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关键词： 牵引供电系统   模块化多电平换流器   矢量控制   环流抑制  

摘要： 电气化铁路在我国交通体系和经济发展中扮演着重要角色，而牵引供电系统是电气化铁路的能源动脉，关乎整个电气化铁路安全高效运行。社会的飞速发展催促着现代高速铁路提升与突破，对其要求也越来越高，这对我国电气化铁路提出了新的更高要求。我国电气化铁路供电模式是单相工频异相轮序供电，其供电结构造成的过分相和电能质量的缺陷阻碍了我国电气化铁路向高速化与重载化方向发展。基于模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter，MMC)的新型牵引供电系统可有效解决上述两大不足，而变流器特性关乎整个牵引供电网络安全高效稳定运行。因此，需对变流器交直流侧输出、内部环流、电容电压波动等特性研究，使其维持良好的内外特性，对系统运行有着重要意义。本文结合新型牵引供电系统中MMC变流器换流桥臂级和换流站级控制策略，对其内外特性开展研究，主要完成了以下工作：　　1）分析本文所提出的新型牵引供电系统的优越性及其变流器特性研究的重要性。同时，介绍MMC的基本工作原理，对常用的半桥型和全桥型两种子模块拓扑的运行和开关状态进行研究，并阐述了各坐标系之间的变换及MMC内部动态方程。　　2）结合调制策略、电容电压均衡、环流分析等MMC换流桥臂级的底层控制策略，分析不同调制策略下变流器特性。阐述了载波移相(CPS-PWM)、载波层叠调制(LS-PWM)、最近电平逼近调制(NLM)，并对载波层叠调制中的同相层叠调制(PD-PWM)进行具体分析研究，为解决PD-PWM中子模块投入时间不均，对载波轮换层叠调制进行仿真分析。由于载波调制需要多路载波，随着子模块数增加，控制变得复杂，因此，多应用于子模块数相对较少的场合，而最近电平逼近调制策略(NLM)算法简单，不需要多路载波，开关损耗较载波调制小，广泛应用于高压大功率领域，与基于排序算法电容电压均衡控制策略相结合，使得变流器具有良好输出和内部特性，特别适用于本文所提的新型牵引供电系统中。　　3）结合新型牵引供电系统中三相MMC和单相MMC换流站级控制策略及其环流抑制策略，分析变流器内外特性。首先，当交流网压平衡时，采用dq矢量控制策略对系统站级进行控制，负载突变下，变流器保持良好内外特性，并通过仿真验证分析。其次，当电网电压不平衡时，变流站交流侧电流畸变，引起交流侧、直流侧的二倍频波动，变流器内部电流包含正序、负序、零序三种分量。因此，设计一种基于准比例谐振电流控制(QPRCC)的电流环控制作为不平衡交流网压下MMC变流器的控制策略，实现了对负序和有功、无功波动的抑制，较传统PROR控制方法性能更优。在分析其环流特性的基础上，设计基于QPR控制器的环流抑制器，有效抑制了正、负、零序环流，直流侧电压、电流波动幅度小，较PR控制器鲁棒性更好。最后，在研究单相MMC拓扑结构和数学模型基础上，采用双闭环控制，设计系统站级控制策略和环流抑制，以维持交流电压稳定和抑制直流侧脉动，并验证该站级策略和环流抑制器的有效性。

