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关键词： 风力发电   变桨   永磁无刷直流电机   多电机协同控制   矢量控制  

摘要： 随着传统化石能源危机和环境污染问题的日益严重,有绿色环保、循环再生等优势的风力发电在我国发展迅速。风力发电机组能够将风能转化为电能,再通过逆变器并网传输给用户使用。风机三个叶片由三个变桨电机控制,变桨电机控制系统的稳定和变桨电机协调运行决定了风机的稳定运行。随着现代电机和控制技术的发展,永磁无刷直流电机(Permanent Magnet Brushless DC Motor,PMBLDC)可以实现无级调频调速,且能效转化率高,相比于有刷直流电机有很高的实用性。采用永磁无刷直流电机作为变桨电机,并在统一变桨控制策略中引入电机协同控制技术,可以使变桨系统运行更加平滑稳定噪音小,且电机之间的协同性更强,能够使风电机组更安全稳定的运行。 分析了风力发电变桨永磁无刷直流电机控制系统的研究背景和意义,介绍了变桨系统的组成和作用以及变桨系统的现状,分析了变桨电机的选型依据,综述了永磁无刷直流电机控制技术以及变桨系统多电机协同控制技术的研究现状,概述了论文主要研究内容。 对变桨系统的结构以及控制原理进行了分析,在不同工况下对变桨电机的运行状态进行分类;阐述了永磁无刷直流电机的结构和工作原理,建立了电机的数学模型。 研究了永磁无刷直流电机的矢量控制原理,简述了坐标变换的过程,设计了永磁无刷直流电机的电流环控制器、速度环控制器、位置环控制器,分析了SVPWM的实现步骤,对永磁无刷直流电机双闭环以及三闭环系统进行了仿真分析,并进行实验验证。 针对统一变桨中三电机的偏差耦合控制进行了研究,在偏差耦合控制基础上,设计了包含额外补偿值的速度补偿器及自抗扰控制器的改进型偏差耦合控制器,进行了多电机偏差耦合控制仿真,仿真结果证明改进型偏差耦合控制能够对三台电机进行更好的稳定控制,提高统一变桨系统的协同性以及风机工作的稳定性。 设计并成功研制了小功率永磁无刷直流电机矢量控制系统样机,对其中的硬件和软件进行设计。硬件部分包括主功率电路、主控制电路、外围控制电路、位置检测电路、电源电路。软件部分包括主循环函数、中断函数、矢量控制算法等。

