关键词： 海底观测网   谐振变换器   多端口输出   功率自均衡   宽输入电压范围  

摘要： 海洋地处国防前哨,是进行资源勘探、科考活动的重要场所,与国计民生和国防安全息息相关。海底电源将岸基站通过电缆传输来的中压直流电转化为低压直流电,为海底探测设备供电,是整个海底观测网系统的“供能心脏”。保证海底电源可靠运行是整个海底观测网研究的关键。随着海底观测网探测规模扩大,探测设备种类逐渐增多,但各类探测设备的供电电压难以统一,因此要求海底电源具有多端口输出能力。各探测设备的探测位置分散,海底电源与岸基站之间的海缆压降大,要求海底电源具有宽范围输入电压适应能力。海底电源安装于狭小密闭空间,对运行效率与功率密度有较高的要求。因此,面向海底供电的特殊应用需求,研究海底中压大功率直流变换器的拓扑结构和控制方法,实现海底电源高降压比多端口输出、宽输入电压适应、高效率运行具有重要意义。本文针对海底大功率直流变换器,深入研究了海底开关电容谐振型直流变换器拓扑和宽增益调节方法,研究的主要内容为以下三个方面: (1)针对中压直流输入多端口输出、高效率运行的要求,提出了具有自均衡能力的海底开关电容谐振型直流变换器拓扑。所提拓扑在开关电容输入串联的基础上,在各桥臂之间引入LC耦合均衡支路连接,通过周期性对称式充放电,实现变换器输入功率的自均衡。同时,在多个桥臂间引出输出端口,各输出端口连接LLC谐振网络,经高频变压器隔离及整流后实现多端口直流输出与软开关运行。围绕所提多端口直流变换器拓扑,分析了其所有开关模态,研究了变换器功率自均衡的特性,推导了变换器实现输入功率自均衡的条件,分析了变换器高降压比增益特性,根据增益特性设计了平衡支路参数,最后通过仿真验证了所提拓扑的正确性。 (2)针对海底开关电容谐振型直流变换器宽输入电压范围的要求,提出了占空比和移相角协同的宽增益调节方法。将控制周期分为两个控制阶段,第一控制阶段调节输入电容和平衡电容的电压,第二控制阶段调节谐振腔输入电压,通过多自由度共同控制输出电压,提升所提变换器宽输入电压的适应能力。围绕所提控制方法展开工作原理分析,分析了各控制阶段的电路运行模态,求解得到控制变量与直流增益的关系,并分别给出了单自由度、双自由度、三自由度的宽输入适应调压轨迹。最后,通过仿真验证了所提控制方法的可行性。 (3)设计了10k V/10k W的海底开关电容谐振型直流变换器工程样机。完成了功率器件的选取,驱动电路设计,电压、电流、温度采样电路设计,硬件保护电路设计等,计算了变压器参数和谐振参数,给出了系统控制的整体流程和软件设计流程图。最后基于所提变换器与控制方法进行了10k V高压实验,验证了所提变换器与控制方法的工程可行性。