关键词： 沟槽栅IGBT   自偏置分裂栅   导通压降与关断损耗折中关系   浮空P区钳位  

摘要： 功率半导体器件在电能控制、变换与调节中起着至关重要的作用。在中高功率领域中,绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）以其优异的性能被广泛应用,成为了核心开关器件之一。针对IGBT存在较大栅电容的问题,人们提出了分裂栅IGBT（Split Gate IGBT,SG-IGBT）的解决方案,然而传统的分裂栅结构会削弱漂移区的电导调制效应,劣化器件性能。本文基于传统SG-IGBT,提出了一类具有自偏置分裂栅结构（Self-Biased Split Gate,SBSG）的沟槽IGBT,并针对其特性进行了仿真验证。本文的主要内容如下:1、本文提出了一种具有自偏置分裂栅的沟槽IGBT（SBSG-IGBT）,该结构通过在器件表面引入多晶硅二极管,该二极管阴极与分裂栅电极相连,并与外置电容串联构成自偏置电路。该电路的充电能量来源于器件关断时浮空P区的电压,为了防止电路电压自举过高,通过额外的空穴通路对浮空P区形成钳位。在IGBT上电并经过多个周期循环后,分裂栅电位稳定,完成电路的自偏置,分裂栅极的自偏置电压为VSG=10 V。通过稳定的分裂栅自偏置电源,提高了沟槽底部的电导调制效应,从而改善了器件漂移区的载流子分布。仿真结果表明,相比较于SG-IGBT,SBSG-IGBT的沟槽底部载流子浓度提高了90%,正向导通压降Vceon降低了12.8%。同时,CGC较传统沟槽IGBT降低了64%,米勒平台长度缩短了70.6%,其具有良好的栅特性。在相同的导通压降前提下,SBSG-IGBT的Eoff较传统沟槽IGBT降低了11.2%,较SG-IGBT降低了26.6%。2、基于自偏置分裂栅的原理,本文还提出了具有空穴阻挡层的自偏置分裂栅IGBT结构（HBSG-IGBT）以及具有浮空P区钳位功能的自偏置分裂栅IGBT结构（FPCSG-IGBT）。通过额外的空穴阻挡以及浮空P钳位结构,两种结构较传统SG-IGBT在沟槽下方的载流子浓度分别提升了150%以及100%,正向导通压降较传统SG结构均有明显改善。在相同的导通压降前提下,相较于SG-IGBT,HBSG-IGBT的关断损耗Eof _f降低了46.6%,FPCSG-IGBT的关断损耗Eoff降低了71.5%,器件性能均有大幅提升。

关键词： Adaptive sliding mode observer (SMO)   current sensor (CS) incipient fault   fault diagnosis   insulated gate bipolar transistor (IGBT) open-circuit (OC) fault   permanent magnet synchronous motor (PMSM) drive system  

摘要： Fault diagnosis and identification play a crucial role in ensuring the high reliability of permanent magnet synchronous motor (PMSM) drive systems used in electric vehicles. However, detecting and differentiating insulated gate bipolar transistor (IGBT) open-circuit (OC) faults and current sensor (CS) incipient faults in PMSM drive inverters pose challenges due to their similar effects on phase current distortion. To address this issue, this article proposes a novel diagnosis strategy that enables simultaneous detection of IGBT OC faults and CS incipient faults in inverters of PMSM drives. First, a comprehensive inverter system model is built that incorporates IGBT OC faults and CS incipient faults. Next, to distinguish between these two fault types, the comprehensive inverter system undergoes augmentation and nonsingular coordinate transformation, effectively decoupling it into two subsystems: one exclusively containing IGBT OC faults and the other solely dedicated to CS incipient faults. Subsequently, adaptive sliding mode observers (SMOs) are constructed to accurately estimate the reconfiguration state of each subsystem. Finally, by using observer residuals, fault diagnosis algorithms with adaptive thresholds are proposed to locate defective IGBTs and detail the process of CS from incipient fault to fault or even failure. Experimental results and comparisons validate the rapidity, robustness, and effectiveness of the proposed diagnostic algorithm for simultaneously diagnosing IGBT OC and CS incipient faults.

