关键词： 直流微网   柔性互联开关   能量调度   下垂控制   稳定性分析  

摘要： 微网作为一种整合分布式电源、储能系统和负荷的有效组织形式,自提出后逐渐受到国内外学者的广泛关注和研究。但以往的研究主要集中于交流微网,随着具有直流特性的分布式电源和直流负荷的增加,直流微网的研究意义日益凸显。以往对于直流微网的研究主要集中于微网内部,如直流微网内部的多源协调控制和储能优化配置等,但对于直流微网间能量调度控制策略等的研究还不是很多。本文以此为切入点,分析了利用柔性互联开关进行直流微网互联和能量调度的控制策略,重点从以下几个方面对柔性互联开关及其与直流微网构成的直流配电系统展开研究。(1)对柔性互联开关在不同工作模式下的工作原理进行了详细理论分析,采用双载波三模式调制方式来实现柔性互联开关在降压、升降压和升压三种模式之间的平滑切换。分析了柔性互联开关的单电流环和电压电流双闭环控制方式,并通过仿真和实验进行验证,证明了相关理论分析的正确性。(2)为实现柔性互联开关进行直流微网互联和能量调度的功能,设计了柔性互联开关的一次调节下垂控制策略。柔性互联开关将检测到的两端微网母线电压大小输入到控制器中,控制器根据设定好的下垂曲线计算出潮流调度的大小和方向。下垂曲线的设置与直流微网内部储能变流器的控制相协调,通过微网间的能量调度使直流微网之间相互支撑,以维持两侧微网母线电压均处于合理范围。接着介绍了柔性互联开关的并联运行控制策略,说明了柔性互联开关在并联运行上的可行性。(3)为辅助实现对两侧直流微网储能SOC(State of Charge)的优化调节,在柔性互联开关一次调节的基础上增加了二次调节功能。二次调节是指柔性互联开关的一次调节下垂控制曲线会根据两侧微网储能SOC的状态上下平移。柔性互联开关在得到两侧微网储能SOC的大小后,由控制器根据相应的公式计算出平移量,将能量从SOC高的一侧调度到低的一侧,以维持两侧微网储能SOC于合理范围内,实现对储能单元SOC的优化调节,延长其使用寿命。(4)对三种模式下的柔性互联开关进行了小信号建模,以柔性互联开关工作于Buck模式为例,推导了柔性互联开关及两侧直流微网在柔性互联开关工作于Buck模式时的数学模型,并对其在下垂控制策略下的稳定性进行了分析,说明了各控制变量的取值变化对直流微网运行稳定性的影响。(5)在以上理论分析的基础上,在Matlab/Simulink中搭建仿真模型,并且搭建了基于dSPACE1103的半实物仿真平台,对相关理论和控制策略的正确性进行仿真和实验验证。

关键词： 无刷直流电机   软开关   STM32   LabVIEW  

摘要： 无刷直流电机由于具有寿命长、噪声低、启动转矩大、可靠性高、稳定性好等优点,在各种高性能驱动系统中得到广泛的应用。在以环保低碳为主流的当今社会,电动车辆越来越多的走向市场。无刷直流电机作为电动车辆的动力源泉,对它的研究是近年来电力电子与电力传动领域的一个热点。无刷电机的损耗包括电机本身的损耗和驱动电路的损耗两部分。本文针对驱动电路中硬开关逆变器产生较大开关损耗的问题,提出了一种应用软开关降低无刷直流电机驱动电路损耗的方法,以进一步提高系统的运行效率。本文采用STM32F407ZGT6芯片作为微控制器,该芯片是一款低功耗的32位微处理器,有着强大的数据处理能力。首先,本文分析了无刷直流电机的工作原理和工作特性,并对数学模型进行了简单的推导,并在Matlab/Simulink中搭建了无刷直流电机模型,得出电机相电压、相电流、转速和转矩的曲线图。其次,对四种软开关逆变器进行了分析对比,选择了直流环节并联谐振逆变器(Parallel Resonant DC Link Inverter,PRDCLI)型软开关逆变器作为本文的研究对象。然后详细分析了该种软开关逆变器结构的工作原理与工作过程,通过选取合适的仿真参数,对简化电路进行了仿真,验证了理论的正确性。并研究了软开关技术与无刷直流电机的控制相结合的方法,给出了桥臂功率管零电压通断的实现过程。最后,设计了控制电路和功率主电路的原理图,完成硬件电路的调试和软件程序的编写,实现了桥臂功率管的零电压通断。以虚拟仪器LabVIEW软件作为上位机软件平台,进行监测界面的设计,数据通信与采集设计等,提高了系统调试的效率。测试结果表明,本控制系统的硬件电路和软件设计是合理的,满足本设计要求,电机运行效率提高了6%左右。

