关键词： 新能源发电系统   高增益DC/DC变换器   有源网络   交错并联结构   开关电感/电容-二极管单元  

摘要： 针对新能源发电系统小电压、大电流的输出特性,需要使用升压拓扑结构提升电压等级以满足后级负载稳定运行。本文结合开关电感/电容-二极管单元、交错并联技术、有源网络结构,构造新型高增益直流变换器并逐步优化,通过仿真/实验验证所提出功率变换器的有效性。首先,提出一种基于电容-二极管单元的有源网络Boost变换器,在有源网络升压变换器输入侧电感的两端增加电容-二极管单元。分析该变换器在理想状态/非理想状态的工作原理,详细推导变换器的稳态性能并与传统升压变换器进行对比。实验结果表明该拓扑结构具有电感电流平均值小、开关管/二极管电压/电流应力低的特点,但是该变换器的电压增益有限。其次,针对第1种变换器电压增益有限的不足,提出一种基于开关电感/CD单元的交错并联升压变换器。用交错并联技术代替有源网络结构,采用开关电感单元代替交错并联Boost变换器输入侧的电感,输出侧增加CD(电容-二极管)单元。该拓扑结构在保留电感电流平均值小、开关管/输出二极管电压/电流应力低的同时,具有电压增益高的优势,但是该变换器系统整体效率较低。然后,针对第2种变换器效率较低的缺陷,将开关电感单元用电荷泵结构代替,提出一种基于电荷泵的交错并联高增益直流升压变换器。与其他两种拓扑结构相比,尽管电压增益没有第2种拓扑结构高,但是该拓扑结构能够满足新能源发电系统前级功率变换需求,具有最小的功率器件电压应力且理论效率值能够达到93.4%以上。在此基础上,根据变换器状态空间平均模型进行闭环控制器设计,仿真结果表明在输出阻性负载变化的过程中,输出电压/电流能够在0.018s内恢复至给定值。最后,设计第3种拓扑结构的硬件电路并搭建一台150W功率变换实验样机。实验结果表明器件电压/电流理论计算值与实际稳态测量值基本保持一致,在燃料电池前级功率变换中具有较高的电压增益与较好的抗负载扰动能力;当拓扑结构输入电压为16V时,额定负载条件下的系统整体效率可以达到94.2%。

关键词： 电压源变流器   平均模型   开关函数模型   谐波比较   计算性能   VSC-HVDC系统  

摘要： 在高压直流输电系统中,与传统的电流源转换器(CSC)相比,使用电压源转换器(VSC)具有许多优点。然而,这两种技术都由非线性元件组成,这些元件会产生电流和电压谐波,从而影响电力系统中的电能质量。多电平转换器VSC的使用不仅提高了转换器的效率,而且还降低了输出电压和电流的谐波含量,这减少了热,也降低了转换器的损耗。在电磁瞬态(EMT)程序中开发时,VSC转换器的详细形式会导致计算问题。这些计算问题在研究瞬态事件和VSC-HVDC系统的稳态行为方面造成了困难。为了克服详细模型VSCs所面临的计算负担,使用简化模型开发了基于VSC的HVDC系统。开发的简化模型称为开关函数模型和平均模型VSCs,它们使用开关函数的受控电压源或其平均值来提供与详细模型相似的动态响应。为了更好地研究IGBT开关器件平均化对VSC-HVDC系统运行和性能的影响,利用输出信号的谐波失真和不应用谐波滤波器的情况下,比较了平均模型(AVM)和基于然后,观察两个系统(AVM和SFM)的谐波行为,以确定可用于谐波分析研究的最佳模型,其中涉及基于VSC的HVDC系统。还执行计算验证以观察计算准确性。提出的控制方法是矢量控制技术,控制整流器侧的有功功率流和无功功率流,控制逆变器侧的直流电压和无功功率流。根据性能和功率质量,从现有的调制技术中选择合适的调制技术。利用MATLAB SIMULINK对各模型参数相似的点到点VSC-HVDC系统进行了开发、仿真,并对结果进行了深入讨论。结果表明,通过平均开关函数忽略IGBT开关器件导致平均模型VSC,即使不应用滤波器,也不会显示开关脉冲产生的高频谐波分量。这限制了谐波分析的研究和高频相互作用引起的谐振过电压的研究。这意味着对于更多涉及简化的VSC-base HVDC系统的电力系统研究,开关函数模型是更好的选择。然而,计算性能验证表明,平均模式VSC比切换函数模型准确五(5)倍。由于其高计算性能效率,这意味着,在电磁瞬变仿真程序中,与开关函数模型相比,平均模型可用于研究由许多节点和其他电力电子设备(如风电场发电机)研究VSC-HVDC控制系统的动态性能以及不同系统组件控制系统之间的相互作用也是非常有用的。

