电流与电压范例6篇

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电流与电压范文1

一、电压表内阻的测量

【例1】 电压表V量程为0~3V,内阻3~3.5kΩ,现要求测其内电阻RV,实验室提供下列器材:

待测电压表V;电流表A1(量程100μA,内阻2kΩ);电流表A2(量程1mA,内阻100Ω);电流表A3,(量程10mA,内阻40Ω);滑动变阻器R(最大阻值50Ω),电源E(电动势4V),开关、导线。

(1)所提供的电流表中,应该选用 (填字母代号);

(2)为了尽量减少误差,要求测量多组数据,画出符合要求的电路图。

图1

分析:电流表应选A2,因为它与V表的满偏电流最接近;测量电路如图1,若电压表、电流表的读数分别为U、I,则电压表内阻RV=U/I。图1中,A2表也可用一个与待测电压表满偏电流差不多的内阻已知的电压表(如量程5V,内阻5kΩ)代替,不过此时电源的电动势也要相应的调大些,以保证电表指针的偏角较大。因为指针的偏角越小,测量的系统误差越大。

例1中,若电流表只有A1,同时还有两个定值电阻R1=220Ω,R2=330Ω,如何测RV?

图2

显然A1的量程太小。A1表满偏时,V表指针的偏角约为满偏的1/10,测量的系统误差较大。

可选R1与A1并联,以“放大”A1的量程,使A1、V表可几乎同时达到满偏。局部电路如图2所示。若测量时V、A1表读数分别为U、I,A1表内阻为rA,通过R1的电流为

IR,则:IR=IrAR1,RV=UI+IR=UR1I(R1+rA)。

例1中,若电流表只提供了A3,同时提供上述两个电阻R1=220Ω,R2=330Ω,如何测RV?

图3

此时A3量程太大,当V表满偏时,A3指针偏角太小;可选R2与V表并联,让R2分流,以控制通过V表的电流,使A3、V表可几乎同时达到满偏,局部电路如图3所示。若测量时V、A3表的读数分别为U、I,通过V表的电流为IA,则有:

IV=I-UR2,RV=UIV=UR2IR2-U。

可见,在电流表量程不合适时,测量电路也要作相应的改变,以保证两表几乎同时达到满偏。

上例中,如果没有电流表,但增加一个0~9999Ω的电阻箱R0,如何测量电压表的内阻呢?

图4

分析:实验电路如图4所示,闭合开关S前,变阻器滑动片P置于A端,电阻箱阻值调为零。闭合开关S,调节滑动片P,使V表满偏;再调R0,使V表半偏。此时,R0的读数即为RV的测量值。这种测量通过将RV与R0进行比较,求出RV的大小,统称为半偏法。本实验中,RV的测量值偏大,但因RVR,因此实验误差很小。

二、电流表内阻的测量

【例2】 电流表量程10mA,内阻rA约为40Ω,现要求测其内阻,实验室提供的器材有:

待测电流表A;电阻箱R0(0~999.9Ω);滑动变阻器R(0~1500Ω):电源E(电动势1.5V,内阻不计);开关、导线若干。要求:

(1)画出测量电路图;

(2)试估计本实验的误差;要想减小实验误差,应采取什么措施?

5

分析:(1)测量电路如图5,S1闭合前,R置于最大阻值处。测量方法为半偏法。

(2)当S1闭合,S2断开时,调节R,使A表满偏,电路中总电流即为A表的满偏电流Ig=10mA,电路中总电阻R总=E/Ig=150Ω,R接入电路部分的阻值为R=R总-rA≈110Ω。再闭合S2,调节R0,使A表半偏,可认为rA测=R0。此时A表电流为Ig/2,两端电压UA=IgrA/2≈0.2V,电路中总电流I=E-UAR≈11.82mA,通过A表的电流为Ig/2=5mA,通过电阻箱的电流为IR0=I-Ig/2=6.82mA,由IgrA/2=IR0R0得R0=rA测≈0.733rA相对误差达26.7%,显然测量误差太大。要想减小实验误差,必须在闭合S2时,使电路中总电流的变化较小,因此,R应远大于rA。

本题中,R还有富余量,直接将它调大可以吗?