关键词： AC+DC电源   流光放电等离子体   气相反应   气-液复相反应   环境治理  

摘要： 摘要:本论文主要研究了一种新型的基于交直流叠加(AC+DC)高频高压开关电源产生低温流光放电等离子体的气体放电技术;同时利用该等离子体,设计建立了一种新型的去除多种污染物的综合实验平台,系统研究了其在环境保护领域的应用。具体研究内容主要包括以下几方面:(1)对AC+DC高频高压开关电源产生低温流光放电等离子体的发生机理进行了理论研究,对放电电源、耦合叠加电路、放电反应器的模型进行了仿真分析,对气体放电模式进行了优化设计,给出了产生大功率低成本工业规模应用的低温等离子体的方案。(2)对低温流光放电等离子体去除多种污染物进行了动力学模型分析,结合电化学的分析方法,研究了其有效去除多种污染物的电化学机理,给出了利用低温等离子体去除多种污染物的处理工艺及流程。(3)设计完成了用于该等离子体发生的一种新型大功率AC+DC高频高压开关电源装置。利用高频、高压开关电源技术,通过确定放电电极系统适当的极配、直流偏压和叠加交流电源的电压峰值、频率和变化速率,使放电状态处在最佳流光放电区,且使无化学效应的辉光放电成分最小,实现了流光放电的优化时空分布。首次利用AC+DC高频高压开关电源,产生了的可靠稳定的工业应用规模的低温等离子体。(4)搭建了低温流光放电等离子体去除多种污染物综合治理实验平台,分别在气相条件,对工业烟气PM2.5进行电除尘收集、对室内空气净化进行一体化治理(除甲醛等VOCs、杀菌、消毒、除臭);在气-液复相条件下,对工业烟气进行脱硫、电除雾去雾霾、对污水进行有机物分解治理等进行了实验验证。