关键词： 中压直流电收集   零电流开关   零电压零电流开关   三电平转换器   全桥转换器  

摘要： 随着全球能源消耗的持续增长,使用可再生能源进行发电(如光伏发电和风力发电)越来越受欢迎。随着可再生能源发电的大规模集成,采用中压直流(Medium Voltage DC,MVDC)电网作为电力收集系统比传统的中压交流电网更有利。其中,升压DC/DC变换器是可再生能源与MVDC电网之间的关键环节,主要有隔离型和非隔离型两种拓扑结构。考虑到系统对稳定性和可靠性的要求,隔离型结构在MVDC电网中被广泛采用。本文以适用于新能源发电MVDC汇集的大功率DC/DC变换器为研究对象,从拓扑结构、控制策略和软开关实现等方面展开研究。本文的研究工作主要为:提出了一种基于具有两个输出电容滤波器的双变压器的混合谐振零电压零电流开关(Zero-Voltage-Zero-Current-Switching,ZVZCS)三电平(Three Level,TL)DC/DC转换器,该转换器可应用于分布式光伏(Photovoltaic,PV)与MVDC配电系统集成的中压发电。主转换器在传统的中性点钳位TL电路上增加了一个辅助电路,使用脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)控制中性点钳位TL电路,以实现整个变换器的功率和电压调节,使主开关工作在固定的占空比,简化控制。辅助电路部分实现整个转换器的功率传输和电压调节,使基本TL四个开关以固定占空比工作。通过智能设计,基本TL电路的初级变压器的匝数比可以传输大部分功率,并可以在满载范围内实现ZCS,从而显着降低了开关损耗。通过提高次级变压器的匝数比,可以抑制转换器损耗,并可以显着提高转换效率。此外,根据第二章对转换器工作原理的详细分析和实验结果,通过对辅助电池进行改进,上述两个新型ZCS转换器的辅助开关可以实现ZVS的导通和关断。如第一章所述,ZVS更适合MOSFET,因此如果辅助开关使用MOSFET,其ZVS的实现更有利于降低转换器的开关损耗,但MOSFET的电压应力不高,因此,需要找到一种方法来降低辅助开关的电压应力。为此,本文对辅助电路进行了改进,并成功地将辅助开关的电压应力降低到原来的一半,这为使用MOSFET作为辅助开关提供了有利条件,并为辅助开关谐振ZVZCS提出了低电压应力全桥转换器。最后,搭建了一台300 V-1.5 k V/1.5 k W的实验装置,验证了所提转换器性能、软开关实现及控制策略的可行性和有效性。

关键词： 高压直流输电   开关函数   不对称故障   阻抗模型   小干扰稳定性  

摘要： 随着高压直流输电在我国大范围的应用,电网换相换流器(LCC,Line Commutated Converter)的作用日益凸显,LCC的数学解析模型是分析其运行特性的理论基础,现有的电磁暂态模型精度高但难以在高维复杂系统中应用,准稳态模型速度快但无法计算高次谐波;针对这些不足,本文采用了开关函数的方法对换流器开关端口相应进行建模,能够较为准确且快速地描述谐波通过换流器的传递过程,同时针对传统方法不能处理因谐波产生的三相开关不对称问题,以及不能考虑控制系统影响的问题提出了改进方法,并进一步提出了一种通过开关函数的阻抗建模方法。本文研究内容可分为下面几个部分:首先,本文介绍了常规高压直流输电系统的控制层级,强调了其中负责发出触发角的极控制级以及发出触发脉冲的阀控制级的关键作用。研究了CIGRE HVDC标准测试模型中整流逆变侧的几种控制方式和等间隔触发基于同步相位的触发脉冲的发出机制,在触发脉冲的基础上推导了稳态下开关函数的数学表达式,在PSCAD/EMTDC中建立模型并与电磁暂态仿真结果进行对比,验证了稳态模型的准确性,也点明三相不对称的模型建立的必要性。其次,分析了不对称工况下三相电压相位偏移特性,指出在不对称故障时电网电压存在含量较高的负序基波和三次正负序谐波分量,基于对称分量法给出了考虑谐波的换相电压相位偏移量的公式,由于相位偏移会改变阀的实际导通时间,本文基于阀的实际触发角、导通偏移角和实际换相角建立了适用于不对称情况的改进开关函数模型,在CIGRE HVDC标准测试模型和±500k V牛丛直流(同塔双回)工程模型进行仿真校验,仿真结果表明所提方法能够准确计算交直流侧不对称工况下的谐波特性。此外,本文采用阻抗分析法研究了双端系统的小干扰稳定性判据,为建立换流器的频域阻抗模型将时域形式的开关函数变换至频域,研究了控制器和锁相环输出扰动的频域模型,通过谐波线性化方法建立了两侧的理论直流阻抗模型,在PSCAD/EMTDC中,通过在直流线路输入小扰动谐波电流,并测量同频率的电压响应得到实际的直流阻抗,两者对比验证了理论阻抗的准确性,分析了改变控制器和锁相环参数对于系统小干扰稳定性的影响,时域仿真结果验证了基于开关函数的阻抗模型的阻抗分析理论的正确性。最后,对本文所做工作进行总结,并对开关函数建模的进一步研究提出展望。

