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能馈型交流电子负载及并网控制策略研究

能馈型交流电子负载及并网控制策略研究

作者：何鑫华南理工大学

学位级别：硕士

随着电力电子与信息技术的不断发展以及气候变化对节能减排的要求日渐严格,高精度、低功耗的电子负载成为电源产品出厂前的关键测试设备之一。目前市场上大部分交流电子负载存在负载模拟精度低,动态响应慢以及并网电流质量差等问题。因... 详细信息

随着电力电子与信息技术的不断发展以及气候变化对节能减排的要求日渐严格,高精度、低功耗的电子负载成为电源产品出厂前的关键测试设备之一。目前市场上大部分交流电子负载存在负载模拟精度低,动态响应慢以及并网电流质量差等问题。因此,高效、高精度的交流电子负载成为研究的热点方向。本文详细分析了交流电子负载的发展历史及现状,重点研究了高效的主功率拓扑、动态响应好与稳态误差低的负载模拟策略、低谐波电流的并网控制策略,并研制能馈型交流电子负载样机进行试验验证。本文主要内容如下:(1)分析了能馈型交流电子负载的主功率电路拓扑。根据PWM全桥电路在适当控制下具备能量双向流动的特点,选择该电路作为负载模拟与逆变并网功率拓扑,详细分析了不同控制下的电路工作模态,仿真验证了该方案的可行性。(2)研究了基于旋转坐标变换的径向基神经网络(RBFNN)自整定PI控制负载模拟策略。采用旋转变换和RBFNN来优化传统PI控制器,以改善其对于交流量响应差与适应力弱的缺点。仿真结果表明,在3kw输入功率下,相比于传统PI控制,负载模拟响应时间由0.08s提升为0.015s,电流谐波含量由6.79%降低为1.74%。(3)研究了具备抗扰动能力的“PI+QPR”双闭环并网控制策略。详细计算QPR三个参数,并分析其对控制器的影响。仿真结果表明:在50Hz频率并网时,电流谐波率仅为2.26%,在最大允许偏差频率50.5Hz并网时,电流谐波率为3.16%,满足并网电流谐波低于4%的要求,验证了该策略的有效性,拓展并网带宽。(4)优化了LCL型滤波器反馈网络。采用电容电流有源阻尼反馈方案提升高频性能,避免了无源阻尼反馈导致的热损耗问题。仿真结果显示:在0.3s时断开电容电流反馈,并网电流谐波率由2.02%上升至3.08%,证明该策略的可行性。(5)研制出能馈型交流电子负载样机,对关键电路,负载模拟静态与动态特性及并网性能进行验证。验证结果表明,参数设计合理,关键电路正常工作;负载模拟性能好,静态误差最大为3.27%,动态响应时间低于1ms;并网质量高,损耗小,2000W功率并网时,整机最高效率为94.52%,功率因数达到0.998,电流谐波失真仅为2.812%。

关键词：交流电子负载坐标变换自整定网络有源阻尼优化

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分布式光伏储能发电功率预测及监控系统研究

分布式光伏储能发电功率预测及监控系统研究

作者：黄健生华南理工大学

学位级别：硕士

新能源需求日益增长,分布式光伏发电产业规模不断扩大。而光伏发电因受多因素影响而极不稳定,不利于电网安全和电力调度。因此,建立分布式光伏储能发电监控系统,对系统状态进行实时监测,预测未来发电功率,实现对光伏系统的监控意义重大... 详细信息