关键词： 水质监测船   混合动力系统   高温甲醇重整燃料电池   永磁同步电动机   矢量控制   模块化建模  

摘要： 在国家双碳战略的背景下，为了实现绿色可持续发展以及节能减排的目标，世界各国都在提倡新能源清洁动力系统的研发与应用，其中燃料电池系统具有能量转化效率高、无污染、零碳排放等优点，逐渐成为新能源动力发展的重要一环。燃料电池混动系统中主要部件为燃料储存系统、燃料电池电堆、驱动电机、二次动力电池等，本文以高温甲醇重整燃料电池电堆以及永磁同步电动机为研究重点，进而搭建出了完整的燃料电池仿真模型和控制系统。　　首先，根据模块化建模思想，基于MATLAB/Simulink完成了永磁同步电动机的数学模型以及矢量控制系统的建立，在id=0矢量控制方法的基础上，研究了控制效果更好的最大转矩电流比（MTPA）控制和具备更宽范围调速的弱磁控制。进而针对传统弱磁控制方法生成表格过程数据量庞大，且当系统参数变化时不具有可移植性的问题，或基于电流矢量角度PI反馈的响应性不足问题，提出了基于模型参数更新的MTPA-弱磁前馈控制策略，在前馈控制的基础上增加了电机参数反馈修正的部分，保留了前馈方法响应性优势的同时，增加了系统应对电机易变参数的鲁棒性。　　接着，以中国科学院大连化学物理研究所用于试验的 5kW 高温甲醇重整燃料电池为仿真对象，搭建了一维动态模型，其中包括储醇系统、燃烧室、重整室、冷却系统、供气管道、燃料电池电堆等子模型。而后将标定数据与搭建的燃料电池模型进行匹配，完成开环精度验证，得到的结果表明，仿真模型的极化曲线、阴阳极压降、电堆内温度流量等关键动态参数与实验值拟合程度较高，从而验证了仿真模型的精确性，同时搭建闭环燃料电池控制器。在此基础上，通过硬件在环仿真平台，将控制端载入 Mathwork Speedgoat 控制器，模型端载入 NI PXI 实时机，完成硬件在环仿真验证。经对比得到，离线仿真与硬件在环仿真数据基本重合，从而验证了控制策略的可靠性。　　最后，基于一艘混动水质监测船的参数，搭建出船舶一维瞬态动力学模型，结合MATLAB/Simulink 模型库中的锂离子动力电池模型，完成了整个燃料电池混动系统的建立，并选择基于功率跟随的能量管理策略作为控制手段，对船速、船舶需求功率、燃料电池输出功率、动力电池SOC等输出特性进行了详细探究。

关键词： 永磁同步电机   直接转矩控制   模型预测控制   脉动   计算成本  

摘要： 随着永磁材料与电机制造工艺的进步与发展,永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine)因其结构简单、可靠性高、高效率、高能量密度等特点,在高性能电机控制领域得到广泛应用。直接转矩控制(Direct Torque Control)与矢量控制技术(Field Oriented Control)是常用的两种电机控制策略。直接转矩控制相比矢量控制,具有控制结构简单,避免了复杂的旋转坐标变换,对转子参数依赖降低,鲁棒性好,动态响应速度快等优点,在永磁同步电机控制领域得到了广泛的应用,但同时DTC也存在脉动问题。模型预测直接转矩控制可以解决这一问题,但是其预测模型较为复杂会增加系统计算负担。因此本文以提升系统控制性能与缓解系统计算负担为目标进行研究。 本文首先对PMSM的数学模型和电磁转矩求解方程进行介绍,并介绍了传统DTC技术的原理。在Matlab/Simulink中搭建传统DTC仿真控制模型,实现对表面式永磁同步电机的正确控制。 其次研究分析基于电压矢量相角为变量的模型预测直接转矩控制策略下不同区间划分方法下的控制效果,通过控制目标对比分析并结合运算负担,选取出最优的电压矢量区间划分方法。 为了提升控制性能,在以电压矢量相位角为变量的模型预测直接转矩控制的基础上提出一种改进模型预测直接转矩控制。在Matlab/Simulink中搭建传统模型预测直接转矩控制与改进模型预测直接转矩控制仿真控制模型,通过对比两种控制方法与传统DTC方法下的磁链与转矩脉动波形,验证了所提改进方法可实现对表面式PMSM良好控制。 为了减小系统计算成本,降低对硬件的要求以及优化系统控制效果,在以电压矢量相位角为变量的传统模型预测直接转矩控制的基础上提出了一种简化模型预测直接转矩控制方法,通过对比两种控制方法下的控制对象的控制效果以及计算量,证明提出的简化预测控制策略的可行性。