显然不行,因为电源没有改变,将R调得较大时,电流表电流减小,无法达到满偏,指针偏角太小,测量误差也大。要想减小误差,应将电源换成一个电动势较大的,比如电动势E′=12V。此时,当S1闭合,S2断开时,调节R,使A表满偏,此时电路中总电阻约为R总=E′/Ig≈30rArA,且未超过R的最大值,此时测量误差可小于5%。

【例3】 实验室有下列器材:待测电流表A1(量程10mA,内阻r1约40Ω):电流表A2(量程500μA,内阻r2=750Ω);电压表V(量程10V,内阻10kΩ);电阻R1(阻值约100Ω,作保护电阻用);滑动变阻器R(总阻值约50Ω);电源E(电动势1.5V,内阻很小);电、导线若干。要求选择适当的实验器材,设计一个电路来测量电流表A1的内电阻,要求方法简捷,有尽可能高的测量精度,并能测得多组数据。

分析:如图6、图7都是测量A1表内阻的局部电路;这些电路都是不符合要求的。因为中学电表多是2.5级的,要求测量精度高,测量的相对误差要小于5%,指针偏转角应大于满偏的一半。图6中A1表的满偏电压约0.4V,图7中R1的阻值并非是准确的,即便准确,在A1满偏时,V表读数也仅1.4V左右,均不满足高测量精确度的要求。因此,符合要求的测量电路应如图8所示,滑动变阻器接成分压式是为了满足测得多组数据的要求。

图8电路中,A2等效于一个电压表,其满偏电压为0.375V,与A1表满偏电压差不多,若实验中测得通过A1、A2的电流分别为I1、I2,则r1=I2r2/I1。

例3中,假如测量条件改变,A2的满偏电流仅为100μA,内阻r2=1kΩ,另有一个电阻箱R0(0~9999Ω),如何测r1(其余条件不变)?

分析:此时,A2的满偏电压仅为0.1V,需要“放大”,可将A2与R0串联,R0的阻值调至3kΩ即可,此时,A2与R0组合成一个量程为0.4V的电压表,局部电路如图9所示。若实验中通过A1、A2的电流为I1、I2,则待测电流表A1的内阻r1=I2(r2+R0)/I1。

例3中,假如A2的量程为25mA,内阻为60Ω,另有一个电阻箱R0(0~9999Ω),如何测A1的内电阻r1(其余条件不变)?

图10

此时A2的满偏电压为1.5V,当A1满偏时,A2指针的偏角太小,一种方法是将A1与R0串联,以控制通过A1表的电流;将R0调到110Ω即可,局部电路如图10所示。此时,若已知A1、A2的电流I1、I2,则r1=I2r2/I1-R0。

图11

另一种测量A1内阻的局部电路可如图11所示,此时,R0调到27Ω左右,以保证A1、A2几乎同时达到满偏。此电路中,R0等效于一个电压表。

若A1、A2表读数分别为I1、I2,通过R0的电流为I0,则I0=I2-I1,A1表内阻的测量值为:r1=I0R0I1=I2-I1I1R0。

电流与电压范文2

关键词:异步电机 定子电流 电压信号 电机电气信号

中图分类号:TM307 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2014)05(b)-0105-02

异步电机,也称感应电机,是一种利用气隙旋转磁场与转子绕组感应电流的相互作用,产生电磁转矩,从而将机电能量转换为机械能量的一种交流电机。异步电机的种类是多种多样的,同时具有小型轻量化、转速高、运转效率高、制造成本低、控制装置简单等特点,作为现代设备的主要动力装置,在多个领域得到了广泛应用。因此,对电机故障进行智能化诊断,提升电机运行的可靠性,成为相关技术人员重点研究的课题。

1 电机电气信号分析技术

从目前的技术发展情况看,针对电机的测试手段,主要包括动态测试和静态测试两种。其中动态测试是通过对定子电流信号的采集和分析,实现对于电机故障的判断,即MCSA电机电流信号分析技术,静态测试则是结合相关参数的对称性,对电机故障进行判断,由于必须在停机状态下进行,会影响生产效率,因此并不经常使用。而这里提到的电机电气信号分析技术,则是同时对电机的电流信号和电压信号进行采集,结合电流与电压同步频谱,可以对电机故障进行细化,分为电气故障、机械故障以及供电故障,相比于MCSA更加全面,更加可靠。

由欧姆定律可知,电压和阻抗是导致电机电流信号变化的主要因素。若在电压固定的情况下,电流出现较大的变化,则说明阻抗变化较大,可能原因是机械松动、绕组松动、气隙偏心等机械故障;而如果阻抗固定,电流出现变压,则电压变化大,说明电机存在电气故障,如短路、绝缘等问题。因此,电机电气信号分析技术的基本规则为:

(1)峰值出现在电流谱,揭示电机机械故障;(2)峰值同时出现在电流谱和电压谱,揭示电机电气故障;(3)供电频率的转差频率、边频,揭示转子状态;(4)对于轴承故障,峰值仅出现在电流谱,且存在线频的非整数倍与转频非整数倍的频率。