关键词： 高压直流输电   锁相环   低次谐波   开关函数   换相电压过零点   PSCAD  

摘要： 截止到2015年,我国已投运26条高压直流输电工程。在珠三角地区、华东电网已形成多馈入的交直流混合电网。直流通道输送功率占比日益提高,交直流系统之间的相互影响变得复杂,给电网的安全、稳定运行带来新的挑战。现代高压直流输电一般采用等间隔触发控制,需要锁相环提供与交流电压同步的参考相位。锁相环性能的好坏,直接影响控制系统的调节作用。同步参考坐标锁相环SRF-PLL被广泛应用于直流输电。但是当交流电压不对称、畸变时,SRF-PLL无法提供准确的同步参考相位。本文首先分析SRF-PLL的基本原理与系统故障时的相位误差,进而介绍解耦双旋转同步坐标锁相环DDSRF-PLL与级联延迟信号消除法锁相环CDSC-PLL,对它们排除基波负序电压、谐波等影响的原理进行了分析。但DDSRF-PLL与CDSC-PLL两种锁相环分别存在各自的缺陷。文中对它们无法消除低次谐波的缺点进行了分析,并在PSCAD软件中对分析结果进行了仿真验证。针对DDSRF-PLL与CDSC-PLL两种锁相环的缺点,文中分别提出了改进的措施。利用电网频率稳定的特点,引入解耦多同步旋转坐标,实现锁相环外解耦运算提取基波正序电压,形成环外解耦多同步旋转坐标锁相环DMSRF-PLL-Impr。针对级联信号延迟消除法CDSC需要0.5周期来消除+2次谐波的缺点,文中提出将级联信号消除法与双旋转坐标解耦运算相结合,来提取+1次、+2次电压,实现CDSC-PLL-Impr锁相环。在PSCAD软件中分别对改进后的锁相环进行了仿真验证。锁相环性能的提高,为今后实现高压直流输电的精确控制打下了基础。高压直流输电产生的谐波对供电质量是一种污染,对其进行控制是高压直流输电运行必须解决的问题之一。本文利用改进后的锁相环能够提供准确、稳定参考相位的优点,同时考虑阀电压过零点偏移、换相角以及有效触发角等因素,建立了换流器的开关函数模型。该模型在交流故障时无需进行修正。文中推导了准确计算阀电压过零点、换相角、有效触发角的计算式。随后在PSCAD软件中的CIGRE Benchmark模型上,将换流器直流侧谐波阻抗考虑,对提出的开关函数模型以及相关计算式进行了仿真验证。并且通过仿真,给出了模型的适用范围。最后,本文进一步利用建立的开关函数模型,分析交流侧谐波正负序分量与直流侧谐波的关系,清晰阐释了直流侧谐波的来源。当系统不对称故障确定时,在只考虑基波正负序电压的情况下,分析了三相触发角与直流侧2次谐波的数学关系。基于分析结果,提出了通过一组优化后的三相触发角来抑制直流侧2次谐波的方法,并且仿真结果验证了方法的正确性和可行性。在本文的最后,对研究进行了总结,并对锁相环、直流侧2次谐波抑制方法的研究进行了展望。

关键词： 失超保护   混合式开关   固态开关   拓扑   均流   换流  

摘要： 失超保护开关是超导托卡马克装置磁体电源系统的重要组成部分,用于在超导磁体失超时快速泄放储存在其中的巨大磁场能,对装置的安全运行具有重大意义。当前EAST极向场磁体电源系统的失超保护开关采用机械开关并联熔断器的换流方式,存在开断后不能自动复位,维护量大的缺点,亟待升级改造。而随着电力电子器件技术的发展,混合式直流开关已成为失超保护开关的一大方向。本文的主要工作是开展EAST混合式失超保护开关的可行性分析和主电路设计。首先,本文提出了采用机械开关直接向全控型固态开关换流,并采用二极管桥式整流拓扑以实现固态开关双向通流和关断的电路拓扑设计方案,阐述了其工作原理。该拓扑能充分发挥机械开关通态损耗低,固态开关无弧快速可控关断的优点,并能最大限度地减少全控型器件的使用,控制简单,可节省成本和减小空间。其次,完成了固态开关的电气设计。建立了基于Foster热学网络的器件结温计算模型,通过仿真计算确定了各型半导体器件在开关工况下的通流能力。针对二极管因反向恢复过程而失效的隐患,开展了基本拓扑单元关断试验,确认普通整流二极管适用于开关工况,验证了拓扑设计的可行性。根据仿真计算和试验结果,得出了器件的选型结论。其后,阐述了固态开关中RC缓冲电路和避雷器等辅助电路器件的参数选取原则。随后,对固态开关的电路结构设计进行了阐述。电路结构采用堆栈式阀组设计,以兼顾器件均流、空间利用和实现难度。给出了具体的IGBT和二极管压装阀组三维结构设计和布局。最后,建立了混合式直流开关的仿真模型,对并联器件均流以及开关的换流过程进行了仿真和分析。仿真结果显示,不平衡耦合导致的并联器件不均流影响小,但器件关断不同步会造成严重的不均流现象;提出的相应保护措施能将固态开关关断时器件的过电压和电流下降率限制在安全范围。以上方法和结果可为混合式直流开关的研制工作提供重要的指导。