关键词： 复杂电力网络   扰动风险传染   分数阶微积分   最优控制   群集智能控制   模糊PID控制   模糊自抗扰控制  

摘要： 随着全球能源转型的加速推进和电力系统规模的不断扩大,电力网络扰动风险因素日益增多,如设备老化、新能源并网、网络攻击等,这些风险因素不仅影响单个组件,还可能通过网络结构引发连锁反应,导致大规模的系统故障,给电力网络稳定运行带来了更多的风险与挑战。本研究针对电力网络风险传染及控制问题,综合运用复杂网络理论、风险传染动力学、最优控制理论、分数阶微积分、模糊数学、智能PID及自抗扰控制等多学科交叉理论,构建和优化风险传染模型,设计有效的控制策略以抑制风险扩散,确保电力网络稳定运行。主要研究内容如下。 (1)电力网络扰动风险识别与节点传播影响力分析。分析电力网络风险扰动特性,利用复杂网络理论构建电力网络模型,选取度中心性、介数中心性、接近中心性、特征向量中心性、负载率和节点自导纳作为评估指标,采用熵权法对各指标进行赋权,运用TOPSIS方法对电力网络节点传播影响力进行综合评估,识别网络关键风险节点,为风险传染与控制研究奠定了基础。 (2)电力网络扰动风险传染仓室动力学模型。结合传染病动力学机制,将节点状态分为正常状态(S)、潜伏状态(E)、故障状态(I)、隔离状态(Q)、恢复状态(R)等不同仓室,利用设备可靠性退化方程动态调整风险传染系数,构建电力网络故障扰动风险传染SEIQRS动力学模型。引入预防维修、隔离维修、缺陷维修等维修策略,重构为故障扰动风险控制方程,应用最优控制理论规避故障扰动风险扩散。 (3)电力网络扰动风险传染分数阶动力学模型。考虑到电力网络拓扑结构对于风险传染的影响,以及风险传播的长期依赖性和历史积累影响,引入网络传染动力学的结构特性和分数阶微积分理论的记忆特性,重构电力网络扰动风险分数阶动力学FO-SEIQRS模型。引入潮流优化、开关电源隔离、电网频率等控制策略,重构为扰动风险传染控制方程,分析不同阶次的分数阶目标方程,实现整数阶-分数阶、不同分数阶次的电力网络风险传染最优控制。采用预估校正算法进行仿真实验,结果表明,分数阶模型能更精确地描述电网风险传染动力学,更真实地反映实际运行中的风险传播和控制效果。 (4)电力网络电压频率模糊自抗扰控制。应用模糊数学、分数阶微积分和群集智能算法PSO-IA,拓展了模糊分数阶PID控制器的变阶次结构,较好的实现了电网电压频率优化控制。鉴于PID控制器的局限,引入分数阶自抗扰控制与自适应模糊理论,构建跟踪微分器、扩张状态观测器、非线性状态误差反馈控制律,获取不确定参数和外部扰动实时动态数据,通过控制增益来调控初始控制信号的幅度,从而实现更精确的控制效果。实例仿真结果验证了模糊自抗扰控制在电力网络电压与频率控制中的有效性,通过抑制扰动风险,显著增强了电网的动态稳定性。 本研究为电力网络的风险管理提供了新的理论视角和有效的控制策略。通过分析风险传染的动态机制,并应用多种智能控制技术,有效抑制了风险扩散,保障了电力系统的稳定运行与安全。这些成果对电力行业风险管理策略的制定具有理论指导意义和实际参考价值。

关键词： 开关磁阻电机   转矩脉动   多目标优化   直接转矩控制   联合仿真  

摘要： 开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,SRM)以其构造简单、调速灵活和高效等诸多优势,近年来得到了迅速发展。然而,由于SRM的结构和工作原理及实际电机中涉及的非线性等因素,导致其转矩脉动较大,限制了其广泛应用。因此,本文探索并研究实施了有效抑制转矩脉动的方法。 本文首先阐述了SRM的基本结构、工作原理和运行方程,推导了在理想条件下SRM的数学模型。然而,实际电机的非线性磁路使得其数学模型复杂且难以解析。为此,搭建SRM的有限元仿真模型,分析其电磁场特性,建立其转矩和磁链的非线性数学模型。 考虑到不同的结构参数对电机转矩性能的影响不同,使用参数扫描法分析几个电机结构参数对转矩性能的影响,筛选出对优化目标影响显著的参数作为优化变量。采用Design-Expert软件构建优化目标的响应面模型,通过方差分析模块验证实验数据和模型拟合的准确性。并提出遗传粒子群算法,该算法不仅继承了种群优化过程的记忆性,还增加了物种多样性,能够快速收敛得到目标方程的全局最优解。仿真结果显示,优化后的SRM在输出转矩满足要求的同时,转矩脉动也显著降低。 针对传统控制方法下SRM转矩脉动较大的问题,本文将直接转矩控制方法应用于SRM控制系统。并在此基础上,结合模糊控制理论设计了模糊PI速度调节器,以替代传统速度调节器,使系统能够快速响应外部环境的变化。同时,建立基于Maxwell-Simplorer-Simulink的联合仿真模型,实现电机本体与控制模型之间的磁链、电流、转矩等数据的实时交换。仿真结果表明,直接转矩控制相较于传统电流斩波控制有效提升了SRM的稳定性,减小了转矩脉动,而模糊转速调节器增强了系统的动态响应速度和鲁棒性。 最后,本文搭建了以STM32F303RCT6为主控芯片的SRM实验平台,介绍了硬件电路原理和软件设计流程,并在实验平台上对电机的运行性能指标进行了测试。