2 神经网络

在神经网络中,对故障样本进行训练,可以确定网络的权值和阀值,当再次输入故障信号时,就可以自动识别。因此,当网络训练完成后,神经网络对于运算量的需求较小,运算速度也相对较快。凭借自身良好的非线性映射能力、并行处理能力以及联想记忆能力等,神经网络十分适用于对复杂电机系统的故障诊断工作。通过将神经网络与电机电气信号分析技术的结合,可以实现对于电机故障的智能化诊断,同时可以有效降低故障的错报和漏报。

这里选择当前理论最为成熟、应用最为广泛的反向传播网络进行分析。反向传播网络,简称BP网络,其学习规则是利用BP,对网络的权值和阀值进行调整,从而使得网络误差的平方和最小。BP神经元与其他的神经元存在很大的相似性,不同之处则是其传输层为非线性函数,部分输出层采用线性函数,其输出为:

BP网络的学习过程如图1所示:

3 异步电机的故障识别

首先,要建立相应的故障库,对故障样本进行存储,方便故障的识别。相关研究表明,当电机转子断条时,在线频f两侧,会出现边频2sf,即:

出现定子绕组匝间短路时,在绕组的中心频率两侧,会出现f以及其边频RS,结合相应的公式,对计算出的结果进行整理,可以得出电压信号、转子断条以及绕组匝间短路电流信号的故障库。

其次,要构建相应的网络。这里采用三层网络结构,分别为输入层、输出层和隐含层。其中,在输入层中输入电流与电压信号的16个特征频率值,采用16个神经元,而输出层采用线性函数,含有3个输出,因此采用3个神经元。隐含层神经元的确定可以根据经验公式获得,如下:

其中,M代表输出节点数,N代表输入节点数,表示1~10之间的常数,可以对隐含层的节点数进行确定,为5~14。

需要注意的是,学习的速率过大或者过小都会对训练的结果产生一定的影响,一般为0.01~0.8。

然后,网络训练。针对标准样本和标准输出进行多次训练,可以确定隐含层的神经元为11,学习速率0.25。经多次训练后,系统误差约为10-5,能够满足故障识别精度的要求。

4 实验与结论

一台定子槽数48,转子条数40,转差为0.097的异步电机,在绕组匝间短路、转子断条和正常情况下运行,电机载荷超过1/4,使用ATPROL电机信号采集器,对电流和电压信号进行同时采集,并将采集到的信号传输到计算机,经过FFT变换后,运用神经网络对其故障模式进行判别,然后对相应的参数进行整理和分析。信号采集与处理装置的结构如图2所示。

针对实验中得出的数据信息进行分析,可以得出以下几个结论。

(1)传感器为非嵌入式,可以方便地对电机的电流和电压信号进行采集,便于进行实时检测。(2)针对不同的故障,电压信号和电流信号均有着相应的反应,利用电机电气信号分析技术,可以对电机中存在的电气故障和机械故障进行识别和区分,同时能够通过两者的相互验证,减少误判的机率,确保电机故障诊断的准确性。(3)虽然神经网络在训练阶段的运算量相对较大,但是在网络训练完成后,所需要的运算量相比于传统的诊断方法更小,而且运算速度更快,更适合现代诊断技术发展的客观要求。

5 结语

实践证明,同时采集异步电机定子电流与电压信号的电机电气信号分析技术,可以有效提升故障诊断的速度和准确性,应该得到推广和普及。

参考文献

[1] 陈长征,王胤龙,李明辉,等.基于电气信号的异步电机故障识别[J].沈阳工业大学学报,2008,30(3):241-244,265.

[2] 任志斌,曾德墙.基于极坐标的异步电机新型参数辨识方法[J].河北科技大学学报,2013,34(3):218-223,229.

电流与电压范文3

电气化铁路的动力是由发电厂发出的低电压,为便于远距离的传输,降低能耗,用高压输电线输送到牵引变电所,降至25KV的高压后,再送至牵引接触网,供给机车变成牵引力。

然而高电压也带来了较强的电磁干扰,以及对人身触电伤害的可能,又变成不利因素,所以掌握电化区段的强电知识,减少损害和影响,是非常必要的。

电气化铁路是以接触网作为电能的输入,通过机车电动机产生动能,以两钢轨作为通道,通过回流线,使牵引电流回到牵引变电所,构成电气化铁路的供电回路。

电气化铁路的高电压主要带来两种影响:

一是强电磁场的影响,长时间处在强磁场中的人,会引起头疼、头晕、恶心、心慌等各种不感觉,对人身体产生危害,强电场也对沿线及站场的电子设备产生干扰;另外,牵引电流产生的电磁感应,对信号电缆也产生感性、容性耦合的干扰,并在沿线铺设的信号电缆中产生较高的电动势,形成感应电流,对信号轨道电路的信号电流产生工频干扰,影响轨道电路工作的可靠性。

为克服这些影响,采用法拉第笼减少了对人身的损害;电子设备则采用抗干扰电路的方法,消除强磁干扰;信号轨道电路,经过反复试验,采用了25Hz频率的相频轨道电路和高频载频轨道电路来减少影响;信号电缆采用了综合护套、铝护套和数字信号电缆,并使钢带和铝护套接地,有效减少了对信号电流的干扰,提高了信号轨道电路的电气稳定性。

二是牵引电流的影响。牵引电流在两钢轨中能达到几百安培的大电流。牵引电流的回流分为两部分:一部分主要由两钢轨作为传输导体,通过与钢轨连接的回流线返回牵引变电所,而另一部分则由于钢轨对大地的绝缘很低,通过大地返回,这部分电流采用吸流变压器进行有效回流,提高了供电的稳定性。

信号轨道电路也是利用两钢轨作为信息传输通道,为保证牵引电流的回流,设有轭流变压器,两个轭流变压器的中心点相连,使相邻轨道电路中牵引电流沟通。

轭流变压器是由轨道圈和信号圈组成的,轨道圈是由两个匝数相同,并相通的线圈构成的。信号圈是把轨道上传输的25HZ信号电流通过轨道圈耦合到信号圈,然后传回室内动作信号设备的。

按原理,由于两钢轨长度相等,轭流变压器两半轨道圈匝数和阻值相等,两钢轨上传输的牵引电流应是相等的,但实际上是不平衡的,主要是几个方面原因造成:

(1)曲线时,外轨长于内轨形成阻抗不一致;

(2)钢轨接头阻抗不一致;

(3)轭流变压器两个线圈阻抗也不可能绝对相等;

(4)两轨条对地电阻(主要由轨枕、道砟和路基组成)不等,造成漏流不平衡;(据实际测试能达到50 ~ 100A不平衡电流)

两轨条上不平衡的电流,可引起电压的不平衡,所以在与钢轨相连的设备接触不良,钢轨接头电阻过大时,就可能引起放电现象,对人体或设备产生危害,所以要遵守电气化区段作业的安全技术规则和强电伤害的防护知识。

强电流可引起各种触电损伤:

(1)电烧伤:强电流可引起金属体气化,经过人体时形成皮肤金属化或电烧伤;

(2)电弧光:强电弧光属于强紫外线,能引起眼角膜发炎;

(3)触电伤害:心脏受到电击,可引起心肌纤维化或麻痹,血液循环不良,呼吸困难等,严重时可致休克,心脏停止跳动;人的心脏能够承受的最大容许电流是10 ~15mA,超过15mA,时间超过60秒以上,可引起心脏停止跳动。

所以在电气化铁路区段作业时,要严格遵守安全作业制度。例如:当发现信号设备的箱线、钢轨接续线,钢轨绝缘不良或更换轭流变压器等设备时,一定要在作业处加装“两纵一横”的连接线,保证牵引电流通道畅通的情况下,才能更换或维修不良的设备,否则,造成的后果是会悔之终身的。

另外,在发现接触网断网或回流线断线时,应立即通知附近的接触网工区或电力调度所,设置停车防护信号加以防护,并在接触网断点10米半径范围内不准接近,若已在此范围内,应立即并拢双脚,向外蹦离此区域,防止形成跨步电压而触电;当回流线断线时,应保持在3米以外。

电流与电压范文4

[关键词]功率半导体器件;高压直流输电;电力电子技术

中图分类号:TM72 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)17-0241-01

1 引言

功率半导体器件是用于电力设备的电能变换和控制电路方面的大功率电子器件。广泛应用于涉及电力系统的各个方面,涉及发电、输电、配电和用电的各个领域。

高电压、大容量的功率半导体器件的迅速发展,促使高压直流输电技术发生了重大变革,使得高压直流输电系统迅速发展。同时,随着高压直流输电系统的电压等级不断提高,使得各部分装置所承受的电压不断提高,对功率半导体器件的性能提出了更高的要求。本文从功率半导体器件在HVDC中的应用领域和对HVDC发展的影响两方面进行了阐述,从辨证的角度分析二者的关系,对功率器件的发展方向进行了展望。

