关键词： 直流微电网   柔性互联开关   功率互联   协调控制   稳定性分析  

摘要： 随着直流微电网中分布式光伏、电动汽车、电池储能等新型源/荷占比逐年提升,可再生能源自身的随机性及间歇性将会导致其消纳不充分、能源利用率不高。而相邻直流微电网之间通过互联方式能够实现更大范围的资源整合,其中,柔性互联开关作为直流微电网间的互联关键装备,能够实现直流微电网间功率互联与灵活转供,从而提高可再生能源的充分消纳与高效利用。通过分析目前低压直流微电网运行特性与柔性互联开关可靠性问题,本文提出了一种基于双降压/升压结构的柔性互联开关拓扑结构,其具备无桥臂直通、电压利用率高、功率等级易拓展等优点。首先,对柔性互联开关的类型和相应控制策略进行简要概述;其次,分析了互联低压直流微电网的组网形态和运行模式,并对互联低压直流微电网系统进行协调优化控制;最后,通过建立互联低压直流微电网内关键装备的小信号等效电路模型,推导其端口阻抗模型,分析了互联低压直流微电网母线电压稳定性。具体研究内容如下:针对基于双降压/升压变换器的柔性直流互联开关,分析了其工作原理和载波层叠调制策略;在此基础上,对变换器所用耦合电感进行等效计算,分析耦合电感在各工作模式下的充放电情况,并推导柔性互联开关两端电压增益表达式;接着,通过搭建一套150V/1k W实验样机,验证所提双降压/升压柔性互联开关拓扑的有效性与正确性。分析互联低压直流微电网的组网形态和运行模式,围绕柔性互联开关的互联、单端电压支撑、故障闭锁3种工作模式,提出基于柔性互联开关的多模式协调控制策略,使其根据功率调度指令,实现互联微电网间的多模式最优运行。最后,通过仿真平台验证所提协调控制策略能够实现互联微电网间功率的动态分配。围绕柔性互联开关的升压、降压、过渡模式建立了相应的小信号模型和其端口阻抗模型,结合电压源型变换器(Voltage source converter,VSC)直流端口阻抗模型,分析了互联低压直流微电网母线电压稳定性,最后通过仿真验证所建立阻抗模型与稳定性分析的准确性。

关键词： 柔性多状态开关   直流侧电压波动   三相不平衡   谐振积分器   RBF神经网络  

摘要： 随着各类分布式电源如风能、太阳能等大量接入,配电网功率流动越来越复杂,电能质量问题越来越严重,其中电网三相不平衡情况尤为突出。柔性多状态开关作为一类新型的电力电子设备,拥有着灵活的潮流调控能力,为解决上述问题提供了新的契机。为此,本文以三端口柔性多状态开关为模型研究其直流侧电压控制策略,具体的研究内容包括: 首先分析了三相平衡时柔性多状态开关的稳定工作原理,分别建立了其在三相静止abc坐标系和同步旋转dq坐标系下的数学模型,接着推导了三相不平衡时三端口瞬时功率关系和直流侧电压关系,得出了功率波动会导致直流侧电压波动的结论。研究了三种正负序分量的分离方法,为后续负序不平衡电流的补偿策略提供理论基础。 以dq坐标系下的数学模型为基础,研究了三相平衡时的双闭环控制策略,其中外环包括UdcQ控制和PQ控制,采用“稳态逆模型”能有效解决模型中非线性耦合问题,内环引入电流反馈解耦和电压前馈补偿能有效消除电流耦合影响和电压扰动影响,具体分析了内外环控制中PI控制器的参数设计方法。三相不平衡时,针对常见单序双闭环控制无法对负序电流单独控制这一问题,设计了正负双序双闭环解耦控制策略,能够实现对负序电流的实时追踪并分别控制。 将正向dq坐标系和反向dq坐标系中的变量转化为同一坐标系中,针对电网电压不平衡下柔性多状态开关直流侧电压波动的影响因素,提出了一种新的负序外环控制策略,该方法中引入谐振积分器实现负序电流的完全矢量控制,能够提高负序电流的补偿精度,达到对系统中负序电流的补偿,进而抑制直流侧电压波动。同时,在正序外环中引入了功率前馈环节能有效抑制直流侧电压暂态波动带来的影响;在Q环节中引入谐振滤波器能有效消除无功功率波动对外环的影响。针对传统PI控制器参数固定,对动态系统适应性差的缺陷,引入RBF神经网络并利用其智能辨识性能设计了RBF-PI自适应控制器,对d轴正负外环PI控制进行改进,该方法能够在线辨识获取梯度信息,基于该梯度信息对PI控制器的参数在线自适应调整,提升了控制系统的响应速度,减小了系统中干扰引起的超调量。 最后在MATLAB/Simulink中搭建三端口柔性多状态开关仿真模型,针对多种不平衡工况进行仿真验证,实验结果表明了所提方案能有效抑制直流侧电压波动。