新能源需求日益增长,分布式光伏发电产业规模不断扩大。而光伏发电因受多因素影响而极不稳定,不利于电网安全和电力调度。因此,建立分布式光伏储能发电监控系统,对系统状态进行实时监测,预测未来发电功率,实现对光伏系统的监控意义重大。本文分析了分布式光伏储能发电功率预测与监控技术的发展现状,设计光伏功率预测模型并将其嵌入监控系统,建立上位机与远程监控系统。论文主要工作如下:(1)设计光伏储能发电监控系统总体框架。研究光伏发电系统、储能系统结构以及蓄电池充电原理,设计光伏发电系统、储能系统、气象数据等关键信息采集模块;通过分析光伏监控数据和功能需求,设计上位机与远程监控系统的界面布局,确定光伏储能发电系统整体框架。(2)研究基于ADARNN-Stem GNN(Adaptive Recurrent Neural Networks-Spectral Temporal Graph Neural Network)的光伏发电功率预测技术。分析了ADARNN与Stem GNN算法原理并训练模型,实验结果均无过拟合与欠拟合现象。将光伏融合预测模型与长短时记忆网络、梯度提升算法进行预测对比,结果表明融合模型能更好地拟合功率曲线,均方误差低至0.047。(3)建立基于C#的光伏上位机监控系统。设计数据通信模块与阿里云数据库,建立多功能光伏上位机监控系统,并成功嵌入光伏功率融合预测模型。实验结果表明,系统能够实时获取并更新监控数据与光伏功率预测值,将光伏数据与数据文件分别更新至云数据库和上传至云服务器。(4)建立前后端分离的光伏远程监控系统。部署基于Spring Boot框架的光伏后端服务器,设计光伏数据访问与下载接口;建立基于React的光伏前端监控系统,完成远程监控界面设计。实验结果表明:光伏服务器启动正常,接口能正常访问,前端监控界面各模块每1秒更新一次。(5)实验验证光伏储能发电监控系统功能与性能。进行光伏并网发电、蓄电池充放电和气象采集试验,验证光伏功率预测、光伏上位机与远程监控系统相关功能。结果表明:系统储能发电功能正常,融合模型短期预测精度大于95%,上位机与远程监控系统能实时更新数据,响应时间小于0.25秒,显示值与数据库存储值相同,功能测试正常。

关键词：光伏储能发电光伏监控光伏功率预测上位机远程监控

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等离子表面处理数字谐振电源研发

等离子表面处理数字谐振电源研发

作者：杨晨华南理工大学

学位级别：硕士

大气低温等离子体可以改变材料表面的亲水性与粘黏性,广泛应用于制造、金属、医疗、塑料等领域。目前等离子体电源存在损耗大、功率因数低、电流控制能力欠佳等不足,且数字化等离子体电源尚缺乏充分研究。论文以等离子体数字电源为研究... 详细信息

大气低温等离子体可以改变材料表面的亲水性与粘黏性,广泛应用于制造、金属、医疗、塑料等领域。目前等离子体电源存在损耗大、功率因数低、电流控制能力欠佳等不足,且数字化等离子体电源尚缺乏充分研究。论文以等离子体数字电源为研究对象,在建立等离子体负载等效模型的基础上,设计串联谐振与移相全桥ZVS电路;采用DSP和STM32双核心开发数字峰值电路控制模式(DPCMC)和软件控制系统,研制等离子体表面处理数字谐振电源。主要工作内容如下:(1)通过分析等离子体发生器放电原理,提出发生器负载等效模型,并利用PSIM仿真工具验证,得出非线性变化容性负载的击穿特性与频率特性。在此基础上设计串联谐振电路,补偿容性负载产生的无功功率,有效地提高电源的功率因数最大为0.98。(2)基于DSP实现“Boost+移相全桥ZVS+变压器”串联谐振电路拓扑的数字控制。设计CCM模式的Boost电路,提高电源功率范围至1.5k W;实现移相全桥ZVS电路,减小开关损耗,设定功率600W以上时效率大于95%;利用变压器漏感组成串联谐振电路拓扑,通过谐振升压提高负载两端电压。(3)采用DSP的CMPSS和EPWM模块开发DPCMC控制模式,改善数字谐振电源的动态响应与电流控制性能,实现对电流的逐周期控制。在开关频率40k Hz时过流保护响应时间低至10μs。利用DPCMC调制移相全桥PSPWM驱动,通过调整设定功率修改PSPWM重合角β,获得较好的调功线性度。(4)设计“DSP+STM32”双MCU数字平台,完成数字谐振电源控制与软件操作系统。基于DSP开发状态机电源管理系统,实现准确可靠的控制时序。利用STM32开发Free RTOS操作系统,实现人机交互界面和串口Modbus-RTU通信。(5)对等离子体表面处理数字谐振电源进行测试,研究发生器参数、工艺参数与电源参数对等离子体表面处理效果的影响。结果表明:数字谐振电源适应直喷射流、旋转射流与DBD发生器三种负载,全部实现ZVS,最高效率96.3%。在相同测试条件下,直喷射流发生器表面处理效果最好,最小接触角12.229°。气体压力越大、处理高度越高、速度越快则表面处理效果越差。存在最佳的谐振电感与开关频率组合,使得输出功率最大,表面处理效果最好。