2 功率半导体器件的发展状况

20世纪80年代中期,4.5kV的GTO得到广泛应用,并成为在接下来的十年内大功率变流器的首选器件,一直到IGBT的阻断电压达到3.3kV之后,才开始改变GTO独占市场的局面。至2005年,以晶闸管为代表的半控型器件已达到7×107W/9000V的水平,全控器件也发展到了十分高的水平。当前,功率半导体器件的水平基本稳定在109~1010WHz左右,已逼近了由于寄生二极管制约而能达到的材料极限。

高品质电能变换所内涵的高耐压、高速、高电流密度、高集成度和低导通电阻等给人们提出不少科学与技术问题,并不断推动着功率半导体的发展。为了使功率半导体器件适应便携式、绿色电源、节能减排的发展需要,功率器件正不断采用新技术,不断改进材料性能或开发新的应用材料、继续优化完善结构设计、制造工艺和封装技术等,提高器件功率集成密度,减少功率损耗。

2.2 功率半导体器件未来发展方向

现代大功率半导体器件正朝以下几个方向发展:[1]

(1)大电流、高耐压:现代电力电子器件正向大电流高压方向发展,以适应高压领域对电力电子器件快速需求的趋势,尤其在高压直流输电、高压电力无功补偿、高压电机、变频器等领域。

(2)高频化:从高压大电流的GTO到高频多功能的IGBT、MOSFET,其频率已从数千HZ到几十KHZ、MHZ。这标志着电力电子技术已进入高频化时代。

(3)集成化、智能化:几乎所有全控型器件都由许多的单元胞管子并联而成(IGBT、GTO)。

功率半导体器件的发展日新月异,HVDC 技术正在不断的进步和成熟,输电容量和电压等级逐渐提高,使其在输电系统中越来越具有竞争力。随着西电东送和全国联网的不断发展,电能质量和电网运行的灵活性和可靠性的要求越来越高,HVDC技术必将得到越来越广泛的应用。为了满足我国轨道交通、智能电网、新能源等国民经济发展重要领域对高压大电流晶闸管、高压大功率IGBT、IGCT等功率半导体器件的强大需求,提升国家电力电子产业的技术水平,2007年南车时代电气投资3.5亿,启动了大尺寸功率半导体器件研发及产业化基地建设。该线采用了世界顶尖级的工艺和测试设备,主要生产6英寸、5英寸高压大电流晶闸管和整流管,满足高压/特高压直流输电项目的需要。

2 功率半导体器件在HVDC中的应用

HVDC在电力系统的应用中,存在着一些固有的缺陷,如不能向无源系统供电、易发生换相失败、需要配置专门的滤波装置、设备投资高、占地面积大等[4],这些问题一直限制着HVDC的发展。20世纪90年代以后,随着电力电子技术的发展,特别是具有可关断能力的新型半导体器件的出现,促进HVDC技术产生了重大变革。

功率半导体器件的发展促使高压直流输电技术不断进步,根据功率半导体器件的更新可将HVDC技术的不同发展阶段进行划分。HVDC发展的第一个25年,由汞弧阀换流技术支撑,到70年代中期为止;第二个25年到2000年为止,这个时期HVDC技术是由基于晶闸管阀的电网换相换流技术支撑;可以预计,在接下来的25年里,强迫换相换流器技术将占主导地位。随着大功率开关器件成本的不断降低,电容换相换流器将会被自换相换流器所取代。

2.1 功率器件的在换流器中的应用

HVDC系统的主要设备包括换流装置、换流变压器、平波电抗器、滤波器、电线路、接地极、无功补偿装置、控制保护系统。其中换流装置、换流变压器、有源滤波器、无功补偿装置、控制保护系统等都是以功率半导体器件为基础。早期的大功率换流器,几乎都是基于晶闸管的。换流器可以将电能进行交-直、直-交转换,分为两种基本结构类型:电流源型换流器CSC和电压源型换流器VSC。

2.3 轻型直流输电技术

随着大功率GTO和IGBT开关的商业化,在过去的10年里,VSC的应用范围也不断扩大。采用大功率IGBT开关,VSC的额定值在双极性结构下可以达到约±150kV、3000MW,且VSC可以与弱交流系统甚至无源网络连接。HVDC light采用基于脉宽调制技术的控制方法,能灵活独立的控制有功和无功功率,并能限制低次谐波,使滤波系统简化,保证高水平的电能质量,同时使换流站更加紧凑,投资减少。但是,需要看到技术的更新不可能十全十美,必然伴随着新问题。