关键词： 新能源可再生系统   开关电容   耦合电感   高电压增益   DC-DC变换器   SCCL   闭环控制  

摘要： 进入“双碳”发展车道以及新科技时代以来,因为资源短缺以及环保问题,清洁能源开发技术得到了深入的研究探讨。在现代化的世界中,电能主演了重要的角色,它不仅仅伴随在寻常生活中,同样推动着各行各业的进步与发展。随着低碳清洁技术的不断进步,针对新能源可再生发电系统的探讨深入了各国学者研究话题中。其中,针对新型高转换比升压直流转换器的研究讨论在众多研究话题中占据了较大的比重。作为光伏发电系统中的必要环节,升压变换器的研究一直在不断深入和创新。随着用电需求的变化,传统升压变换器架构已不能完美地满足相关高升压环境要求,甚至会带来些许问题和缺陷。为了解决传统升压变换器在光伏发电系统中的低升压问题,本文以各项升压技术之间的相互融合为主旨。在归纳总结升压变换器拓扑结构构造技术的条件下,融合各项技术优点,设计了一种依托Fibonacci开关电容单元的耦合电感高电压比DC-DC升压变换电路,(Switched-Capacitor and Coupled-inductor DC-DC Converter--SCCL)。所提出结构可以在理想的占空比及匝数比条件下提供较高的电压增益。这也使变换器的电压增益不仅仅受限于占空比一个调节因子,使得电压增益能够灵活调节,防止电路运行于极限驱动占空比工况下,危及其安全。此外,电路结构中嵌入了箝位回路,其能够将耦合绕组中漏感的输出能量并加以吸收利用,减小功率开关的应力等级大小,减少器件损耗。最后,通过公平合理的性能对比,研究分析该拓扑在升压增益大小、整体运行效率以及部分单元应力等级大小方面具有的优势之处。文章依据所提出的拓扑结构进行了其他扩展及衍生,构造出其他系列的耦合电感高升压DC-DC变换器。论文选择其中一种变换器作为主要研究对象,进行了电路拓扑的性能机理总体谈论,研究分析变换器CCM状态下的各阶段运行机理,推导出拓扑的升压转换比及各元件的应力分布情况。进一步在考虑寄生电阻的基础上分析了寄生参数增益、各器件的损耗以及其整体工作效率。为拓扑后续实验参数及实物样机构造提供设计参考。然后,借助切换线性系统理论进行了变换器的能控性分析,作为变换器闭环控制的前提条件,并为变换器拓扑结构的可行性分析以及相关参数设计优化提供理论依据。进一步的借助Bode图分析方法对变换器进行了小信号模型分析研究,推导输出与占空比的传函关系式。以此为基础进行参数校正,完成闭环控制系统设计,通过仿真测试验证变换器闭环控制的动态性能效果。最后,结合稳态性能结果,对SCCL的实验参数进行设计及器件选型。并以此构造200 W功率等级的试验样机以及其他辅助单元模块,进行SCCL静态运行、动态稳定控制验证测试。验证了所提出SCCL架构构造的正确性及可行性,并通过动态实验测试结果检验了SCCL能够稳定输出的动态控制效果。也进一步验证了所提出升压SCCL拓扑具有的性能优势之处。也通过相应的实验结果进一步验证了前文关于SCCL的升压比大小、应力等级、电路工作转换效率稳态计算分析结果与动态闭环系统建模以及所设计闭环控制器理论分析内容的正确性。