关键词： 电磁驱动系统   Halbach阵列   空载磁场分析   有限元分析   矢量控制  

摘要： 半导体产业的发展对制造环境要求日益提高。磁悬浮传送技术无需机械接触,是生产车间实现无尘传送的理想解决方案。磁悬浮传送系统主要分为悬浮部分与驱动部分,想要实现稳定精确的传送工作,要求驱动部分具有扰动小、推力大、质量小的优点。针对上述需要,设计了基于Halbach阵列的磁力驱动系统,并且对所设计的驱动系统进行了控制方法研究。第一,对现有直驱式系统进行分析,由于永磁式磁力驱动系统拥有推力密度大,推力波动小等优点且是一种无接触式驱动,因此基于此原理对驱动系统展开设计。为了进一步减小推力波动,初级选用无铁芯结构,次级选用Halbach阵列。然后对驱动系统进行结构设计,动子初级部分包括结构设计与绕组电路设计,定子次级部分包括磁路设计与结构设计,并且选用了系统的信号反馈与辅助部件,初步确定了驱动系统的整体结构。第二,对所设计的磁力驱动系统,使用面电流法与等效磁化电流法进行了空载磁场解析分析,推导了空载反电动势的解析式。为了分析Halbach磁体阵列对驱动系统电磁性能的影响,使用有限元仿真软件定量分析了普通径向充磁、Halbach三段式充磁、Halbach五段式充磁三种不同次级结构的驱动系统电磁性能,包括空载气隙磁场、电磁力、空载反电动势、自感。分析表明了Halbach三段式次级可以有效提高驱动系统的电磁力,降低推力波动,而且有较高的永磁利用率,因此选用此种结构作为驱动系统的次级结构。进一步分析了驱动系统的重要尺寸参数与电磁力的关系,得到了驱动系统最优结构参数。第三,推导了磁力驱动系统在不同的坐标系下的数学模型,以及它们相互间的转换方式。基于空间矢量脉冲调制(SVPWM)对驱动系统进行控制。针对磁力驱动系统的电流、速度环设计了线性PI控制器,位移环设计了P控制器。进一步针对速度环设计了非线性滑模控制器。使用仿真软件分析了驱动系统在负载与空载时的速度与位移响应性能。最后分析比较了两种控制器的速度响应性能,结果表明使用滑模控制可以提高空载时速度响应性能。最后,加工装配了驱动系统样机,对样机的电气参数相间电阻与电感进行测量。对样机的动态性能进行了空载反电动势与推力常数测量实验,表明了样机有较优的性能。然后对系统实行了控制实验,分析了驱动系统的推力波动,以及空载与负载时的速度、位移响应性能。实验结果表明,样机输出的推力波动较小,保持在2.6%左右。样机的速度响应快、超调较小、运行稳定。样机的位移响应性能较好,在变速位移时与命令位移相位差较小,样机的定位精度为1μm。

关键词： 抛物最优控制问题   多点通量混合有限元方法   半离散   全离散   误差估计  

摘要： 偏微分方程（Partial differential equation,PDE）的最优控制问题（Optimal control problem,OCP）涉及的领域非常广泛,在工业发展、交通运输、经济管理、流体动力学等领域均有应用。由于在实际应用过程中,其问题模型一般较为复杂,求解其精确解非常困难,因此数值求解该问题具有重要的理论意义和应用价值。本文对使用多点通量混合有限元方法（Multipoint flux mixed finite element,MFMFE）数值求解抛物OCP展开研究。使用MFMFE方法对抛物OCP的状态变量进行半离散和全离散,采用特殊的求积公式,允许局部通量消除,可以将状态和伴随状态变量解耦为以单元为中心的差分格式,而不是求解鞍点型代数系统。分别推导得到两种离散格式的误差估计和收敛阶。在使用MFMFE方法研究抛物OCP的半离散格式时,利用最低阶的Brezzi-Douglas-Marini混合有限元空间（简称BDM1空间）逼近状态变量,使用分段常数函数近似控制变量。严格推导得到状态、控制变量的L2误差和空间的一阶收敛性。在使用MFMFE方法研究抛物OCP的全离散格式时,状态变量通过MFMFE进行空间离散,运用向后欧拉差分法对时间离散。状态变量通过BDM1空间近似,控制变量使用分段常数函数近似。理论分析得到状态、控制变量的先验误差和时间、空间的一阶收敛性。最后通过数值算例验证结果的合理性。