关键词：等离子体表面处理数字谐振电源移相全桥ZVS 数字峰值电流控制模式 DSP控制

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等离子清洗用谐振电源及控制策略研究

等离子清洗用谐振电源及控制策略研究

作者：丁度焓华南理工大学

学位级别：硕士

等离子清洗技术作为制造业中的一种新兴的表面处理技术,因其具有的环保、无害、高效和干燥等优点,将逐渐成为表面清洗领域的主流处理手段。论文以等离子清洗电源作为研究对象,重点研究了系统的硬件电路拓扑,高效的宽范围的调功策略,模糊... 详细信息

等离子清洗技术作为制造业中的一种新兴的表面处理技术,因其具有的环保、无害、高效和干燥等优点,将逐渐成为表面清洗领域的主流处理手段。论文以等离子清洗电源作为研究对象,重点研究了系统的硬件电路拓扑,高效的宽范围的调功策略,模糊PFM控制算法及自适应遗传优化算法。(1)论文分析了等离子清洗电源的关键技术及研究进展,包括放电反应器、电路拓扑和控制策略,经对比分析选择“带旋转式喷嘴的同轴圆柱式反应器”作为等离子清洗机的放电枪头,选择“前级整流滤波电路+移相全桥串联谐振电路”作为系统的主电路拓扑。根据枪头及主电路拓扑,分析其等效电路模型、工作时序及模态,提出“PSPWMPFM”混合调制的控制策略,并通过仿真验证了该控制策略在理论上的正确性。(2)根据确定好的系统架构,论文对等离子清洗电源各模块的关键电路进行详细分析和设计。兼顾低纹波系数及低电流峰值的要求,对滤波电容和整流桥进行选型;根据应力要求,对移相全桥电路开关管及隔直电容进行参数设计;基于AP法对高频谐振变压器进行设计;以STM32为主控核心,对全桥驱动电路、参数采样及保护电路进行设计;基于UCC28610电源控制芯片,设计了准谐振反激辅助电源及高精度降压电源。(3)论文对比分析各种调功策略,设计了PSPWM-PFM混合调制的控制策略,针对系统易受干扰偏离谐振频率点的问题,设计基于模糊PFM的最大功率跟踪算法,并搭建模型对混合调制策略及模糊PFM最大功率跟踪算法进行仿真,验证了理论分析的正确性;研究对比了常规及改进型PID算法,设计了自适应遗传优化PID参数调节算法,仿真表明系统的抗干扰性、稳态性能和动态响应速度得到显著改善;为实现上述算法,分任务优先级编写了系统的软件程序,并设计了人机交互界面。(4)论文研制一台等离子清洗样机,并搭建相应的实验平台。对关键电路点的波形,控制模块的采样精度进行测试,实验结果与预期相符;测试对比三种调制算法,实验结果表明:混合调制算法的综合效果更具优越性,其输出效率83.0%5.7%,调功范围500W000W,输出功率精度90%4%;对影响等离子清洗效果的因素进行了测试分析,实验结果表明:距离与清洗效果成负相关关系,设定功率和清洗效果成正相关关系,玻璃材料相比铝材料更易被改性。

关键词：等离子清洗电源移相全桥串联谐振电路混合调制算法自适应遗传优化

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一种基于虚拟阻抗的微电网自适应下垂策略

中国测试 2023年第10期49卷 97-103,110页

作者：薛家祥张祥颖周钢华南理工大学机械与汽车工程学院广东广州510640 东莞市钜大电子有限公司广东东莞523070

为降低传统微电网下垂控制中无功环流对系统稳定性的影响,提出一种基于虚拟阻抗的微电网自适应下垂策略。对闭环传递函数特征根进行分析,选取合适的虚拟阻抗参数。针对虚拟阻抗中微分环节存在高次谐波干扰的问题,提出SOGI模块,实验验证... 详细信息

