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关键词： 抽水蓄能   静止变频器   差动保护   能量分布   模型匹配   故障特性  

摘要： 抽水蓄能电站具备调峰、调频、调相以及事故备用等功能,在促进能源绿色转型和维护电网安全稳定运行方面发挥着重要作用。静止变频器(static frequency converter,SFC)是一种以晶闸管为主要功率器件的电流源型变频器,因其结构简洁、功率密度大、可靠性高等优点,被广泛应用于大型抽水蓄能机组的变频启动。SFC可以快速、平稳地将抽蓄机组由静止拖动到同步转速,减小机组启动和并网时对电网的冲击。SFC网桥侧为工频,机桥侧为0～50Hz的变频,机、网两侧频率不一致,使得基于工频相量的常规差动保护配置困难,且传统保护方案在速动性和可靠性等方面均存在不足。因此,本文以抽水蓄能机组静止变频器为研究对象,围绕其故障特性及保护方法开展研究,论文的主要工作及创新成果如下: (1)深入研究了抽水蓄能机组及静止变频器的工作原理与控制策略,编写换相控制子程序,以国内某抽水蓄能电站工程参数为基础,在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建抽水蓄能机组静止变频器的仿真模型,仿真验证了抽蓄机组变频启动工况下不同控制阶段的电磁暂态过程。 (2)在SFC网桥侧、机桥侧、直流侧及换流桥桥臂处分别设置不同类型的典型故障,分析其故障特性及对机组启动的影响,结合仿真波形验证各电气量的故障特征。研究SFC传统保护方案适应性,从保护四性的角度揭示了传统保护方案的局限性,进一步明晰保护需求,为后续研究奠定了理论基础。 (3)针对工频差动保护配置困难且SFC传统保护方案可靠性不足的问题,提出一种基于小波能量分布的静止变频器功率差动保护方法,作为SFC的后备保护。分析SFC差动功率的频段分布特征,通过离散小波变换进行低频能量提取,根据计算的能量系数提出功率差动保护判据。仿真结果表明该保护在不同故障场景下均可正确动作。该保护将机、网两侧频率难以同步的问题转化至特定的频段进行处理,无需电流的理想化等值,具有较高的可靠性。 (4)针对SFC传统保护方案在速动性和可靠性上存在的不足,提出了一种基于模型匹配的静止变频器采样值差动保护新方法,作为该系统的快速主保护。在时域内构建SFC的数学模型,推导出等效差动电流表达式,提出基于模型匹配的采样值差动保护判据。仿真验证了所提保护不受SFC机、网两侧不同频率的干扰,无需时频转换,能够可靠识别区内外故障,最快在故障后5.25ms即可正确动作。并且,所提保护在SFC启动全阶段均适用,有效弥补了现有保护研究在速动性、可靠性、保护阶段受限等方面的不足。

关键词： 外转子低速永磁直驱电机   矢量控制   无传感器控制   参数辨识  

摘要： 外转子低速永磁直驱电机因具有结构简单可靠、效率和功率因数高、起动转矩大、易实现电机-负载一体化等突出优点,在重矿机械、大型输送带、风力发电、船舶推进等领域的应用前景十分广阔。在矢量控制中,通常利用传感器准确获取转子位置信息来完成该电机的控制,但在潮湿、粉尘等恶劣工作环境下,机械式传感器存在故障率高、安装受限等缺点,会造成系统的可靠性和抗干扰性能下降,因此电机的无传感器控制方法越来越受到关注。另外,在工程应用中,电机参数会受外界环境的影响而发生变化,从而影响无传感器控制系统的位置估计精度和运行稳定性。因此,本文以矿用带式输送机为应用背景,对基于参数辨识的外转子低速大转矩永磁直驱电机无位置传感器控制系统进行研究,具有重要的工程实用价值。本文主要研究内容如下: 首先,建立表贴式外转子低速永磁直驱电机在三相静止坐标系、两相静止坐标系和两相旋转坐标系的数学模型,阐述了电机矢量控制系统的原理及其控制器参数整定方法,构建了基于id=0的矢量控制系统并进行仿真分析。 其次,阐述了表贴式外转子低速永磁直驱电机的饱和凸极效应,推导了高频激励下的电机数学模型,对基于高频方波注入法的无位置传感器控制系统进行研究,设计了基于扩张状态观测器的无位置传感器控制系统,以完成电机转子位置信息的估计。搭建仿真模型,针对矿用环境不同工况,对系统的控制性能进行分析,验证了该方法的可行性。 最后,考虑到电机温度升高和运行工况变化等因素会引起电机参数的变化,本文分别采用带遗忘因子的递推最小二乘法和模型参考自适应法对电机的定子电阻、交直轴电感以及永磁体磁链进行辨识。对两种方法的辨识结果进行对比分析,选择动态响应性能和辨识精度更高的模型参考自适应法对电机参数进行辨识,并将辨识结果用于控制器的参数整定。仿真结果表明,基于参数辨识的低速永磁电机无位置传感器控制方法可以提升系统性能,提高系统的可靠性和抗负载扰动能力。