关键词： 高增益变换器   耦合电感   软开关   小信号建模  

摘要： 随着传统能源的日益枯竭以及其使用过程中对生态环境的污染,以光伏、燃料电池为代表的清洁能源得到了快速的发展,但是光伏、燃料电池输出电压等级较低,因此需要高增益直流变换器来提升其电压等级才能供给并网逆变器直流母线使用。这些高增益直流变换器通常工作在硬开关状态,开关损耗大,而且随着开关频率的增加开关损耗也增加,大大降低了变换器的效率,而解决此问题的途径之一就是让变换器工作在软开关状态。因此,研究具有高电压增益、软开关性能的直流变换器具有重要的意义。 首先,介绍了本文的选题背景及研究意义,概述了高增益直流变换器的研究现状及存在的主要问题,进而,提出了一种耦合电感倍压型高增益软开关Boost变换器,该变换器通过引入耦合电感倍压单元提高了电压增益,降低了二极管的电压应力,利用耦合电感的漏感与开关管结电容谐振实现了所有开关管的零电压软开关,漏感引起的电压尖峰得到了有效吸收,开关管电压应力小。详细分析了该变换器的工作原理、电路特性、软开关实现条件以及电路扩展方案,并将该变换器与同类型变换器进行性能对比。 接着,分析了交错并联耦合电感倍压单元构建思路,进而提出了一种耦合电感倍压型高增益软开关交错并联变换器。所提变换器保留了交错并联变换器低输入电流纹波的特点,同时,耦合电感倍压单元的引入使其在使用相同或者更少器件数量下比其它同类型变换器具有更高的电压增益和更小的电压应力,该变换器所有开关管均可实现零电压软开关,且耦合电感自身漏感能量得到了有效利用,开关管电压应力小。详细分析了该变换器的工作原理、电路特性、软开关实现条件以及电路扩展方案,并将该变换器与同类型变换器进行性能对比。 然后,建立了所提变换器的小信号模型,借助MATLAB软件绘制出系统开环传递函数bode图以分析系统的稳定性,在此基础上利用K-factor法设计了变换器的补偿网络,并利用仿真软件验证了所建立的变换器模型和补偿网络设计的正确性。 最后,在Saber仿真环境下对所提两种软开关直流变换器及其扩展电路进行了仿真验证,并研制了一台160W的耦合电感倍压型高增益软开关Boost变换器实验样机和一台200W的耦合电感倍压型高增益软开关交错并联变换器实验样机,分别对两台实验样机的电压增益、开关器件电压应力、软开关情况以及动态响应特性等进行了测试,并记录了相应的实验数据,仿真和实验结果验证了所提变换器的可行性。

关键词： 双向DC/DC   并网电力接口   MATLAB/Simulink   PI控制器   模型预测   软开关  

摘要： 环境和能源作为可持续性的基本要素,正在成为重大的全球性挑战和迫在眉睫的任务。双向DC/DC并网电力接口在当代新能源应用中具有极其重要的意义。具有效率高、成本低、稳定性好等特性的并网电力接口应用前景广阔。本文双向DC/DC并网电力接口采用两相交错并联结构,通过控制算法的优化来提高并网电力接口的性能。首先对基本并网电力接口进行多方面研究,选择双向半桥式并网电力接口作为本课题的基本研究单元。为减小电压电流纹波,给功率器件提供更低的电应力,通过运用双重化结构,将两个完全相同的半桥式并网电力接口相互并联,构成本课题研究的双向DC/DC并网电力接口。其次运用状态空间平均法建模,得到并网电力接口工作在不同模式下的小信号模型。针对该并网电力接口的特点选择PI控制器,设计电压单闭环、电压电流双闭环PI控制器,将其应用在并网电力接口处于不同工作模式和不同扰动信号中,运用MATLAB软件仿真得到电压电流波形对比,验证了并网电力接口控制系统的稳定性。之后设计模型预测控制策略以提高系统的动态响应性能,并设计优化控制PI-模型预测控制策略,通过在MATLAB/Simulink软件中开展仿真研究得到大量仿真数据结果,表明本文设计的PI-模型预测控制器的稳定性和动态性能都比传统控制器优良,验证了改进型控制策略的正确性与优越性。最后分析并网电力接口系统的软硬件设计,研制了双向DC/DC并网电力接口样机,通过对样机的实验,得出双向DC/DC并网电力接口的重要波形与数据,充分验证并网电力接口的电压电流纹波、抗干扰能力、响应特性等指标都满足设计的要求。

