波电感L接入电网,其中usj、isj为电网电压、电网电流(下标j=a,b,c),iLj为负载电流;ucj、ic j分别为DSTATCOM输出电压和电流。
三相四线制级联DSTATCOM为三相相互独立的非耦合系统,可以等效为3个单相DSTATCOM,其中分相被控对象的传递函数为:
2.2级联DSTATCOM电流控制策略
在DSTATCOM分相控制策略中,无功指令irefj为交流量,PI控制跟踪交流量时存在稳态误差,因此引入基于内模原理的重复控制器,设计了基于PI控制内环和快速重复控制(FREP)外环的电流双环控制策略,如图5所示,其中GP(z)为受控对象 ,GPI(z)为内环PI控制器的传递函数,PI控制内环设置滞后一拍环节z-1,模拟采样及计算延时的影响;重复控制外环包括内模发生器、补偿环节S(z)及1 / 2基波周期延时环节z-N/2(N为一个基波周期内的系统采样点数) 双环控制系统中,PI控制内环为重复控制外环提供一个稳定的控制对象,重复控制则对PI控制环的控制误差进行修补,提高闭环系统的控制精度。
在动态响应方面,传统重复控制(REP)需要N次采样才能对重复控制的内模进行一次更新,即需要滞后1个电网基波周期才能起作用,或者说存在1个基波周期的固有延时 , 而快速重复控制只需要N / 2次采样就能对重复控制的内模进行一次更新不仅占用存储空间减少一半,而且固有延时也减少一半。 另外,双环控制策略由于误差前馈通道的存在,指令和扰动的动态变化将通过前馈通道直接加载到PI控制环上,PI控制器可以立即对动态变化做出响应,动态响应速度主要取决于PI控制内环闭环带宽。 因此,PI控制器既起着为重复控制提供稳定控制对象的作用,又负责系统动态响应速度。
快速重复控制的内模发生器对信号周期性积分基波和谐波抑制能力良好,在离散域中传递函数为:
其中,Q(z)通常取略小于1的常数,用于改善系统稳定性;z-N/2为1 / 2基波周期延时环节。
补偿器为相位矫正环节zk和二阶滤波环节S(z的串联组合:相位矫正环节用来矫正补偿带宽内的相位滞后,通过1 / 2基波周期延时实现超前矫正;二阶滤波器对高频振荡进行衰减,保证系统的稳定,同时减小对低频段相位补偿的影响。
图6给出了补偿前后的内环频率特性对比,可以看出,补偿后控制器在更宽频率范围内,实现了对指令零幅值衰减、零相位滞后的跟踪。
2.3级联DSTATCOM直流母线电压均压控制策略
直流母线电压的稳定与均衡,是级联DSTATCOM稳定工作的前提条件。 直流母线电压控制有2个目标:每相直流母线总电压稳压控制;每相相内直流母线电压均衡控制。
直流母线总电压控制是在不外加均压电路的情况下,通过与电网进行有功功率交换来实现,如图7所示,其中udcref为单级直流母线电压设定值,udcjm为第j(j=a,b,c)相的第m(m =1,2,…,M)级直流母线的电压值。 由于被控量为直流量,所以PI控制器能很好地完成总直流母线电压控制,总电压控制的输出idcref j作为第j相的有功电流指令。
相内直流母线电压均衡控制则是通过在每个H桥的电压调制信号中叠加一个用于均压的电压参考量uban jm( j = a,b,c;m = 1,2,… ,M),该电压参考量与装置对应相的输出无功电流同相位或者反相位,此时H桥单元会吸收或者释放有功功率,从而达到平衡直流母线电压的目的。
综上所述,级联DSTATCOM的分相控制(以a相为例)结构如图8所示,irefa为选择性补偿的无功电流指令,idcrefa为有功电流指令,ica为补偿电流反馈值,分相控制的输出urefam则为第m级H桥单元输出电压的调制信号值。
3仿真研究
为验证不平衡无功指令选择性提取方法的正确性以及基于快速重复控制的级联DSTATCOM分相控制策略的有效性,利用MATLAB / Simulink软件建立10 k V的三相四线制级联DSTATCOM系统模型进行仿真验证。 系统主要参数如下:交流滤波电感2 m H,直流母线电容5 m F,开关频率1 k Hz,采样频率5 k Hz,每相级联数为11,调制方法采用单级倍频载波移相正弦波脉宽调制(CPS-SPWM),每一级直流母线电压指令udcref设定为900 V,负载为三相四线制不平衡阻感负载。