关键词： 无刷直流电机   软开关技术   谐振极逆变器  

摘要： 无刷直流电机因为具有动态性能好、响应速度快、功率密度高、稳定性好等众多优点,被广泛应用在航空航天、国防工业以及国民生产的各个领域。然而,无刷直流电机通常由硬开关逆变器驱动运行,存在高损耗、转矩波动大、效率低、电磁干扰强等问题。为了解决这些问题,本文提出了一种新型软开关逆变器拓扑,应用于无刷直流电机的驱动控制。本文的主要工作内容如下: 首先,分析了无刷直流电机的工作原理,并基于三相桥式逆变器建立了等效的数学电气模型。采用电机转速/电流双闭环控制策略,建立了三相无刷直流电机控制系统仿真模型。仿真结果表明,所采用的控制策略可以使无刷直流电机正确稳定地运行,为后续研究无刷直流电机软开关驱动电路提供了理论基础。 其次,通过对国内外的各种软开关逆变器电路拓扑特点和性能进行分析对比,提出了一种用于驱动无刷直流电机的新型谐振极逆变器拓扑。阐述了新型谐振极逆变器在各个工作模态下的电压电流变化情况,并建立了每种工作模态的数学模型。通过工作过程说明了整个谐振极逆变器电路的开关管和二极管在工作过程中都实现了零电流和零电压的切换过程。 再次,本文分析了电路元器件参数对功率损耗的影响,并确定了辅助谐振电路中谐振电容和谐振电感参数大小。搭建了采用新型谐振极逆变器驱动无刷直流电机运行的系统仿真模型,并进行了仿真验证。仿真结果表明,本文所提出的新型谐振极逆变器驱动无刷直流电机运行时,电路中所有的开关管均实现了软开关工作过程,可以使电机转矩波动和电机定子绕组的电流纹波降低,电机转速也具有良好的控制性能。 最后,根据所建立的新型谐振极逆变器驱动无刷直流电机的系统仿真模型,本文设计了无刷直流电机新型软开关驱动电路的软件控制系统和硬件实验装置。采用STM32F4系列单片机作为新型软开关驱动器的核心部件,并基于电机电流/转速双闭环设计了电机控制算法的执行程序。在电机的空载实验中,实验结果表明,本文所提出的新型谐振极逆变器在驱动无刷直流电机工作时,所有的开关管均实现了软开关切换过程,直流电源的输出功率减小,提高开关频率降低电机绕组电流脉动的同时可减小功率损耗,证明了其在实际应用中的可行性和实用性。

关键词： 隔离三电平变换器   DC/DC变换器   软开关   模型预测控制  

摘要： 随着电力电子技术的发展,高压大功率变流器被广泛应用在储能电站、光伏发电等领域,其控制和驱动电路的供电依赖于辅助电源(Auxiliary Power Supply,APS)。隔离三电平直流变换器开关管的电压应力仅为输入电压的一半,可直接从高压直流母线取电,适合作为辅助电源应用。本文主要围绕高压直流输入隔离三电平直流变换器相关技术展开研究。首先,对隔离三电平直流变换器工作原理展开研究。阐述了隔离三电平直流变换器副边占空比丢失以及输入电容电压不均衡的原因。针对变换器不能实现全负载范围软开关的问题,重点分析了不同桥臂的软开关实现条件,提出了一种新型有源换流辅助电路,可实现全负载范围软开关。给出了有源换流辅助电路的参数设计方法,研究了有源换流辅助电路电流电压应力及带来的损耗,并对基于有源换流辅助电路的隔离三电平直流变换器进行了仿真研究,证明了所提出的有源换流辅助电路可以实现隔离三电平直流变换器的全负载范围软开关。然后,对隔离三电平直流变换器系统的控制策略进行了研究。为了提升系统的动态控制效果,本文采用了电压外环为PI控制,电流内环为模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)的PIMPC级联控制策略。建立了隔离三电平直流变换器的等效预测模型,根据控制目标完成了价值函数的设计,得到了最优的占空比。通过仿真研究,对比分析了PIMPC级联控制策略与传统PI双闭环控制策略在启动过程和输入电压突变时的动态性能,结果表明采用的PIMPC级联控制的动态性能优于传统级联PI控制策略。最后,完成了系统的软硬件设计并搭建了实验平台,对所研究的隔离三电平直流变换器进行了实验验证。设计并制作了一台输入电压500V,输出电压24V,额定输出电流10A的实验样机,并开展了全负载范围软开关实验、PIMPC级联控制策略与传统PI双闭环控制策略的对比实验。实验结果表明,所提出的有源换流辅助电路可实现隔离三电平直流变换器的全负载范围软开关,提升了变换器效率;采用的PIMPC级联控制策略的动态性能优于传统PI双闭环控制策略。