关键词： 无线电能传输   串联串联补偿   变频控制   移相控制   恒流输出   恒压输出  

摘要： 在“碳中和、碳达峰”背景以及政府政策支持下,新能源汽车由于其节能环保的特性正处于高速发展阶段。无线电能传输技术以非接触模式实现电能的传递,具有安全、灵活、便捷等特点,在电动汽车充电领域具有广阔的应用前景。针对锂电池的充电特性,本文聚焦恒流恒压输出特性对无线电能传输系统展开研究。首先,本文介绍了相关研究的背景,详述了磁耦合式无线电能传输技术的研究现状。对无线电能传输系统结构、线圈结构设计、补偿网络拓扑和恒流恒压控制方式的研究现状进行对比分析,总结各自优缺点。其次,本文介绍了一种基于变频控制(Pulse Frequency Modulation,PFM)的DC/DC无线电能传输系统,并针对无线电能传输系统实际应用中出现线圈偏移导致系统增益特性变化的问题展开研究。通过推导线圈的两种等效模型转换关系,同时基于等效变压器模型利用基波等效法分析其增益特性,得到系统参数在线圈正对以及偏移时与增益特性的关系。通过对比研究发现,线圈偏移情况会导致调频区间出现非单调的情况,提出了非对称补偿电容设计方案,增强了PFM控制策略下系统的抗偏移性能。根据所给系统设计指标,以限制电流电压应力的为目标进行系统参数的设计。并在仿真平台中对设计方案和控制策略进行验证。接着,本文介绍了一种基于移相控制的单级型AC/DC无线电能传输系统。针对无线电能传输系统功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)控制策略过于复杂的问题,简化了现有的控制算法。通过对PFC实现原理以及电路工作模态进行分析,推导了调制表达式。该调制策略相比传统方案无需交流侧电流控制环路,降低了控制复杂度。随后给出了关键的参数设计,在仿真软件中对系统的PFC以及恒流恒压输出控制进行了验证。最后,分别搭建了1.2k W的DC/DC实验样机和单级型AC/DC实验样机,给出了样机的测试结果。基于PFM的DC/DC实验样机在线圈沿X轴方向偏移75mm沿Y轴方向偏移100mm时保持稳定运行,同时实现恒压恒流输出目标,系统最大效率为93.56%。基于移相控制的AC/DC实验样机实现了PFC和恒流恒压输出功能。且在满载工况时,系统达到0.999的功率因数(Power Factor,PF)和4.05%的电流总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD),传输效率为95.7%。实验波形和数据符合理论分析,实验结果证明了本文理论分析与参数设计的有效性与可行性。