关键词： 非隔离   DC/DC   高增益   有源开关电感   拓扑  

摘要： 在当前能源危机日益加剧和环境污染愈演愈烈的双重压力下,由太阳能、风能等清洁能源替代传统化石能源的开发和电能替代化石能源的直接消费是解决当前问题的根本途径。在实际应用中由于光伏电池、燃料电池等单体发电单元的输出电压相对较低且具有一定随机波动性,系统中需要一种高增益、高效率的直流升压变换器来实现直流电压等级的提升以满足后级逆变器输入侧的需求。除此之外,包括电动汽车的动力系统、不间断电源和阴极射线管显示器系统等诸多工业应用场合均对高增益,高效率的直流升压变换器有着广泛需求。而传统Boost升压变换器由于自身拓扑结构限制在输入输出相差六倍及以上的场合中已难以胜任,基于此,本文针对有源开关电感网络的高增益直流升压变换器展开研究。首先,论文对国内外非隔离型直流升压变换器的研究现状进行了详细综述,分析总结得出具备电压增益高、开关器件电压应力小、能量转换效率高和拓扑延展性好等特点的直流升压变换器将成为今后该类变换器研究方向的结论。然后,论文对有源开关电感网络的构建方法与升压思路进行了阐述,将有源开关电感网络与传统Boost变换器相结合得到研究学者已提出的一种基本有源开关电感升压变换器拓扑,分析了其在电感电流连续导电模式下的工作原理,并将其与传统Boost变换器在电路特性方面进行了分析对比和仿真验证。理论分析和电路仿真结果表明基本有源开关电感升压变换器的电压增益较传统Boost变换器相比虽有小幅提升,但其输出二极管的电压应力增大,系统损耗随着增加。其次,针对基本有源开关电感直流变换器升压能力依然有限且输出二极管电压应力过大等不足,本文提出一种有源开关电感和开关电容的高增益升压变换器,该拓扑利用有源开关电感和开关电容单元的双重升压,能够有效提升变换器的电压增益并且减小开关器件的电压应力。详细分析了连续导电模式和断续导电模式下所提变换器的工作原理和电路特性,并对理论分析结果进行了仿真验证,结果表明该变换器能够正常工作且具备上述优点。基于该拓扑的结构拓展,本文又分别提出了多个开关电容单元串联和并联的多级升压变换器拓扑,从而进一步提升了电压增益,拓展了变换器的应用范围。最后,针对第三章所提出的有源开关电感和开关电容升压变换器在拓扑多级拓展时存在元器件数量过多的缺点,本文在保留其原有优势的基础上提出一种有源开关电感和DCM(Diode-capacitor multipliers)单元组的高增益升压变换器拓扑,分析了其具体的工作原理和电路特性,并与研究学者已提出的同类高增益升压变换器在多项性能方面进行了对比,结果表明所提拓扑具有一定优势。同样推演出多个DCM单元串联的多级升压变换器拓扑结构,并对所提变换器采用状态空间平均法进行了数学建模和单电压闭环控制器的设计,搭建了实验原理样机对所提拓扑的工作原理和电路特性理论分析进行了验证,实验结果证明了理论分析的正确性。