为降低传统微电网下垂控制中无功环流对系统稳定性的影响,提出一种基于虚拟阻抗的微电网自适应下垂策略。对闭环传递函数特征根进行分析,选取合适的虚拟阻抗参数。针对虚拟阻抗中微分环节存在高次谐波干扰的问题,提出SOGI模块,实验验证其具有良好的滤波能力以及产生正交信号的特性。提出电压自适应补偿环节,以解决虚拟阻抗导致压降增大的问题,仿真验证其对不同负载产生压降具有补偿作用。针对由功率扰动引起的频率波动问题,提出频率自适应调节环节。将频率变化值与频率变化率划分为五种情况,对幅值调节参数进行自适应调整,使频率扰动减小1.4 Hz波动峰值,减小0.045 s恢复时间。通过多机并联实验,各机输出无功功率差值为39.096 var,150.258 var,均分效果良好。文章不仅研究了微网功率分配问题,还为虚拟阻抗的应用提供了新的解决思路。

关键词：微网下垂虚拟阻抗 SOGI 电压补偿频率调节

基于深度学习算法的光伏发电运维系统关键技术研究

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基于深度学习算法的光伏发电运维系统关键技术研究

作者：陈海峰华南理工大学

学位级别：硕士

太阳能是一种重要的清洁能源。暴露在自然环境中的光伏阵列不可避免的受到污染,人工检查光伏阵列是否需要清洗的方式效率低下,机器人定期清洗可能造成资源浪费,此外,光伏发电因波动性和随机性给电力调度工作带来困难。因此,建立光伏发... 详细信息

太阳能是一种重要的清洁能源。暴露在自然环境中的光伏阵列不可避免的受到污染,人工检查光伏阵列是否需要清洗的方式效率低下,机器人定期清洗可能造成资源浪费,此外,光伏发电因波动性和随机性给电力调度工作带来困难。因此,建立光伏发电运维系统,实时观察光伏组件工作状态,当光伏阵列受到污染时发出警报,预测未来一段时间内发电功率以方便电力调度,实现对光伏电站运维具有重要的实用意义。论文通过分析光伏阵列清洗策略、光伏发电功率预测技术和光伏运维系统的研究现状,建立了图像分类模型和功率预测模型,开发了光伏运维系统,将算法模型应用于系统中,论文的主要工作如下:(1)研究并复现了基于卷积神经网络和残差连接的Inception-Res Net-V2算法模型,将模型应用于光伏阵列污染图像分类任务中。实验结果表明:模型没有出现过拟合或欠拟合现象,损失值收敛至0.0000124,分类精度高达99.99%,模型的受试者操作曲线下面积为0.99,逼近理想分类器。(2)研究并编写了基于GRU-Light GBM(Gated Recurrent Unit-Light Gradient Boosting Machine)集成的光伏发电功率预测模型。实验结果表明:模型没有发生过拟合或欠拟合,与极端梯度提升机、长短时记忆神经网络和深度置信神经网络对比,GRU-Light GBM集成模型的损失函数值最接近于0,预测曲线最逼近实际曲线,数据标准化后,预测值与实际值的均方误差仅为0.075。(3)开发了基于SSM框架的光伏运维系统,利用Ajax技术实现数据动态更新,利用Echarts框架实现数据可视化。实验结果表明:系统各模块功能正常,可在不加载整个界面的情况下每2秒更新一次数据,满足光伏运维系统需求。(4)在阿里云服务器上部署光伏运维系统,将Inception-Res Net-V2模型分类结果响应到前端,实现污染警报和运维功能,将GRU-Light GBM模型预测值响应到前端,实现光伏发电功率预测功能。实验结果表明:分类模型精度为100%,预测模型在天气变化平稳和变化较大情况下均方误差分别为27.47和12.61,逼近真实曲线,运维系统各个模块功能正常,用户可在电脑、手机或平板电脑上随时随地访问运维系统。

关键词：深度学习光伏阵列污染图像光伏发电功率预测光伏运维阿里云服务器

脉冲电流波形对Tandem双丝MIG焊力学性能影响

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焊接学报 2019年第12期40卷 6-10,I0001页