关键词： 空间直流固态开关   IGBT模块   热场分布特性   液冷集成模块  

摘要： 空间大容量电力系统是我国实现未来超大型航天器、月球基地和太阳能空间电站必不可少的部分。直流固态开关作为空间大容量电力系统中最重要的控制与保护设备,其核心功率器件的性能极易受到温度影响。与地面不同,空间特有的真空环境会使得功率器件呈现更复杂、极端的热场分布,导致功率器件失效进而引起系统故障。因此,本文针对固态开关功率器件在真空环境下的热场分布规律和热控方法展开研究,提出了一种热路匹配的直流固态开关功率器件液冷方法,并研制了空间固态开关液冷集成模块,通过试验研究验证了其热控效果。论文的主要内容有:(1)分析空间环境及空间大容量电力系统对于直流固态开关的设计需求,提出一种热均衡的空间直流固态开关拓扑结构,可实现串并联开关功率器件间的均压均流优化。构建了该直流固态开关的高压大容量仿真模型,通过仿真探究了高故障电流下稳态动态工作特性和损耗特性,并研制了开关单元模块实验样机,验证了其结构的正确性。结果显示所提出的直流固态开关具有快速开断和低损耗的特点,而稳态下开关单元模块的热场分布是影响其性能的关键。(2)开展了直流固态开关功率器件绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的热场分布规律研究。基于热路分析建立了IGBT模块的温度修正热阻抗模型,结合有限元分析方法获得真空环境以及非真空环境下IGBT模块的热场分布规律;基于对流换热牛顿冷却定律进一步建立了空间液冷作用下IGBT模块的热平衡数值模型,结合有限元分析方法对直流固态开关正常导通及故障开断过程中开关功率器件的热场特性进行研究,结果显示流体回路热控下能将IGBT模块的温度控制在正常工作温度范围之内,但加剧了IGBT模块内部热场的不均匀性。(3)提出了一种热路匹配的直流固态开关功率器件液冷方法,可在优化功率模块之间不均匀热分布的同时实现散热效率最大化,基于该方法研制了空间固态开关液冷集成模块并构建了可提供100K～400K宽温区真空环境的功率器件多参量试验平台。试验结果显示,真空环境下直流固态开关功率器件在无热控模块时达到最大耐受温度420K而失效,液冷集成模块能有效降其工作结温到388K并稳定安全工作,验证了直流固态开关功率模块液冷方法和集成模块的有效性。

关键词： 多电平变换器   电压自均衡   开关电容   级联H桥  

摘要： 文章提出一种由级联H桥(CHB)以及开关电容(SC)单元构成的模块化多电平变换器,所提出的变换器具备SC单元直流侧电压自均衡的能力,实现了13电平的电压输出,负载上的输出电压质量好、总谐波失真含量低,与传统的非对称级联多电平变换器相比,只需要单个直流源便能获得多个电平的交流输出。仿真结果验证了所提拓扑的正确性。

关键词： 高频开关   变电站   直流系统   实际应用  

摘要： 现代化社会的高速发展使得人们的用电量大大增加,变电站可以保证电能在不同的电压下也能保持正常供应,是我国供电网络中的主要环节,而高频开关电源是变电站运行系统中的重点设备,只有重视变电高频开关电源的应用和安全运行管理工作,才可以使得电力得到正常供应,维持人民的生活质量。基于此,本文首先分析了在变电站直流系统中应用高频开关电源的意义与必要性,随后探究了变电站直流系统中高频开关电源的构成部分,以此来供相关人士交流参考。

关键词： 直流输电   特高压隔离开关   通流能力  

摘要： 特高压直流隔离开关是特直流输电系统的重要组成设备,一旦发生故障就将影响直流输电通道的可靠性。结合ZGW2-816/J5500-40型特高压直流隔离开关的结构,通过分析、计算,提出了增加隔离开关接线端子和软连接处设计面积的改进方案。应用该研究成果的特高压直流隔离开关已通过型式试验,并成功应用于昆柳龙混合多端直流工程。

关键词： 混合式直流断路器   主支路电流转移开关   核心性能   参数设计  

摘要： 主支路电流转移开关是混合式高压直流断路器的核心部件,其转移电流的成功将直接影响断路器开断功能,为实现其在断路器中高效可靠工作,该文对电流转移开关核心性能进行研究。采用定性分析结合定量计算的方法,分析电流耐受、电压耐受、转移能量和可用率等性能的影响因素,并依据张北±500kV柔性直流电网技术要求,设计500kV混合式断路器主支路电流转移开关参数,研制全尺寸样机,并对样机进行性能测试,测试结果表明设计方法满足要求,验证所提方法的科学性和合理性。