关键词： 车用永磁同步电机标定   矢量控制   自寻优下山单纯形法   零位电感标定方法   温度电压修正  

摘要： 电机电控系统作为电动汽车的核心部件,直接决定着整车的动力性、经济性和舒适性。为了实现预期的电机控制性能,在汽车电驱动系统的开发过程中会对电机电控系统进行标定,但现有的标定方法多采用人工标定法,存在工作强度大、标定周期长和标定精度不高等缺点。因此,在保证控制性能的基础上,如何减少车用永磁同步电机电控系统标定的工作量是近年来车用电机电控领域急需解决的问题。首先,本文分析了车用永磁同步电机的结构原理,并在电机线性数学模型的基础上详细研究了矢量控制的实现方法,包括电压极限圆、电流极限圆、最大转矩电流比曲线、最大转矩电压比曲线和弱磁控制。还研究了电机非线性因素自身的变化规律及其对控制性能的影响,得出了零位与坐标变换、电感与电流和转子永磁体与电流的关系,以及它们对控制性能的影响规律,为下文电机电控的标定提供理论基础。其次,传统的下山单纯形法在车用电机电控标定中会陷入局部寻优陷阱,故加入自寻优重启机制,优化其寻优性能,并与常见的算法进行对比测试。利用自寻优下山单纯形法的快速求解能力,搭建了基于该算法的电机电控标定模型,包括构建目标函数、初始单纯形构建和单纯形更新和收敛判断等部分,并在MATLAB/Simulink平台进行标定仿真,对低转速3000rpm和高转速6000rpm两种情况进行标定,并将标定的数据放进电机控制模型进行扭矩控制验证。研究表明,自寻优下山单纯形法在电机电控电流标定中有良好的寻优能力。然后,在基于电机高低转速标定的基础上,研究了一整套利用自寻优下山单纯形法的车用永磁同步电机电控标定方法。其中包括用直流定法来标定电机零位,给定特值电流来标定电机电感和在恒定温度与电压下标定电机工作区域的边界线及工作点,深入研究了电机标定中的关键步骤,实现控制数据的测量、提取及整合,最后利用插值工具形成等距表格。考虑到温度变化对永磁体转子磁链的影响,提取两种温度下的标定表格进行线性插值来对控制进行温度补偿。为适应电压波动,引入电压波动修正因子,仅需在指定电压下完成标定即可适应其他电压条件。在MATLAB/Simulink平台上与传统矢量控制进行电压波动、转速阶跃和转矩阶跃三个工况的对比仿真。最后,搭建了车用永磁同步电机电控实验平台,将基于自寻优下山单纯形法的标定方法与传统矢量控制方法进行实验对比,实验结果表明了本文所提标定方法的有效性与优越性。

关键词： IGBT结温测量   电热耦合模型   有限元分析   退化参数   功率循环测试   多工况验证  

摘要： 新能源、新储能和电动汽车是当今综合新能源产业的发展趋势,在新能源汽车“电控系统”中,绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）功率模块是能源转化的关键,也是“电控系统”可靠安全运行的关键部件。模块的温度保护,器件的寿命状况分析和变换器的热管理都与IGBT结温信息和结温变化密切相关,准确无误的获取IGBT结温信息是促进IGBT发展的有力手段。 本文以“电控系统”中的IGBT模块为研究对象,为准确获取结温信息,在研究传统电热耦合模型的基础上,提出一种考虑退化的电热耦合模型方案,通过结温测试实验,验证了所提方案在不同工况下结温测量和预测的准确性。 首先,本文以传统电热耦合模型作为分析对象,描述了电热耦合模型组成部分,推导了模型参数的计算公式。针对传统电热耦合模型在实际运用中误差较大,不实用,数据来源缺乏实际可信度等原因,通过搭建双脉冲实验平台获取实测损耗模型数据,构建损耗的3D信息图;利用瞬态双界面法实验得到瞬态热阻曲线,经过分离点的确定、时间常数谱的推导,结构函数法的运用得到热模型的热阻、热容参数。 其次,基于Matlab/Simulink软件搭建电热耦合仿真模型,对不同频率和功率因数的结温进行仿真分析;为修正散热不同导致的结温误差,在ANSYS软件中构造IGBT模块和壳体的3D模型图,选取两种工况进行仿真,完成模型结温信息的修正。 随后,为了解决器件退化后结温预测误差大,精度低的问题,利用功率循环设备进行PCsec秒级退化测试,得到集射极电压VCE（sat）的变化趋势,运用origin软件拟合得到具体分段函数关系式,从而修正电热耦合模型中的损耗计算模型。 最后,搭建结温测试实验平台,针对电机控制器的内部IGBT模块,选择与黑模块配套使用的红外热成像设备来实时采集芯片的结温。通过电动工况、发电工况和退化工况条件下的实测结果和优化模型、传统模型、有限元模型的仿真结果进行对比,发现优化模型和实测结果的最大误差为2.3%,传统模型的误差有10℃左右,有限元模型的误差也有超过5%,表明本文提出的考虑退化的电热耦合模型方案精度更高,实用性更强。