作者：薛家祥林方略金礼胡昱华南理工大学广州510641 贵州民族大学贵阳550025

双丝脉冲MIG焊作为高效化的不锈钢焊接方法,是目前焊接行业研发的热点之一,但是如何选择和调节双丝MIG焊的电流波形参数依旧是一个难点.为了优化不锈钢焊接的焊接方法,提高焊接效率,文中以双相不锈钢为焊接工件,通过电流波形参数对比试... 详细信息

双丝脉冲MIG焊作为高效化的不锈钢焊接方法,是目前焊接行业研发的热点之一,但是如何选择和调节双丝MIG焊的电流波形参数依旧是一个难点.为了优化不锈钢焊接的焊接方法,提高焊接效率,文中以双相不锈钢为焊接工件,通过电流波形参数对比试验,研究了双丝梯形波双脉冲焊,双丝矩形波双脉冲焊以及双丝单脉冲焊对焊接质量的影响.结果表明,在相同热输入的条件下,双丝梯形波双脉冲焊焊接稳定性好于双丝矩形波双脉冲焊和双丝单脉冲焊,且前者的焊接成形质量更高,可看到更多的鱼鳞纹,同时使不锈钢接头的的拉伸强度和硬度以及韧性显著提高.

关键词：脉冲MIG焊晶粒细化拉伸强度脉冲电流波形调制

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半桥逆变型磁共振式无线充电系统建模与控制

中国测试 2020年第2期46卷 110-116,154页

作者：曾得志薛家祥华南理工大学机械与汽车工程学院

针对半桥谐振逆变型磁共振式无线充电(MCR-WCT)系统工作状态模糊、高阶非线性、控制理论不成熟等问题,在建立半桥谐振逆变电路等效模型的基础上,采用广义状态空间平均法(GSSA)对MCR-WCT系统进行大信号和小信号建模,在GSSA模型的基础上... 详细信息

针对半桥谐振逆变型磁共振式无线充电(MCR-WCT)系统工作状态模糊、高阶非线性、控制理论不成熟等问题,在建立半桥谐振逆变电路等效模型的基础上,采用广义状态空间平均法(GSSA)对MCR-WCT系统进行大信号和小信号建模,在GSSA模型的基础上设计电流单闭环控制器,制定基于BP神经网络的自整定PID控制策略。最后,通过Matlab编程对GSSA大信号模型进行暂态和稳态分析,对比Simulink模型仿真结果验证GSSA模型的可行性;通过Matlab仿真对比经典PID控制和BP神经网络自整定PID控制策略,在电流设定值为1 A的阶跃响应中,BP神经网络自整定PID控制在0.25 ms内达到稳态,稳态误差在2%内,最大超调量只有5%,相比经典PID控制具有更好的动静态性能。

关键词：磁共振式无线充电技术半桥谐振逆变广义状态空间平均法 BP神经网络自整定PID控制

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模块化能馈型直流模拟负载单元设计

中国测试 2017年第10期43卷 86-91页

作者：薛家祥罗海松贺天鹏华南理工大学机械与汽车工程学院广东广州510640 贵州民族大学工程训练中心贵州贵阳550025

针对能量回馈电网型(能馈型)直流负载多样化的负载测试需求,提出基于交错并联Boost的模拟负载单元模块化设计方案,设计电流均值跟踪和电流峰值保护两者兼备的信号调理电路,研究基于逐个周期电流峰值限制的负载模拟双环控制策略。通过建... 详细信息

针对能量回馈电网型(能馈型)直流负载多样化的负载测试需求,提出基于交错并联Boost的模拟负载单元模块化设计方案,设计电流均值跟踪和电流峰值保护两者兼备的信号调理电路,研究基于逐个周期电流峰值限制的负载模拟双环控制策略。通过建立单个模拟负载模块电流控制的小信号模型,得到模拟负载模块输入电流的传递函数,并基于小信号模型设计PI调节器,改善模拟负载模块的性能。仿真与实验结果表明:模拟负载模块在启动后12 ms即可进入稳定工作状态,并且能在0.21μs内完成过流保护动作,恒流模式下负载模拟相对误差绝对值为3.602%。与目前市场产品相比,该方案动态响应快,精度高,更加稳定安全。

关键词：能量回馈负载模拟控制策略小信号模型