关键词： IGBT   剩余使用寿命预测   双向长短时记忆神经网络   蛇优化算法  

摘要： 绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）作为电力电子系统的核心组成部件,以其卓越性能广泛应用于多个领域。随着IGBT不断强化自身性能以适应时代需求,其应用环境也变得越来越复杂,由此带来的可靠性要求不断提升。剩余使用寿命（Remaining Useful Life,RUL）作为评估器件可靠性的重要指标,准确而快速地预测器件的剩余寿命对于提高系统稳定性、实现设备定期维护以及避免引发安全事故至关重要。本文针对IGBT剩余使用寿命预测的研究分为以下几个阶段,首先通过对器件的失效机理进行深入分析,确定与器件失效相关的关键性电气参数,并对其进行特征选取合成能够用于本文预测实验的数据集。接着,将数据集进行预处理和分析,为了精准预测IGBT的剩余使用寿命,本文采用了一种基于深度神经网络的方法。该方法通过深入分析IGBT的失效机制,并联合加速老化仿真实验的数据,对IGBT失效特征参数进行了有效预测。随后,利用模型预测的结果,进行了IGBT的可靠性评估,并精确预测了IGBT的剩余使用寿命。本研究的主要工作内容如下: （1）为核实失效特征参数与IGBT剩余寿命之间的关联性,本文选取了6支IGBT作为实验对象,通过构建IGBT加速老化仿真实验,将其放置在各自对应的实验条件下进行试验,并且系统地收集了与IGBT剩余使用寿命相关的关键电气参数。这些数据的获取为后续的精确分析与预测奠定了坚实基础。最后选定集电极-发射极饱和压降(VCE-on)作为IGBT老化失效的特征参数,并设定其值增长15%作为器件老化的失效阈值。 （2）为准确评估IGBT的性能,本文使用了双向长短时记忆（Bidirectional Long Short-Term Memory,Bi-LSTM）神经网络模型进行建模。在此基础上,对该模型进行两层堆叠,并且引入了注意力机制（Attention）,同时优化选择神经网络的激活函数来提升模型的预测性能。通过利用NASA PCo E实验室公开的IGBT加速老化数据集进行实验,验证本文所提出的Bi-ALSTM模型在IGBT可靠性评估的应用中,相较于其他对比模型,具备更高的预测准确性。 （3）为解决IGBT剩余使用寿命预测所面临的深度神经网络模型人为调参复杂、模型训练效率较低以及现有方法预测精度不足的问题,本文提出了一种基于蛇优化算法（Snake Optimization,SO）的双向长短时记忆神经网络（Bi-LSTM）模型。在模型构建中,以Bi-LSTM网络为基础网络,并引进SO算法,同时对算法做出了相应的改进,改进的蛇优化算法（Improved Snake Optimization,ISO）其中包括:利用Logistic混沌映射初始化种群,Levy飞行机制更新位置,调整食物量阈值和环境温度阈值以及动态调整开发概率,以解决深层神经网络人为调参复杂的难题。最后利用平均绝对百分比误差（Mean Absolute Percentage Error,MAPE）和均方根误差（Root Mean Square Error,RMSE）为预测模型设置可靠性评估指标。实验结果显示,本文所构建的ISO-Bi-ALSTM模型在预测6支不同工作环境下的IGBT剩余寿命时,其预测效果相较于其他对比模型更为准确,证实本文方法的有效性和实际应用价值。