关键词： IGBT栅极驱动芯片   数字隔离器   置位/复位调制   保护电路   故障报错  

摘要： 随着新能源汽车等市场的蓬勃发展,作为电动汽车等设备的核心元件,绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）成为了热门的功率器件。由于IGBT的导通阈值电压高且栅极寄生电容大,微控制器无法直接驱动IGBT。同时,微控制器的参考地与IGBT发射极的电位通常是不同的,两者之间必须具备电气隔离。因此,微控制器必须通过IGBT驱动芯片来实现IGBT的开关动作。另外,在高压电力系统中,IGBT工作时通常伴随电磁干扰,容易导致IGBT出现过压过流等损坏。这对IGBT驱动芯片的保护功能提出了高要求。 本文研发了一款具有多种保护功能的IGBT隔离栅极驱动芯片。在电气隔离方面,本文提出了一种低延时高抗干扰度的磁耦数字隔离器。其隔离栅采用具有屏蔽层的片上变压器,其调制技术采用具有刷新信息的置位/复位调制,显著提高了信号传输通道的传输速率及抗干扰能力,并实现了强劲的绝缘耐压。在栅极驱动方面,本文提出了一种基于快速响应电平位移电路的高效栅极驱动电路,在保证输出电压轨到轨的同时,有效提高了输出电流能力。在保护方面,本文提出了面向IGBT的多种保护方案,包括退饱和保护、有源米勒钳位以及负压关断等功能,有效避免了IGBT因短路故障、寄生开通等异常情况导致的损坏;同时,本文基于磁耦双向传输技术,利用反向传输通道实现了芯片工作状态监测、故障报错等功能,完善了保护体系。 本文采用SMIC 0.18μm BCD工艺进行设计与流片。驱动芯片由输入侧芯片和输出侧芯片通过内部键合而成。输入侧芯片面积为1.72 mm2,输出侧芯片面积为3.71 mm2。测试结果表明,本芯片的主要功能全部实现,包括隔离传输驱动、退饱和保护以及有源米勒钳位等功能。芯片的输出峰值电流为±2.1 A,导通传播延时为114.6 ns,关断传播延时为104.7 ns,绝缘耐压为4.8 k Vrms,共模瞬态抗扰度为41 k V/μs,主要性能表现出良好的竞争力。

关键词： 虚拟元方法   最优控制问题   半线性椭圆方程   Neumann边界控制   先验误差估计  

摘要： Neumann边界约束最优控制问题具有广泛的应用,吸引了众多研究者致力于寻求准确、高效且灵活的数值方法来解决.虚拟元方法作为一种新兴的技术,在网格剖分方面展现出了巨大的灵活性优势.因此,将虚拟元方法应用于解决最优控制问题是一个十分有意义的工作.本文旨在利用虚拟元方法求解线性和半线性Neumann边界约束最优控制问题. 对于线性问题,我们利用虚拟元投影建立了相应的虚拟元空间并构造其离散格式,利用一阶最优性条件、对偶论证和迹定理推导出状态变量、伴随变量和控制变量在2和1范数下的先验误差估计,并在不同的网格上对这个问题进行数值实验. 对于半线性问题,我们同样也建立了虚拟元空间和离散格式并提出了一阶最优性条件.此外,在该问题中还需要利用二阶条件来保证解的局部最优性.利用二阶条件和辅助问题推导出了状态变量、伴随变量和控制变量在2和1范数下的先验误差估计.最后在不同的网格上对这个问题进行数值实验,验证了网格的灵活性和算法的准确性.