关键词： 高压电源   级联拓扑   推挽软开关   低纹波  

摘要： 高压直流开关电源具有效率高、体积小、响应快、安全可靠等优点,因此被广泛应用于医学X光机、空间行波管和电子加速器等工程技术以及实验研究中。论文中对比分析了国内外目前在高压直流开关电源的研究现状,在已有的高压直流开关电源设计方案上,提出一款高变比,低纹波的高压直流开关电源。本文主功率电路采用级联式拓扑实现功率的传输,利用Buck级联推挽及倍压整流电路的方式进行升压。通过级联拓扑解决单级拓扑在占空比变化时对变压器产生噪声干扰的问题。论文对整个主功率拓扑的工作过程进行了细致的分析,建立了小信号模型,为控制回路的稳定性分析提供理论依据。论文分析了影响推挽变换器开关管尖峰电压的因素,指出了尖峰电压过高是由于变压器的寄生参数过大的原因。并以此为基础,提出了利用谐振电容将变压器漏感能量泄放的方案,实现推挽开关管ZVS、ZCS软开关,从而达到降低尖峰电压的目的。搭建了相应的仿真以及实验平台,验证了软开关电路的可行性。针对半波倍压整流电路输出电压纹波较大问题,分析了低压情况下利用线性稳压源降低输出纹波的工作原理,指出了其存在的纹波抑制作用不明显问题。进而给出了高压情况下利用线性稳压源来抑制输出纹波的方案,通过悬浮在高压端的线性稳压源降低输出纹波,维持输出电压的稳定。设计了高压纹波测量电路,实验结果验证了该方案的稳压和输出纹波抑制效果。本文针对所设计的高压直流开关电源稳定性进行了理论分析和推导,设计控制回路的补偿网络,提高系统的稳定性。在上述理论基础上,研制了实验样机,实验结果验证了电路的正确性。

关键词： 高温   平面   变压器   大功率   开关电源  

摘要： 传统开关电源的体积大,可以承受的工作环境温度低,一般最高的温度也在100℃左右,开关电源的核心器件是变压器,其在开关电源的所有器件中占主导地位,由于高频产热,更是增加了系统的不稳定性。使用直接敷铜的氧化铝陶瓷基板的高温平面变压器可以很好的解决传统开关电源变压器目前面临的技术难点。本文以开关电源为技术背景,研究应用于大功率直流开关电源的高温平面变压器的设计与实现,设计一款可以实现高温和高功率密度的平面变压器,主要从高温平面变压器的设计与实现和高温平面变压器的有限元仿真两个方面进行研究。本文完成的主要工作如下:在高温平面变压器的设计中,首先讨论了变压器的磁芯材料和磁芯结构,结合本次设计的技术指标,选择可以耐高温的磁芯材料铁镍钼磁粉芯和平面E型磁芯。根据印刷电路板式绕组的温度等级,选择可以承受高温的氧化铝陶瓷作为印刷电路板的基板,将变压器的绕组走线直接布在陶瓷基板上。接着通过分析变压器的几种等效电路模型,选择合适的等效电路模型进行变压器的设计,最后根据AP值法计算制作变压器的磁芯大小和线圈匝数等参数。根据上述对高温平面变压器的参数计算,制作符合设计规格的线圈绕组,并详细阐述所设计的高温平面变压器的整个实现过程。使用有限元仿真软件进行高温平面变压器的仿真,包括电磁仿真和温度场仿真。首先详细分析了电磁场理论和有限元原理,之后使用ANSYS Maxwell软件对平面变压器进行静磁场和瞬态场的仿真,查看得到的平面变压器的电感和损耗等参数。最后使用ANSYS Workbench对高温平面变压器进行温度场的仿真,查看高温平面变压器的温度分布情况,以确定所设计的高温平面变压器可以达到需要的温度等级。实验与仿真结果表明,本文设计的高温平面变压器具有高功率密度、温升低、漏感小等特点,符合设计要求,基本满足大功率直流开关电源的需求。