关键词： 可重构机器人   自适应动态规划   非零和博弈   最优控制   事件触发机制  

摘要： “模块化”和“可重构”被视为可重构机器人的两大主要特征,这两大特征使得可重构机器人打破了传统固定构形机器人执行任务单一、结构柔性差等缺点。随着机器人技术的不断发展,目前可重构机器人已被广泛应用在航空航天、抗震救灾、深海探测等工作环境极端且能源供应受限的领域。当机器人在恶劣的工况环境中执行复杂的作业任务时,需要考虑的问题有系统工作时的稳定性,执行夹取等任务的精确性以及如何确保系统最少的能源损耗等问题。最优控制在处理系统性能指标的优化问题时展现出的独特优势,能使系统的性能实现最优化的效果。由于动态规划方法在求解最优控制问题时会产生“维数灾难”问题,因此自适应动态规划方法被提出。自适应动态规划是动态规划与神经网络的结合体,其目的是通过持续的迭代学习来得到系统的最优性能指标和控制策略。可重构机器人的模块化特性决定了其可由多个关节自由度组合形成,若将每个自由度视为单独的子系统并考虑将各个子系统的控制输入看作参与者,则系统的控制性能可视为多个参与者之间通过合作或竞争关系来完成的,而非零和博弈则是处理多参与者决策问题的理想工具。因此为解决系统的最优跟踪控制问题,本文提出了两种方法分别为基于执行-评判网络的可重构机器人非零和博弈最优控制、事件触发下基于积分强化学习的可重构机器人非零和博弈近似最优控制。文中主要采用自适应动态规划、非零和博弈、事件触发机制等研究方法,开展以下工作: (1)可重构机器人系统动力学建模 构建可重构机器人系统的动力学模型,考虑多自由度的可重构机器人系统并将其分解成多个独立的子系统。针对每个独立的子系统分别采用Newton-Euler迭代、关节力矩反馈机制创建子系统的动力学模型,为随后的研究内容做好模型准备。 (2)基于执行-评判网络的可重构机器人非零和博弈最优控制 在第三章中,采用Newton-Euler迭代方法对子系统进行分析建模,同时受到子系统间交联耦合效应不确定性的影响,在建模过程中将系统的动力学模型分为模型已知部分和模型不确定部分。然后基于非零和博弈理论,将所要处理关于系统的最优控制问题替换为非零和博弈问题。并通过采用执行-评判的自适应动态规划结构来解答哈密顿-雅可比方程的近似解。 (3)事件触发下基于积分强化学习的可重构机器人非零和博弈近似最优控制 由于电机的物理结构和电磁特性的影响,当直流电机达到设计的最大电流时,其输出力矩和转速也会达到最大值。因此在第四章中,针对带有输入约束的可重构机器人系统进行深入研究。不同于第三章的建模方法,本章采用关节力矩反馈方法对模型进行构建,所描述的性能指标函数将系统的最优控制问题变化为一个涉及多参与者的非零和博弈最优控制问题。其次,设计的非线性扰动观测器用来处理传感器输出产生的不确定扰动。考虑模型中存在的不确定摩擦建模误差和交联耦合项,利用积分强化学习算法消除对该部分未知模型信息的需求。此外通过自适应动态规划算法,仅采用单评判网络来近似求解哈密顿-雅可比方程,从而获取近似最优控制策略。与此同时,采用事件触发机制来减少机器人控制器的更新次数,同时保证系统的性能不受影响,减少计算负担并节省通信资源以延长机器人系统的生命周期。