关键词： 无线电能与信息同步传输   调制解调   全控整流   移相控制  

摘要： 相较于传统的有线电能传输,无线电能传输技术因其安全、可靠和高效的特点备受关注。在实际的应用场景中,为了实现设备识别、负载状态反馈等特殊功能,需要在电能传输系统的基础上加入信息传输系统,并且不同规格的用电设备功率等级以及使用场景不同,当负载大小或者线圈相对位置发生变化时,系统应根据需求进行相应的恒流或恒压输出控制,以保证用电设备的正常运转以及电能的高效和安全传输。 本文针对无线电能与信息同步传输技术以及负载、耦合系数等参数发生变化时系统的恒压输出阻抗匹配电路进行分析与研究。主要研究内容如下: (1)首先阐述了系统结构和电能与信息传输原理,并且利用互感理论对系统进行理论分析,探究影响系统传输效率的因素。基于理论分析研究一阶LC谐振拓扑网络和高阶谐振拓扑网络的传输特性,分析高阶LCC-S谐振拓扑网络对信息传输通道的影响。 (2)在电能传输系统的基础上设计双向信息传输系统的调制解调以及软件编码方案,并进行电路仿真验证。利用调频调制以及锁相环的锁定与失锁实现发射端到接收端的信息传输;利用调谐调制以及二极管包络检波实现接收端到发射端的信息传输。 (3)针对负载大小以及耦合系数发生变化时系统无法实现稳定的恒压输出问题,采用接收端全控整流电路以及移相控制策略代替传统的二极管桥式整流与DC-DC电路。利用广义状态空间平均法对系统进行小信号建模,分析系统在不同频率下的稳定性,在此基础上设计接收端相位同步电路以及具体的控制策略,并对其进行仿真验证。 (4)设计硬件电路并搭建实验平台,分别对电能与信息同步传输电路以及全控整流电路进行测试与分析。实验结果表明所提出的信息调制解调方法能够实现信息在发射端与接收端之间的双向传输,并且当负载或耦合系数发生变化时,通过全控整流电路以及移相控制策略可以使得输出电压恒定在24V。在输出功率48W,线圈间距20mm的情况下,能量传输效率达到88.2%。

关键词： 功率模块   电热耦合仿真模型   IGBT   有限元热仿真模型   热代理模型   时间自适应方法  

摘要： 随着功率半导体产业的蓬勃发展,功率模块在汽车电子、5G基站、高功率微波等军民领域得到了广泛应用,需求日益增大。然而,高功率密度必然伴随高功耗,功率芯片自热效应导致模块封装内部热量累积,芯片结温大幅上升,进而引发功率模块电学性能、可靠性、可用性退化,影响系统性能。基于精准电热耦合仿真模型的功率模块性能虚拟化测试分析技术是实现电路特性分析、指导设计优化、提升研制效能的有效手段,因此,本论文致力于功率模块电热耦合建模仿真研究,提出了多机制模型协同多物理耦合过程精准建模与快速仿真方法。 本文主要开展了功率模块电热耦合建模与仿真方法研究。以IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模块电热耦合建模仿真为例,建立了基于查找表电学模型和有限元热仿真模型的电热耦合仿真流程,并基于MATLAB脚本开发了多平台协同仿真控制模块,支撑多类型仿真器自适应协同调度与建模仿真,实现仿真速度与精度均衡。研究了基于SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)电路模型与有限元热仿真模型的PHEMT(Pseudomorphic High-Electron-Mobility-Transistor)射频功率模块电热仿真方法,提出了协同仿真时间步长自适应方法,以温度梯度为参考变量,实现了瞬态电热耦合仿真时间步长自适应调整,保证仿真精度的同时,实现了仿真效率大幅提升。 为进一步提升功率模块电热耦合仿真效率,开展了有限元热仿真模型降阶技术研究,提出使用热等效代理模型替代原有数值模型,实现热仿真加速。简要概述了等效热路模型建模过程,包括基于有限元仿真的热阻抗曲线提取和等效热路的参数拟合方法。基于有限元热仿真模型研究了IGBT模块中不同散热条件对模块中各层材料热阻、芯片间耦合效应对热阻抗曲线的影响,并采用分层级建模方式,构建了可表征热耦合效应的三维热阻网络。通过将代理模型计算结果与有限元仿真模型结果对比,验证了其置信度。 以热等效代理模型为基础,构建了更高效的功率模块电热耦合仿真方法。基于MATLAB开发多工具协同仿真控制脚本,实现热模型与电功耗模型耦合迭代,同步加入时间自适应算法,实现功率模块电热耦合模型降阶与仿真加速。以IGBT模块为例,开展了仿真模型计算精度与计算效率的验证,结果显示,相较于基于有限元热仿真模型的时间自适应电热耦合仿真方法,仿真效率得到了进一步的提升。 综上所述,本论文针对功率模块电热耦合建模与快速计算方法展开了一系列研究,以芯片功耗模型和有限元热仿真模型耦合迭代仿真方法研究为起点,通过引入时间步长自适应、模型等效等技术,对耦合仿真模型进行层层降阶,最终构建了基于芯片功耗模型和热等效代理模型耦合迭代的时间自适应功率模块电热耦合仿真模型,极大地提升了仿真计算效率,为功率模块协同仿真设计提供理论指导与技术支撑。