图9为采用传统重复控制和快速重复控制策略时DSTATCOM系统的动态性能的仿真结果,其中iref为给定电流指令,ic为DSTATCOM输出电流。
仿真时DSTATCOM按照给定电流指令空发无功电流,电流指令在0.2 s时突变,由图9可以看出输出电流立即跟踪指令变化,主要是PI控制起作用,但是跟踪误差较大。 传统重复控制在指令突变后的第1个基波周期内未起作用,从0.22 s才投入工作而快速重复控制只经历了半个基波周期,在0.21之后便已投入工作,响应速度更快。 当重复控制运行稳定后,跟踪误差很小,与理论分析相吻合。
图10为DSTATCOM补偿不平衡负载时选择性补偿的仿真结果,不同补偿模式下电网电压与电网电流的相位关系如图11所示,其中iL为负载电流, ic为DSTATCOM输出电流,us、is分别为电网电压和电网电流,udc为a相11级H桥单元的直流母线电压。
在0.3 s之前DSTATCOM并不补偿负载无功, 此时输出电流很小,主要用于维持装置自身的直流母线电压平衡,网侧电流近似等于负载电流且不平衡;0.3 s时DSTATCOM转入不平衡补偿模式,补偿负序和零序电流,此时网侧电流趋于平衡,但从图11可看出电网电压与电网电流间存在相位差,系统功率因数较低;从0.4 s开始,DSTATCOM进入全补偿模式,补偿全部无功电流,此时输出电流增大,电网电流则进一步减小且依旧平衡,同时由图11可知电网侧三相电流与对应相的电压几乎同相位,即电网基本只提供负载消耗的有功电流,仿真结果表明稳态时系统功率因数高于0.98;此外整个过程中,装置各H桥单元的直流母线电压均能稳定在电压设定值上下且均衡度好,直流母线电压上100 Hz的波动是由无功电流充放电引起,幅值随输出无功电流的增大而增大。
为便于分析,定义三相电网电流的不平衡度 ΔIs如式(12)所示,其中Ismax、Ismin分别为三相电网电流有效值的最大值和最小值。
表1列出了DSTATCOM工作于不同补偿模式稳态时电网电流的分析结果,可以看出进行不平衡补偿以及全补偿时电网电流平衡度很好,且总谐波畸变率(THD)始终小于2.4%。
4实验结果
为进一步验证上述分析,在380 V三相四线制电网条件下搭建级联DSTATCOM系统:开关频率定为2.5 k Hz,每相级联3个H桥功率模块 ,每级直流母线电压设为200 V,其余主要参数与仿真模型相同图12为不平衡负载的电流波形,三相电流不对称。
图13为不平衡补偿模式的实验结果,在补偿负序无功及零序电流之后,电网电流已趋于平衡。 但由于正序无功的存在,电网电流有效值较大。
图14为全补偿模式的实验结果,在补偿全部的无功电流及零序电流后,电网电流仍旧平衡,且有效值进一步减小,此时电网只提供负载所消耗的有功电流部分,电网侧效率大幅提高。
5结论
针对三相四线制不平衡无功负载的特点,采用正、负序同步旋转变换分别提取基波正序、负序无功分量,便于根据级联DSTATCOM系统容量灵活选择不同补偿模式。
采用静止坐标系下的级联DSTATCOM瞬时电流分相控制策略,基于PI控制内环和快速重复控制外环的电流双环控制策略在提高系统的补偿精度的同时保证动态性能,所采用直流母线电压均压方法可实现直流母线电压的稳定与均衡。 仿真和实验结果证明了分析的正确性和可行性。
摘要：针对三相四线制不平衡无功负载的特点,采用正、负序同步旋转变换分别提取基波正序、负序无功分量,同时采用静止坐标系下的分相控制策略,实现配电网静止同步补偿器(DSTATCOM)补偿模式的灵活性选择,可以只补偿负序、零序分量,充分利用DSTATCOM容量优先保证网侧电流平衡,也可在DSTATCOM容量允许的情况下同时补偿正序、负序和零序分量,进一步提高网侧功率因数。为提高分相控制的补偿精度且同时保证系统的动态性能,引入改进型的快速重复控制,设计了基于比例积分(PI)控制内环和快速重复控制外环的电流双环控制策略。最后在MATLAB/Simulink环境下建立三相四线制DSTATCOM仿真模型并搭建实验样机进行验证,仿真和实验结果证明了基于快速重复控制的分相控制策略能实现DSTATCOM对不平衡无功的高精度、选择性补偿。