关键词： 自适应动态规划   事件触发控制   非线性系统   神经网络  

摘要： 随着能源的日益枯竭,人们对控制性能的要求越来越高,因此最优控制逐渐成为控制领域的热点问题之一。而自适应动态规划是解决最优控制的有效算法之一,其大多是基于时间采样的。在实际资源有限时,会造成不必要的资源浪费,因此提出了一种新的采样机制——事件触发机制,其通过特定事件判断系统信息的采样传输能够有效减少计算成本和通讯负担。将其应用于自适应动态规划中,能够更高效更快速的解决最优控制问题。因此,事件触发控制问题的研究逐渐成为热点问题。 本文结合了自适应动态规划算法和事件触发机制,对非线性系统的最优控制问题进行了研究,具体工作如下: (1)针对具有饱和约束的非线性离散时间系统,提出了一种新的事件触发约束控制方法。首先,构造了一个非二次型的效用函数克服了饱和执行器带来的挑战。其次,设计了一种新的触发条件来减少计算负担。不同于其他触发条件,用更少的假设条件证明了系统的渐近稳定性。然后,通过神经网络的权重估计误差分析了系统的收敛性。最后,通过两个数值算例验证了该方法的有效性。 (2)针对离散时间非线性系统零和博弈问题,提出了事件驱动的全局对偶启发式动态规划算法。首先,在系统受外部扰动影响的情况下,引入折扣因子限制控制输入的范围。其次,设计了自适应动态的触发条件并分析了系统的稳定性。然后,引入动作网络和扰动网络分别近似控制律和扰动控制律并利用李雅普诺夫理论证明了神经网络权重的一致最终有界性。最后,通过两个仿真实例验证了所提算法的有效性。 (3)针对具有外部扰动和死区约束的非线性系统,提出了一种新的事件触发模糊控制方法。首先,采用模糊逻辑系统逼近系统的未知非线性项,设计了一种新的命令滤波器补偿死区约束对系统性能的影响。其次,结合反步法和李亚普诺夫理论构造了事件触发自适应控制器和自适应参数更新律,设计了新的动态触发条件,证明了闭环系统所有信号的有界性并排除了Zeno行为。最后,通过单链路机器人系统验证了该方法的有效性。

关键词： IGBT模块   RPWM调制技术   开关损耗   温升  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管(Insulated-gate bipolar transistor,IGBT)作为电力电子系统的控制核心元器件。随着功率半导体器件的广泛应用,IGBT模块由于其高开关动作频率而引起的开关损耗及温升的相关安全问题逐渐成为电力电子系统研究领域的重点。IGBT模块的温度会随着运行时间的增加而升高,进而影响其安全稳定运行,甚至会使模块直接失效。因此,如何在IGBT模块较高的开关频率中进一步提升系统的能量转换效率及抑制其温升显得愈发重要。 基于上述问题,本文首先对IGBT模块物理结构及其运行过程进行分析,通过分别建立IGBT模块的产热及散热的数学模型,对其开关损耗性能方面进行分析。将产生的随机数序列引入Markov链强化其随机性,然后引入随机脉冲宽度调制(Random Pulse Width Modulation,RPWM)技术作用IGBT时通过理论推导出其产热与散热过程,分析出在电流非零时RPWM输出波形的高低电平时间与模块的产热与散热时间有关。最后推导出在有RPWM调制技术下,IGBT模块的产热量减少的同时,其散热量也更多。 为了验证理论推导的可靠性,基于在逆变器控制永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)系统中,利用COMSOL有限元仿真软件建立IGBT模块的物理模型,由仿真热场图可知,有随机激励作用时其对IGBT模块的温升有抑制效果。通过搭建实验平台,观测对引入的三种RPWM调制技术在不同的随机数因子的作用下对IGBT模块的温升抑制效果,通过比对分析曲线可知,引入的RPWM调制技术对IGBT模块的温升有抑制效果。 为了验证引入的RPWM调制技术抑制IGBT模块温升的相对普适性,对PMSM控制系统中常见的三种控制器下IGBT模块的温升进行实验验证,实验结果表明,在RPWM调制技术的作用下,IGBT模块的温升均有不同程度的降低,且不影响系统的正常运行功能。本文中提出的在IGBT模块运行过程中引入对其温升有抑制效果的RPWM调制技术普遍适用于PMSM控制系统中。