功率半导体器件的使用必然会带来谐波问题,而且IGBT硅的有效面积利用率低、损坏后会造成开路等缺点局限了其在高压直流输电系统中的应用。

与其它应用领域相比,HVDC技术随着其电压等级的不断提高对功率半导体器件的性能提出了更高的要求,如大容量、高耐压、高可靠性、低损耗等。使得功率半导体器件不得不采用器件串、并联技术和复杂的电路拓扑来达到实际应用的要求,导致装置的故障率和成本大大增加。可以看出一方面功率半导体器件促进了HVDC技术的发展,另一方面HVDC系统的正常运行与功率半导体器件的某些特性密切相关。对于高输入电压器件的研制,国内外许多器件工艺厂商都投入了大量的人力物力,控制技术领域也在研究对单个器件进行串并联或进行模块化。虽然这两种方法可以大幅度提高功率半导体器件的耐压、容量等性能,但综合结果并不尽如人意,仍需要研究人员继续努力。

3 总结

功率半导体器件的发展促进了高压直流输电技术的发生了重大变革,同时随着高压直流系统电源等级的不断提高也对功率半导体器件的性能提出了更高的要求,指引功率半导体器件向着高耐压、大电流、大容量、低损耗的方向发展。功率器件在不断改进的过程中出现了许多新问题,这将是未来功率器件发展面临的挑战。随着科技的不断进步这些问题将会得到解决,这样会进一步促进高压直流输电技术的进步。

参考文献

[1] 袁立强,赵争鸣,宋高升,王正元.电力半导体器件原理与应用[M].机械工业出版社,2011.

[2] 钱照明,盛况.大功率半导体器件的发展与展望[J].大功率变流技术,2010,1:1~9.

[3] 孙伟锋,张波,肖胜安,苏巍,成建兵.功率半导体器件与功率集成技术的发展现状及展望.中国科学:信息科学,2012,42(12):1616~1630.

[4] 韩民晓.高压直流输电原理与运行[M].电力电子新技术系列图书出版社,2009.

电流与电压范文5

【关键词】交流系统;STATCOM;神经网络;滑模控制

0.引言

交流系统电压波动和闪变问题严重威胁着系统的安全高效运行。静止同步补偿器(STATCOM)在交流系统电压波动和闪变调节与控制中能有效调节系统无功以解决电压波动与闪变、三相电压不平衡等电能质量问题,从而吸引了大批研究学者的研究热情,推动了该领域的持续发展与进步[1]。

目前较为传统的补偿方式是SVC,其原理就是为了实现动态无功补偿的目的,而利用电弧炉和TCR补偿装置,使其吸收的电流值和尽量的小,来达到抑制闪变的作用[2]。由于补偿容量会受到装置本身的影响,所以在连续投切电容器组的时候会产生非常多的谐波。电弧炉工作时,其电流往往会发生急剧的变化,SVC的感应速度又比较慢,响应速度和补偿容量一会对闪变的抑制效果产生影响[2]。可以迅速反应的STATCOM装置,可以将无功功率稳定迅速吸收,校正功率因数,调节系统的电压。由于具有如此多的优势,STATCOM也正在成为新的研究的热点[3]。

由于STATCOM是一个非线性系统,其控制方法也相对复杂。使用PI控制,采用非线性鲁棒控制。然而PI控制参数难以确定,并且其对参数变化以及扰动也非常敏感;而非线性鲁棒控制设计过程非常复杂;相对而言,滑模控制更容易实现,且对模型参数的变化和外部扰动具有较强的鲁棒性。实质上,滑模控制是非线性控制的一个特殊的情况,不连续性的控制输入是其非线性的一个表现,而在一个动态的过程是,是可以依据系统的不同状态,可以做有目的性的并且不停的变化的控制输入量,这样以来可以令滑动模态的状态轨迹按照系统预定做轨迹运动。所以本文采用滑模变结构控制的方法设计STATCOM的无功补偿控制策略。

本文主要研究基于STATCOM无功补偿的交流系统电压波动和闪变调节与控制问题。采用直接电流控制[2],提出了基于神经网络与滑模控制相结合的方法。通过建立控制对象的滑模等效控制器,利用神经网络优化等效控制与切换控制以实现STATCOM自适应控制。最后通过数值仿真验证了所提出方法的有效性。

1.神经网络-滑模控制器设计

在STATCOM的控制中,应用比较普遍和适用的方法是双闭环电流控制方法,选择内外环控制结构。外环指直流电压环,通常采用形式比较固定的反馈PI控制,但是本文创新性地采用滑模控制来实现外环电压指令的自适应控制。内环指的是无功电流环以及有功电流环,直流电压外环的输出作为有功电流控制的参考输入。本文针对的主要是内环控制,即将有功电流和无功电流作为输入。由于本文将电流环作为控制的重点,所以在电压环只采用传统滑模控制的设计方案。本文利用RBF对切换增益进行估计,并利用切换增益消除干扰项,从而消除抖振,使得对负载干扰和参数变化具有很好的鲁棒性。