关键词： 全桥变换器   软开关   零电流开关   零电压开关   阻断电容   谐振电容   三电平   环流抑制  

摘要： 大力发展新能源发电是我国实现“双碳”目标的重要支撑手段。无论是光伏、风电等新能源发电,还是数据中心等负荷,其端口直流特性愈发明显,源荷的直流特性使得未来对直流变换器的需求大幅增加。特别是新能源间歇性和随机性的特点导致传统的电力装备和电网结构无法承受大量新能源接入电网,新能源直流并网技术是解决上述问题的有效方案之一。本论文针对新能源发电中压直流汇集系统中的大功率直流变换器,从电路拓扑、软开关技术以及优化设计等方面开展了研究。 本文针对大功率直流变换场合常用的全桥变换器,对其电路构成和软开关技术发展规律进行了归纳分析,指出零电压开关全桥变换器适合于以MOSFET为功率器件的应用场合;零电压零电流开关全桥变换器适合于IGBT作为功率器件,但超前桥臂仍然实现零电压开关;为此进一步发展为零电流开关全桥变换器,其全部主功率器件都可实现零电流开关,更适用于以IGBT为功率器件的大功率直流变换场合。 针对现有文献研究中一类ZCS全桥变换器需要高压滤波电感问题,提出了一种复用桥臂组合型ZCS全桥变换器,仅利用低压小电感就可实现能量传输,同时输出侧采用容性滤波,更加适合于新能源发电中压直流汇集场合,分析了该变换器软开关特性,即可实现全负载范围内4只主功率器件的零电流开通与关断,以及2个辅助开关管的零电压零电流开通与零电压关断,同时对变压器匝比进行了优化设计。但该变换器同样存在一些不足,如原边存在一定的环流、辅助变压器不参与能量传输、主变压器容量高于变换器容量。 为此在第3章中对上述全桥变换器进行了改进,调整了辅助变压器副边绕组同名端以及整流方式,再在辅助变压器原边绕组中串联一个阻断电容,可实现在保留原有变换器软开关特性基础上,让辅助变压器也参与能量传输以减少主变压器的容量需求,同时还去除了原边环流,降低了导通损耗。对该ZCS全桥变换器的工作原理进行了详细分析,讨论了阻断电容的选取原则,对主变压器与辅助变压器的匝比选择进行了优化设计,并进行了仿真和实验验证。 为了适应新能源发电端口电压越来越高的发展趋势,结合中点箝位三电平技术,在第4章中提出了一种无环流ZCS三电平复合全桥变换器,其由一个半桥三电平电路和全桥电路共同复用2只开关管而构成,从而所有开关管的电压应力只为输入电压一半,有利于该变换器应用于高输入电压场合,同时还保留所有开关管的软开关特性不变和消除原边环流。为进一步降低所有开关管的峰值电流和辅助开关管的关断电流,在第5章中又引入了LC串联谐振技术,可大幅降低辅助开关管的关断电流,而不像第4章中关断电流就是其最大电流,从而使其开关损耗得到进一步降低。