关键词： 锂电池   无变压器半桥均衡器   快速均衡   闭环移相控制  

摘要： 随着能源危机和环境污染日益加剧,相较于传统燃油汽车,电动汽车在能耗和排放上存在着明显优势,以及具有对环境友好的优点,而被各国政府关注和重视,并大力支持其快速发展。电动汽车的能量来源主要由动力电池提供,动力电池的性能极大程度上影响着电动汽车的性能。为了满足电动汽车各项用电需求,通常需将大量电池单体进行串并联成电池组使用。因电池组中各串联电池单体的生产材料、工艺及使用环境的不同,使得电池组中各串联电池单体间存在一定的差异,这种差异往往以电池单体间电压不一致性的方式呈现,然而电池单体的不一致性将随着电池单体的充放电次数的增加而逐渐加剧,使得电池组中各电池单体的可用容量各不相同,导致出现过充或过放的现象。若不采取有效措施,将使得整个电池组的循环使用寿命减小,运行可靠性降低,安全隐患增加。因此对电池组配备均衡器,以减小各电池单体间不一致性,保证电池组安全稳定运行是十分重要的。 本文首先对现有的均衡电路进行了简单的分析,并在其基础上,以减小电池组中各电池单体间不一致性为目标,以提升电池均衡过程中的均衡速度等方面作为研究的切入点,研究了一种无变压器半桥均衡器。在详细介绍无变压器半桥均衡器的电路结构和在开环控制策略下的工作原理、均衡模态的基础上搭建了等效电路模型,并重点分析了电池单体间能量流动控制和影响能量流动的关键因素。研究结果表明:在开环控制策略下,无变压器半桥均衡器的均衡速度主要与电池单体间电压差大小有关,均衡速度会随电池单体间压差的减小而变慢。 然后,针对基于开环控制的无变压器半桥均衡器在电池单体间电压均衡过程中存在的不足,以及避免因电池单体间电压差较大,使得不一致性较小的电池单体在电压均衡过程中受到较大的充放电电流而造成损坏,因此采用闭环移相控制策略对无变压器半桥均衡器进行均衡控制。重点分析了在闭环移相控制下影响电池单体间能量流动的关键因素。研究结果表明:在闭环移相控制策略下,无变压器半桥均衡器的均衡速度受电池单体间电压差影响较小,主要与移相角大小有关,通过控制移相角大小实现电池单体间电压快速均衡,以及不一致较小的电池单体也可以通过控制移相角大小,以适合的充放电电流实现电压快速均衡。通过理论分析和仿真验证且对比,表明了基于闭环移相控制的无变压器半桥均衡器在均衡速度上的优越性。 最后,根据上述分析完成了均衡器的硬软件设计,并搭建了基于FPGA控制的实验样机。根据实验样机,对上述理论分析进行了相应地验证。