2.仿真实验与结果分析

为了探讨交流系统电压波动和闪变的抑制在实际工程中应用的可行性,利用科学研究软件MATLAB建立了的基于STATCOM的交流系统电压波动和闪变抑制模型,并对比了神经网络-滑模控制与传统PID控制在系统电能质量控制方面的性能。

在稳态运行时STATCOM调节无功电流来维持直流侧电压有名值的恒定。如果电源产生的电压高或低于系统电压、STATCOM生成(或吸收)无功功率。无功功率的数量取决于电源电压大小和变压器漏电抗。本节采用上述基于神经网络-滑模自适应控制的直接电流控制策略进行系统性能仿真。

当系统电源电压突变时,STATCOM迅速反应,通过控制交流侧电流来调整STATCOM功率输出,以补偿交流系统的功率变化,从而达到调节系统电压稳定的目的。在STATCOM静止无功补偿调节作用下,虽然电源输出电压出现了较为频繁的波动,但是系统电压能够平稳的保持在额定值上面,为负载提供稳定优质的电能。

进一步,为了深入研究交流系统的动态响应,STATCOM直流侧直流电压波形,STATCOM无功调节波形。当系统电源电压突变时,STATCOM直流侧迅速反应,通过放电与吸收电能来调节系统电压波动;为了抑制电源电压波动造成系统电压不稳定的情况,STATCOM大量吸收/释放无功功率,能量通过直流侧在纯电阻态和纯电感态之间不断循环,继而实现了交流系统的无功功率补偿,达到稳定系统电压的目的。

对比神经网络-滑模控制方法和传统PID控制方法的控制性能后发现,在0.1s系统电压从标识值1pu突然降低到0.975pu时,STATCOM迅速释放补偿电能到系统,以平稳系统负载电压;而在0.2s系统电压波动到1.025 pu时,STATCOM迅速吸收系统电能并存储到直流侧电容原件,从而抑制系统电压飙升。接着在后来的电压波动当中,STATCOM通过不断的能量吸收与释放来为负载提供稳定优质的电能。同时,传统的PID控制的能量吸收与释放的持续时间与快速性不如滑模控制。因此,本文所提出的神经网络-滑模控制具有更好的控制品质。

从以上仿真结果可见,神经网络-滑模控制器和传统PID控制器均能在系统参考指令时变情况下有效补偿系统无功功率。但是,由于采用了神经网络的强化学习,以及滑模控制的自适应能力,所设计的神经网络-滑模控制具有比传统PID控制器更快的反应速度与更优的控制效果。所设计的神经网络-滑模控制器能够有效补偿系统电压波动,实现STATCOM系统的高性能控制,且控制性能比传统PID控制器好。

3.结论

STATCOM无功补偿系统是一个复杂非线性的控制对象,利用传统的PID控制器很难得到理想的控制性能。为了提高控制系统控制性能,提出了神经网络-滑模控制器。创新点在于利用滑模控制器对伺服系统电压与电流环进行控制,并在电流环利用神经网络控制来优化滑模控制律,从而达到消除滑模抖振问题,实现STATCOM系统高精度控制。最后通过MATLAB仿真平台进行了实验测试研究,结果表明所设计的神经网络-滑模控制器能够有效控制STATCOM无功补偿系统,保证系统即使在较频繁电压波动与闪变情况下稳定工作,为负载提供优质电能,保证交流系统高效可靠运行。■

【参考文献】

[1]张秀峰,连级三,高仕斌.基于三相变四相变压器的新型同相牵引供电系统[J].中国电机工程学报,2006,26(15):19-23.

电流与电压范文6

关键词:高压直流输电;线路故障分析;行波法;线路保护

一、绪论

1.1研究背景及意义

世界第一个工业性上的高压直流输电工程在1954年投入使用,自此高压直流输电技术慢慢发展起来,加之控制理论和电子电力计算机技术的的成熟更加加速了它的发展,现如今,它以电压高,容量大,造价低可以远距离送电等优势成为输电的重要途径和手段。但随着高压直流输电的迅猛发展,问题也随之而来,其中线路的故障问题得到广泛重视,故障分析与保护线路问题亟待解决。因此要对高压直流输电线路系统的控制与保护模式进行模拟仿真,分析研究其故障所在及原因,设计保护方案。