关键词： 电源检测   数字信号处理   变分模态分解   模糊熵  

摘要： 随着开关电源应用场景的不断增多,开关电源的使用环境也日趋复杂,对于开关电源质量的要求也越来越高。目前关于出厂开关电源的检测通常采用多设备组合的检测方式,工作效率低,检测结果精度不高。本文根据开关电源检测标准,对开关电源高精度、高效率的检测方法进行研究。主要研究内容如下:首先,对开关电源检测系统的指标进行分析,确定了开关电源待测参数特征。针对检测精度的提高开展两个方面的研究:一个是对信号采集电路进行分析设计,研究电路噪声对检测精度的影响;另一个是在信号采集完成后对数据进行处理方法的研究。其次,根据系统检测指标设计采集电路,针对不同信号的特征设计了基于不同档位下的通道转换电路,并以电压信号为例设计后级模拟信号处理电路。设计了针对大电压的分压衰减电路、程控增益电路、抗混叠滤波电路以及AD转换驱动电路。采用Cadence对设计电路仿真,分析寄生电容对电路的影响并进行电路优化设计。再次,依据电源的被测参数特征,设计了相应的数字信号处理算法。针对缓变信号设计了中位值平均复合滤波的算法进行处理;针对瞬态信号分别对比了三次样条插值和最小二乘拟合的方法对信号分析,选用最小二乘的处理算法并选择合适的最小二乘多项式;针对待测参数中的纹波一项,提出了的一种改进VMDHilbert算法并进行仿真验证,设计了基于模糊熵的最优K值的判定算法进行仿真,验证了算法的有效性。通过Hilbert变换获得信号分量的幅频特性,证明了改进的VMD-Hilbert算法对于纹波分量的提取效果更好,检测精度高。最后,设计编写软件模块,详细设计软件工作框架,展示了软件最终效果。完成系统验证平台搭建,从待测参数特征的角度验证了开关电源检测系统的检测效果,达到预期指标,同时完成了开关电源检测系统成品样机。

关键词： 电弧   熔蚀   熔池   相变   MHD  

摘要： 随着社会的发展,直流输配电技术得到了广泛的应用。作为整个输配电系统的重要组成设备,直流开关电器可以有效地开断电路,进行故障隔离,为电路提供保护。在开关电器动作时,触头之间将产生电弧,不可避免地对触头产生一定程度的烧损,降低触头的使用寿命。相比于交流电弧,直流电弧无极性变化,不易熄灭,对阴阳极触头造成的熔蚀程度差异明显,熔蚀现象更为严重。随着开断等级的提高,直流空气电弧的开断也变得更加困难,这会增加电弧在触头表面的停滞时间,加大对触头的熔蚀程度。如何快速、有效地开断直流电弧并降低触头表面的熔蚀程度已成为当下该领域研究的重点。电弧与触头之间的相互作用机理较为复杂,在电弧的高温作用下,触头表面会发生形变,温度达到熔点后将形成熔池,凹凸不平的触头表面将改变原有的电场分布。同时,部分触头材料将直接以金属蒸汽的形式进入到空气介质中,改变了介质的物性参数与能量分布,使开断更加困难,因此,探究电弧与触头的相互作用机理具有重要的现实意义。本文设计了电弧发生装置并搭建了电弧熔蚀开断实验平台,设置不同的触头烧蚀时间模拟触头烧蚀程度,完成开断实验。通过实验获得弧压的时变规律、电弧动态图像及触头表面烧蚀情况。在实验的基础上,基于MHD电弧模型和电弧与触头的相互作用机理,添加触头表面能量方程,并提取电弧的相关参数作为熔蚀模型的边界条件,将电弧与触头间的能量传递过程联系起来。考虑到熔蚀过程中触头发生的形变与材料相变现象,建立了电弧与触头材料的耦合熔蚀模型,得到电弧特性与熔蚀特性的变化规律。探究电弧对触头熔蚀的影响,分析了熔池宽度、深度与面积随时间的变化规律,并对熔蚀特性的影响因素进行了对比分析。同时,在开断电弧过程中,将触头烧蚀作用下产生的熔蚀过程考虑在内,分别建立了存在触头烧蚀时间与不存在触头烧蚀时间的电弧开断模型,并对比了触头烧蚀时间不同造成的熔蚀程度的差异对电弧开断的影响,与相应条件下的实验结果对比,验证了理论模型的准确性。