关键词： 永磁同步电机   IGBT   结温   自适应超螺旋滑模观测器  

摘要： 当前伴随着社会生产和应用技术的发展,电机被广泛地应用在工程实践中,现有的电机类型主要包括:直流电机、异步电机、开关磁阻电机、直流无刷电机、永磁同步电机等,其中永磁同步电机以功率因数高、结构简单、体积小、噪音小等特点被广泛运用在社会生产当中。本文先介绍了国内外电机的发展现状,对不同类型电机的优点和局限性进行了分析,并着重介绍永磁同步电机的结构和运行原理。 在工程应用中,多种控制策略被应用于永磁同步电机,本文分析了永磁同步电机不同控制策略及其优缺点,由于矢量控制具有高控制精度和良好的动态性能,同时为了降低电机成本和占用空间,永磁同步电机通常采用无传感器的矢量控制方法,鉴于滑模观测器不受电机参数影响、调节方便、计算简单、收敛快速等优点,在无传感器算法中通常采用滑模观测器,但滑模观测器会导致系统产生严重的抖振现象,为了解决抖振问题,许多学者已经提出了很多不同的解决方案,本文比较了这些解决方案的优缺点,为了优化滑模观测器的性能,本文在分析滑模变结构理论的基础上提出了一种自适应超螺旋滑模观测器,通过仿真和实验验证了本文提出的自适应超螺旋滑模观测器相比经典滑模观测器和超螺旋滑模观测器具有更好的稳定性和抑制抖振能力。 逆变器是一种将直流电转换为交流电的电子设备,在现代电力系统中,逆变器由于其易操作、易控制、易实现的特点已被普遍地应用于永磁同步电机驱动电路中,但逆变器在运行过程中面临着复杂多变的环境,这增加了IGBT的损耗,也极大地加剧了逆变器的结温,从而使逆变器疲劳老化,影响系统运行的可靠性,针对三相逆变器采用空间矢量脉宽调制驱动方式时运用固定开关频率和额定直流母线电压会存在直流电压利用率低、IGBT损耗较高的缺点,许多学者提出了很多不同的驱动策略,本文对其进行了优缺点分析,为了进一步优化IGBT损耗,本文介绍了基于空间矢量脉宽调制的IGBT平均损耗模型和电流纹波有效值计算方法,在此基础上提出了一种变直流母线电压变开关频率的永磁同步电机驱动方式,通过仿真和实验验证了本文提出的变直流母线电压变开关频率驱动策略能够在保证输出电流质量的基础上有效降低IGBT平均损耗,从而降低IGBT的结温,提高逆变器运行的可靠性,提高直流母线电压利用率。

关键词： 航天器电源系统   Buck/Boost变换器   三端口直流变换器   零电压开关   软开关   电流应力优化  

摘要： 随着航天技术的迅速发展,航天器的功能越来越复杂,这对航天器电源系统提出了更高的要求。部分隔离式三端口直流变换器(Three-port DC-DC converter,TPC)具备体积重量小、集成度高和功率密度高的优点,可作为整合航天器电源系统中原生能源、储能装置和用电设备的有效拓扑。本文以集成双Buck/Boost与双有源桥(Dual active bridge,DAB)型TPC作为研究对象,由于开关损耗是其主要损耗来源之一,并且高频变压器原边高压端口电压、副边电压的不匹配会导致漏感电流应力的增大,进而增加开关管的导通损耗、高频变压器的磁芯损耗,因此,研究其软开关实现方法与电流应力优化控制方法对于提升功率传输效率具有重要意义。本文以此为主要研究内容,旨在为航天器电源系统的功率变换环节提供更高效的解决方案。本文的主要研究内容和创新点如下:(一)本文提出了一种基于耦合电感与双二极管型软开关Buck/Boost变换器拓扑。详细分析了一个开关周期内变换器的工作过程;给出了软开关实现条件、关键参数((耦合电感、开关管并联电容)设计要点、控制原理;进行输入源电流纹波分析、损耗分析;搭建了120k Hz,500W实验样机,实验结果表明满载的效率比传统Buck/Boost变换器提高1.2%(Buck模式)、1.3%(Boost模式)以上。该拓扑的主开关管和辅助开关管均可实现软开关,与现有基于耦合电感的零电压开关(Zero-voltage-switching,ZVS)Buck/Boost变换器相比,输入源电流具有更小的纹波,更适合用于连接储能装置与航天器电源系统。此外,通过改变耦合支路在主电路里的连接位置,扩展得到一类基于耦合电感与双二极管型软开关Buck/Boost变换器拓扑族,总计64种拓扑结构,与现有的ZVS Buck/Boost变换器具备相似的特性,为实际应用提供更多的拓扑选择。以其中两种扩展拓扑为例,进行了变换器的工作原理分析、损耗分析、关键参数设计,分别搭建了两种100k Hz,1000W实验样机,实验验证了变换器的可行性及其软开关性能。(二)在上述基于耦合电感的软开关技术的研究基础上,为了进一步抑制输入源电流的纹波,提出了一类基于耦合电感的有源箝位型软开关Buck/Boost变换器拓扑。详细分析了一个开关周期内变换器的工作过程,给出了软开关实现条件、关键参数((变压器参数、箝位电容、开关管并联电容)设计要点、控制原理;进行输入源电流纹波分析、损耗分析,搭建了100k Hz,800W实验样机,实验结果表明满载的效率比传统Buck/Boost变换器提高1.2%以上。主开关管均可实现ZVS,辅助开关管均可实现零电流开关(Zero-current-switching,ZCS),主开关管与对应辅助开关管之间的移相控制用以最小化辅助电路的导通损耗。与现有的应用于Buck、Boost、Buck/Boost变换器中的基于耦合电感的ZVS实现方法相比,该方法可完全避免辅助电流的引入对输入源电流造成的巨大纹波。(三)对于集成双Buck/Boost与DAB型TPC,除了原边桥臂占空比和原边、副边全桥电路之间的移相角这两个控制量外,副边两个桥臂间的移相角可作为第三个控制量参与优化控制,本文提出一种应用于集成双Buck/Boost与DAB型TPC的电流应力优化控制方法。建立电流应力优化的数学模型,将优化问题转化为带约束条件的极值求解问题,给出了高频链电流应力优化的实现条件,搭建了50k Hz,500W的TPC实验样机,通过实验验证了引入优化控制后,高频变压器的漏感电流峰值得到有效抑制,系统损耗减少,功率传输效率得以提升。在负载轻载的情况下,该电流应力优化控制方法可以取得更明显的效果。(四)在上述Buck/Boost变换器软开关技术的研究基础上,将辅助电路引入集成双Buck/Boost与DAB型TPC中,构造基于耦合电感与双二极管型TPC拓扑和基于耦合电感的有源箝位型TPC拓扑。针对两种TPC拓扑,给出了开关管的ZVS实现条件;给出一个开关周期内TPC主开关管与辅助开关管的开关状态;对比了原边高压端口电压与副边电压不同匹配度下,引入辅助电路前后原边主开关管的软开关实现范围,合理的参数设计可实现全负载范围内的ZVS;分别搭建了两种60k Hz,750W的基于耦合电感的TPC实验样机((双二极管型与有源箝位型),通过实验验证了辅助电路可有效扩展主开关管ZVS范围的效果。两种TPC拓扑具有储能端口低电流纹波的优势,在应用于航天器电源系统时,可避免较大的电流纹波对储能装置(如锂电池)的寿命造成的不利影响。