关键词： 随机策分方程解   存在唯一性   EM逼近   最优控制  

摘要： 分布依赖的随机微分方程是系数依赖于当前状态及其分布的随机微分方程. 因为金融工程、生物学、控制系统等许多领域中的一些重要模型涉及平均场项, 所以分布依赖的随机微分方程在实际问题中有着十分重要的应用. 本文主要研究了两类分布依赖的随机微分方程. 对于第一类分布依赖的随机微分方程, 本文研究了其解的存在唯一性和 EM 逼近;对于第二类分布依赖的随机微分方程, 本文研究了其最优控制问题和具有 Neumann 边界条件的倒向随机偏微分方程解的存在唯一性. 具体研究内容有如下三个方面:　　一、漂移系数不连续的高维分布依赖的随机微分方程及相应的粒子系统解的存在唯一性. 在漂移系数关于空间变量逐段 Lipschitz 连续的条件下, 首先利用 Zvonkin 变换将方程转换为漂移系数为 Lipschitz 连续的分布依赖随机微分方程, 变换后的方程存在唯一解. 然后由变换函数的性质可得逆函数的存在性和Lipschitz 连续性. 最后由 Ito 公式及逆函数的性质可得原来的分布依赖的随机微分方程及相应的粒子系统解的存在唯一性.　　二、漂移系数不连续的高维分布依赖的随机微分方程解的 Euler-Maruyama（简记为 EM）逼近. 在漂移系数关于空间变量逐段 Lipschitz 连续的条件下, 提出可适应时间步长的 EM 方案, 该方案允许时间步长不相同, 通过取最小的时间步长模拟每个粒子来逼近经验测度. 当漂移系数可分解时, 对Zvonkin变换后的方程和原方程分别做EM逼近;当漂移系数不可分解时, 给出Zvonkin变换后的方程解的EM逼近. 本文还利用 Holder不等式等工具, 得到了 EM逼近的强收敛速度.　　三、带反射的一维分布依赖的随机微分方程的最优控制问题, 其中漂移系数和扩散系数都依赖于过程的状态及其分布和控制. 该控制问题的值函数由一个具有 Neumann 边界条件的倒向随机偏微分方程表示.本文证明了该倒向随机偏微分方程的充分正则解的存在唯一性. 最后, 通过该倒向随机偏微分方程构造了控制问题的最优反馈控制.

关键词： 沟槽栅FS-IGBT   电磁干扰噪声   钳位二极管   结终端结构  

摘要： IGBT作为电力电子系统中不可替代的功率开关器件,广泛应用在家用电器、交通运输、工业电子和航空航天等领域。但随着IGBT的应用场景逐渐向更高频率的领域发展,其电磁干扰（Electromagnetic Interference,EMI）噪声问题逐渐成为研究的焦点。而沟槽栅场截止型IGBT作为目前应用最广泛的IGBT结构,其EMI噪声问题更是研究人员的重点关注对象。基于此,本文对沟槽栅场截止型IGBT的EMI噪声问题进行了研究与总结,提出并实现了两种低EMI噪声的具有钳位二极管的沟槽栅FS-IGBT结构。本文的主要研究内容如下: 1.分析并研究了IGBT的EMI噪声产生原理,建立了描述沟槽栅FS-IGBT器件EMI噪声现象的数学模型,总结出影响IGBT器件EMI噪声的重要参数与反映EMI噪声大小的核心参数。 2.提出了具有多晶硅钳位二极管的沟槽栅FS-IGBT（Trench Field Stop IGBT with polysilicon deposition clamping diode,PDD-IGBT）新结构,该结构通过在浮空P区上方注入二极管P+区并沉积二极管N+区形成多晶硅钳位二极管,从而在器件开启时钳位浮空P区的电位。相比传统沟槽栅FS-IGBT,PDD-IGBT的密勒电容下降了52.5%,电流峰值Isurge降低了56.18%、电流变化率减小了79.27%、浮空P区电位变化峰值降低了88.78%,PDD-IGBT结构对器件的EMI噪声特性有显著优化。针对PDD-IGBT结构进行了工艺设计,发现PDD-IGBT存在工艺兼容性差、多晶硅沉积型二极管结构质量差的问题。而后提出并设计了一种新型沟槽场限环结终端结构,该结构在600V耐压条件下的宽度比常规场限环结构缩小了14.2%。 3.为解决PDD-IGBT存在的问题,本文提出了具有双扩散钳位二极管的沟槽栅FS-IGBT结构（Trench Field Stop IGBT with double ion diffusion clamping diode,ID-IGBT）,该结构采用离子注入工艺形成二极管P+区与二极管N+区。ID-IGBT与传统沟槽栅FS-IGBT相比,密勒电容下降了48.5%,电流峰值Isurge优化了54.40%、电流变化率(d ICE/dt)max降低了72.77%、浮空P区电位变化峰值降低了78.87%,由此可见ID-IGBT可以优化器件的EMI噪声特性。而后对ID-IGBT进行了工艺制程与版图的设计。在进行ID-IGBT版图设计时,对ID-IGBT器件的元胞区域进行了增加工艺误差容限的三维结构设计。最后发往工厂流片,流片结果验证了ID-IGBT对EMI噪声的抑制效果。