关键词： 开关变换器   磁芯损耗   直流偏置   损耗测量  

摘要： 开关变换器具有转换效率高、体积小等优势,被广泛运用于工业装备、消费电子等领域。为了满足电子产品小型化需求,开关变换器的工作频率不断提升。功率磁性元件是开关变换器的主要构成部件之一,高频化可能导致磁芯过量发热从而影响开关变换器的可靠性,因此对功率磁芯损耗的预测建模是一项非常重要的工作。本文建立了一个物理概念清晰、工程应用方便的磁芯损耗预估模型,可实现对开关变换器中磁芯损耗变化趋势的准确预估。本文首先介绍了磁芯损耗构成的主要三个分量:磁滞损耗,涡流损耗和剩余损耗。针对开关变换器中磁性元件的工作特点,重点研究了非正弦激励下磁滞损耗和涡流损耗变化特征。同时介绍了以正弦激励下磁芯损耗数据为基础,通过测量两组不同频率正弦磁损数据分离磁滞损耗和涡流损耗的计算方法。其次,本文重点分析了直流偏置对磁滞损耗和涡流损耗的影响,提出直流偏置主要影响开关变换器中功率磁芯的磁滞损耗,并给出了其影响机理和定量计算方法。该方法以磁通密度为变量,通过测量其若干组直流偏置下的磁滞损耗,建立典型磁通密度增量下的磁滞损耗切片数据,即可有效计算不同直流偏置、磁通密度和频率组合下的磁滞损耗。本文系统梳理了功率变换器中磁性元件的直流偏置工作特征,并以Buck、Boost开关变换器中功率电感为例,研究在不同占空比条件下矩形波、直流偏置的变化趋势。通过结合变换器的具体工作原理,推导出相应的磁芯损耗模型特征,给出了不同占空比条件下的磁芯损耗宏观变化趋势。最后,本文比较了常见磁损测量方法的优缺点,提出了一种直流功率差值法测量开关变换器中的磁芯损耗。选择Ferroxcube公司的铁氧体磁环TX36/23/15(3F3)和TX25/15/10(3C90),以Buck、Boost电路为例搭建了磁损测量平台,通过比对开关变换器磁芯损耗的实际测量数据与模型预测值进行比较,从而验证预估模型的正确性。

关键词： 双向变换器   四开关Buck-Boost   ZVS软开关   电流有效值优化   数字控制  

摘要： 飞机主电源发生故障时,应急电源可以维持机载设备的正常运行,保障关键设备的安全运行。双向DC/DC变换器具有应用在蓄电池和直流母线组成的应急电源系统中的潜力。论文以28V/28V双向DC/DC变换器为研究对象,对其拓扑和控制方法进行研究。针对输入电压范围和输出电压范围存在交叠的非隔离应用场合,论文采用四开关BuckBoost双向变换器拓扑方案。论文首先分析了四开关Buck-Boost双向变换器基于电感电流四边形调制的软开关工作原理,以导通损耗为优化目标,推导了电感电流有效值与电感电流四个时间段的关系,给出了电感电流有效值最小的开关时刻优化方法。论文基于查表法构建了单电压闭环控制策略以及电压-电流双闭环控制策略,其无需输出电流采样,降低了控制的复杂度。针对硬件检测电路中存在的干扰和延时问题,论文提出一种基于在线计算算法的负电流控制策略,省去了硬件负电流检测电路,并给出软件延时补偿方法及闭环控制系统的构建方法。论文建立了四开关Buck-Boost双向变换器的小信号模型,对双闭环系统的控制参数进行了设计,并给出了双向切换的控制策略和数字实现方法。研制了一台开关频率400k Hz、单路额定功率700W的原理样机。实验结果表明,采用软件负电流控制策略的四开关Buck-Boost双向变换器可以在全负载范围内实现软开关,且对负电流具有良好的控制作用,其最高效率为98.1%,最后对双向切换功能进行实验验证。在此基础上进行了两路交错并联的实验,实现1400W的功率输出。