关键词： 直流断路器   换流支路   气体间隙开关   触发参数   诱导击穿  

摘要： 常规机械式直流断路器换流支路控制开关在快速操作、灵活控制和经济性兼容方面尚未完全满足配电网大规模应用的要求。为此,创新性地提出一种直流断路器换流支路用气体间隙开关方案,其操作性能受其触通特性的影响;进一步设计了样机,并搭建了用于研究其触通过程中喷射等离子体发展特性及其影响规律的触发试验平台。结果表明:气体间隙开关喷射等离子体诱导击穿过程可分为快速发展、饱和和消散3个阶段。随着工作系数的提高,气体间隙开关由饱和导通模式过渡到快速导通模式,触通时延及开关主间隙击穿时的等离子体临界喷射高度均随之降低。强绝缘、强电负性气体SF6对喷射等离子体的发展具有明显的抑制作用;气压增大对等离子体喷射也有明显的抑制效果,喷射速度和喷射高度均随之渐进减小,触通时延则随之增大。低气压下气体间隙开关主间隙在等离子体初次喷射过程中即可触通,而高气压下会存在明显的预击穿效应。研究成果可为直流断路器换流支路用特快速开关的设计提供理论指导,对于提高配电网快速开合技术的经济性、灵活性具有参考意义。

关键词： 快速直流开关   软件开发   软件测试  

摘要： 本文介绍了船用快速直流开关控制软件的设计开发过程,实现了断路器分断和闭合控制、过载长延时保护、短路电流保护、事件记录等基本功能,并通过软件测试验证了该软件的功能,为该类软件的开发和设计提供了参考,对于提高舰船电力系统的安全性具有实际意义。