1.2高压直流输电系统简介

在网络元件的构成上,直流与交流输电系统存在着一定差异。直流输电系统由三部分组成,分别是整流站、逆变站和直流线路。总体上遵循交流―直流―交流形式的一个电路系统。在电力电子系统领域中,最开始应用的最成熟的也就是高压直流输电技术了。

高压直流输电系统有很多种类型的、不同种的端子数目,还有不一样的换相方式和连接方式,所以也有着许多不同的分类方法。直流送电的关键环节是换流器部分,但由于换流器里面元件不同特性可以对其进行分类。具体分类如下:

(1)长距离直流输电

这是高压直流输电系统的一种主要形式,可以实现把电能从电源中心传送到负荷中心,其典型接线的线路图如上图1-1所示。又电能可以只沿一个方向或者双方向运送,可以由此可以将长距离的直流输电分成单方向直流和双方向直流运输两种方式。

(2)BTB方式直流输电

这种直流送电方式线路的主回路如图1-2所示。这种方式可以看做是两组换流器,通过把平波电抗器反并联,所以这种输电方式也叫背靠背式(BTB)。

这种方式没有直流输电线路,在同一场所的两侧都设置有换流器,它拥有快速潮流反转功能,交流输电系统的频率改换和功率调控都可以借此实现,方便且实用。

二、高压直流输电线路系统的故障检测及原因分析

直流系统中,最容易出现故障的是直流输电线路,这一部分的故障率也是导致输电可靠性下降的根本原因。如发生遭受雷击,严重污染或者其他环境因素所造成的,这些可使线路的绝缘水平变得非常差,继而会对线路造成严重破坏。而通常情况下,直流送电线路距离很长,可能会经过不同气候、地域以及不同的天气,有的时候工作环境和条件会十分的恶劣,因此发生故障的频率也会高一些,修复起来也是周期长,操作也会很困难,严重影响了输电的效率,维护成本也会增多。所以,要准确地把故障位置确定下来,是很重要的一项技术。

2.1直流输电线路故障定位研究现状

直流输电线路的频率和交流的能量集中频带是不同的,但是它们的物理本质相同,所以用于交流线路和直流线路的部分故障的定位原理可以用同一种方法。然而,个中原理较多,但直流的故障定位原理是单一的,所以,通常采用行波原理法。

2.2直流输电线路行波故障定位

检测交流线路最初也是采用行波故障定位方法。其最早运用行波定位的方法是在20世纪中旬,由于暂态行波的传播速度很快,接近光速,是比较稳定的,;;令暂态行波在母线与故障点之间传播,便可以测量出故障的距离,检测出故障线路段。并且这种行波法测量距离的准确性和可靠程度在理论上均不受故障电阻、线路的类型以及系统的影响。

三、高压直流输电线路保护措施的研究

高压直流输电线路结构并不复杂,所以相对来说用行波法也比较简单和可靠。电压和电流的行波都不受直流母线的结构影响,行波的波抗阻主要来源于两端换流站,但折射率几乎为零,这一特性可以很好地促进直流输电的行波保护同时节约了成本。同时,如果行波的波头传播到直流线路区域外的故障处的保护安装时,都会减弱波的幅值和陡度,原因是换流器和平波电抗器的高波阻抗的特性,因此目前为止,行波保护法是作为高压直流输电工程中广泛使用的主要的保护方法。

3.1高压直流输电线路行波保护

行波保护法可以分成两类,一类是单端行波保护,另一个是双端行波保护,其分类依据是是否采用了通信通道。双端行波保护方法还可以分成两类,行波差动保护和行波方向保护。单端行波保护法也是可以分成两类,一种是对于行波距离的保护,第二种是对于高频噪声的保护。

3.4结语

直流输电线路的控制保护系统很重要,它是一个执行机构,对于它的性能特性当面的设计也有很高的要求,这取决于交直流系统,还有设计一次设备对于影响也不小。另一方面,也要不断提高直流线路的保护系统的安全和高效性,使其更高好的工作,具体措施可以为提高准确性:增大自我检测能力的覆盖率和提高准确率,并且使用多样化和分散式的设计,并提高集成度是目前很广泛和主要的保护方法。此外,还要做好日常设备运行监视和维护,保持冗余系统各环节元件健康运行。

参考文献:

[1]李兴源.高压直流输电系统的运行和控制[M].北京:科学出版社,2015,6

[2]李爱民,蔡泽祥,李晓华.高压直流输电线路行波保护影响因素分析及改进[J].电力系统自动化,2014,34(10):76-80

[3]舒印彪.中国直流输电的现状及展望[J].高电压技术,2014,30(11): 1-2.

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