关键词： 具有直流励磁的开关磁阻电机   dq模型   转矩脉动抑制   损耗最小控制   间接位置检测  

摘要： 具有直流励磁的开关磁阻电机(Switched Reluctance Motorwith DC Excitation,SRDC)是一种定子励磁的双凸极同步电机.它继承了开关磁阻电机结构简单可靠的优点;采用永磁同步电机的矢量控制方式,可获得良好的静动态特性,并降低控制器的成本和体积;还可以通过调节励磁,实现宽调速运行。在稀土资源日趋枯竭的今日,这种无需使用永磁体的高性能电机系统,具有良好的应用前景。然而,国际上对SRDC电机的研究才刚刚开始,不少关键问题亟待解决:缺乏系统的SRDC电机数学模型,对电机的转矩和转矩脉动产生机理有待深入研究;SRDC电机的设计方法尚不完善,现有SRDC电机的转矩脉动较大;SRDC电机的控制模型不完善,也没有与之相适应的控制策略,更没有适合SRDC电机的间接位置检测方法。因此,本文所做工作如下:借助基本电磁理论建立了SRDC电机的解析计算模型,揭示了 SRDC电机转矩产生机理;在此基础上,采用双轴反应理论,建立了 SRDC电机的矢量控制数学模型。研究发现,SRDC电机的d、q绕组并不完全解耦,而是存在随转子位置角变化的3次谐波耦合电感;同时,SRDC电机的d、q轴电感并不是恒定的,也存在随转子位置角变化的3次谐波分量,但其d、q轴电感的平均值相等。为了提高SRDC电机的矢量控制性能,对通用的矢量控制模型进行了改进,提出了利用恒定参数进行矢量控制,根据转子位置进行电压补偿的方法,建立了 SRDC电机的动态电压补偿解耦控制模型。导出了SRDC电机的转矩公式,公式显示SRDC电机的电磁转矩除存在励磁转矩分量外,还存在随转子位置角变化的3次谐波附加转矩。提出了两种新型的定子磁极结构,Ⅰ型极靴可以有效地降低转矩脉动,Ⅱ型极靴既可用于抑制转矩脉动,也可用于提高转矩输出。在极靴的极弧角增量为2.5°～3°范围内,采用Ⅰ型极靴磁极使5.5kW电机的转矩脉动从约80%降低到38%;当极靴与极身的夹角为90°、且极靴的极弧角增量为2°～3°时,采用Ⅱ型极靴磁极使电机的转矩脉动大大降低;当极靴与极身的夹角大于120°、且极靴的极弧角增量为1.5°～2°时,采用Ⅱ型极靴磁极结构使电机的转矩输出增大。以电磁场有限元分析为基础,研究了 SRDC电机的设计方法。SRDC电机的定、转子极数可以有多种配合,但最佳配合为12/8极和6/4极。12/8极SRDC电机的最佳转子极弧角为17°,最佳定子极弧角为15°～16°。定子磁极锥度以3°之内为宜,转子磁极锥度不宜太大,应在0°～12°范围内。每极交、直流绕组的匝数比在1:1时,能够获得最大的输出转矩,应综合考虑损耗、转矩输出和转矩脉动,调整每极交、直流绕组匝数。最后,综合考虑电机的各项性能指标,设计了实验样机,并完成了实验测试,实验结果验证了设计方法的正确性。研究了 SRDC电机的损耗最小矢量控制,通过损耗最小控制策略,达到励磁电流与电枢电流的最佳匹配;通过动态电压补偿,实现解耦控制;为了提高控制系统的鲁棒性和动态响应特性,设计了基于滑模观测器的H∞转速控制器和基于参数辨识的内模电流解耦控制器,仿真与实验结果验证了本文方法的有效性。针对SRDC电机的间接位置检测技术展开研究,提出了应用脉冲注入法进行精确初始位置检测的方法;提出了利用d、q轴电感进行运行位置检测的方法。实验结果表明,本文提出的间接位置检测方法具有较高的精度,能适应不同的转速要求。

关键词： 6 kV开关所   直流系统   接地故障   处理探讨  

摘要： 6kV开关所的运行主要依靠的是直流系统,直流系统是6kV开关所的控制系统,是整个网络运行的重要支柱。当直流系统运行不稳定,出现直流接地就会造成接地故障。为了解决接地故障带来的困扰,详细分析引发6kV开关所直流系统接地故障的因素,并提出解决对策,以保障6kV开关所直流系统的可靠运行。