关键词： 升压变换器   软开关   PFC   磁能恢复开关  

摘要： 随着电力电子技术的发展,电力电子装置如开关电源,不间断电源等在生活中随处可见,由此而产生的电网谐波问题受到广泛的关注,功率因数校正技术(Power Factor Correction,PFC)因其能减少开关电源等电力电子装置对电网的谐波污染,和提高输入侧的功率因数而成为研究热点之一。本文主要研究的是基于磁能回复开关(Magnetic Energy Recovery Switch,MERS)软开关直流变换器及其在单相功率因数校正方面应用,文中拟建一种新型的高增益、高效率的boost变换器拓扑—MERS-boost变换器,仿真验证了 MERS-boost变换器的软开关特性,并通过理论计算和仿真,将其电压增益特性与传统boost变换器进行对比分析;针对基于MERS-boost变换器的工程应用——MERS PFC电路,而提出一种新型的数字控制方法,仿真和实验验证了该算法的正确性和MERS PFC电路的软开关特性。本文首先介绍直流变换器、软开关技术和功率因数校正技术的发展现状,随后,对功率因数校正技术的基本概念、PFC的基本拓扑和常见的控制方式,做一简单的描述。接着介绍了 MERS结构及其软开关工作特性,详细分析了基于MERS软开关的boost变换器(MERS-boost变换器)的拓扑结构和工作原理,仿真验证了MERS-boost变换器的软开关特性,并将其与传统boost变换器的电压增益性能进行对比分析。然后介绍了基于MERS-boost变换器的工程应用——MERS PFC电路,运用PSIM仿真软件,搭建了基于平均电流型控制和单周期控制的单相MERS PFC电路的仿真模型,仿真结果验证了MERS PFC电路的软开关特性,和采用这两种控制能较好的实现功率因数校正的功能。文中指出了这两种模拟控制方法的优缺点及直接用于数字控制的不足之处,针对MERS PFC电路提出一种无电流传感器的占空比预测的数字控制方法。文中详细分析了该控制方法的原理,并运用PSIM仿真软件,搭建占空比预测控制的MERS PFC电路的仿真模型,仿真结果验证了该控制方法的合理性,及其良好的动稳态性能。最后,文中详细的介绍了基于DSP-TMS320F2812数字控制的MERS PFC系统的实现,包括主电路的参数选择、整个控制系统软件部分和外围电路进行的设计,从样机实验结果分析,占空比预测控制MERS PFC电路较好的实现了,输入电压和输入电流近似同相位的功率因数校正的功能,同时实验结果验证了MERS PFC电路的软开关特性,并从理论上将MERS PFC电路与传统的boost PFC电路的效率进行对比分析。

关键词： 开关直流电源   高频大功率变压器   Ansoft Maxwell仿真   3D热分析   增量式PI控制  

摘要： 随着开关电源技术的不断发展,电力电子器件的性能不断提高,使得开关电源的转换效率与可靠性越来越高,日渐成熟的数字化控制系统使其应用越来越广泛。为了满足工业实际应用对于电源系统小型化和智能化的需求,开关电源的研发逐渐趋于模块化和数字化的方向。本文介绍了一种大功率高压开关直流电源设计方案,该电源基于模块化思想完成了电源硬件电路设计,以Ansoft仿真和Ansys Maxwell仿真来实现高频大功率变压器的优化设计,并以DSP处理器为控制核心实现了数字化电源控制系统。本文主要从以下几个方面开展了设计与研发:1、针对10KV/3A直流开关电源的实现方案进行了分析,完成了开关电源的电路系统设计,从原理上分析了主要元器件的选型依据及硬件电路组成,并阐述了其工作原理及特点。2、明确了开关电源中高频大功率变压器的设计难点,分析了它的等效电路与磁芯材料的选择,并对其参数与损耗计算进行了理论分析,然后以计算机仿真分析为基础,建立了变压器设计的仿真流程。通过Ansoft软件建立了变压器的3D模型,通过高频变压器3D仿真实例介绍了Ansoft变压器磁分析的仿真设计流程,最后通过Ansoft磁分析与Ansys热分析耦合实现了变压器的散热分析,从而完成了变压器的优化设计。3、基于TI公司DSP控制器TMS320F2809,实现了反馈控制回路的硬件设计和软件开发,主要完成了基于分布式设计的温度保护控制以及基于增量式PI算法的移相全桥控制方案。最后以实际控制模块为基础,设计了电源控制系统的调试流程,完成了电源系统的调试。