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关键词： 电力电子变压器   高频直流环节   功率解耦   扩展移相控制   协同控制  

摘要： 电力电子变压器(Power Electronics transformer,PET)由于其能量调节灵活、功率密度高、无功功率补偿和谐波治理等优点,可广泛应用于轨道交通智能化供电等领域。然而,PET中的高频直流环节多采用双有源桥(Dual Active Bridge,DAB)拓扑,在进行移相控制时易产生回流功率。为了抑制回流功率,多采用扩展移相控制、双重移相控制等控制策略。但是,PET交流电网侧的单相整流环节引入的二次脉动功率,使得DAB输入电压呈现二次脉动。这一现象会削弱移相控制对回流功率抑制效果。本文在二次脉动和回流功率两方面,对DAB进行回流功率特性分析和控制策略研究。本文的研究内容与创新如下:首先介绍了 DAB的拓扑结构和工作原理,并介绍了单移相控制和扩展移相控制的工作原理和工作模态。在数学模型的基础上推导了单移相控制和扩展移相控制的电流公式和传输功率特性公式,最终分析了两种控制方式下的回流功率特性。其次,针对DAB输入电压存在低频脉动的问题,首先分析了产生低频脉动的原因以及其对单移相控制和扩展移相控制方式的影响。为了降低电压脉动对抑制回流功率的影响,采用基于功率通道的三相AC/DC型PET即PC-PET(power channel based PET)拓扑结构,并提出了基于功率解耦和扩展移相协同控制的控制策略。此外,针对PET的高频直流环节在启动时刻存在的过流问题,从理论上分析了软启动的工作原理,并提出了基于峰值电流控制的软启动控制方式。最终通过仿真模型初步验证了该控制策略的可行性。最后搭建了 PC-PET实验平台,详细介绍了实验平台设计。通过对不同控制策略的实验验证,分析对比不同控制策略的实验结果,验证了本文所提控制策略的有效性。

摘要： 2022年11月4日-7日 广州 大会主席刘进军指导委员会罗安章进法阮新波邓建军马皓袁小明周桃园杜雄技术程序委员会主席马皓李武华工业报告委员会主席章进法张军明孙耀杰专题讲座委员会主席阮新波张品佳秘书长张磊主办单位:中国电源学会承办单位:华为数字能源技术有限公司

关键词： 电力电子变压器   电压波动   前馈控制   阻抗建模   稳定性判据  

摘要： 在非可再生能源紧缺和环境污染问题日益恶劣的形势下,分布式新能源具备可再生、清洁低碳、随机性强以及损耗低等诸多优势,能够缓解资源紧缺以及电网压力。电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)作为将风能等可再生能源接入电网的核心装置,是由电力电子器件和变换器所构成的一类新型智能变压器。它能够弥补常规电力变压器的不足,实现电压等级转换和电气隔离等基础功能,而且电力电子变压器还具有功率密度高、性能优良、供电端口丰富的特点,因此能够在未来能源互联网、机车牵引、电能路由器等领域得以普遍应用。本文主要从抑制功率变化时的电力电子变压器母线电压波动与稳定性方面出发,针对级联H桥(Cascaded H-bridge,CHB)与双有源桥(Dual Active Bridge,DAB)变换器级联组成的电力电子变压器展开了研究,重点进行了如下研究内容:(1)本文首先对PET的演变历程进行了概述,着重分析了每个时期的几种典型的电力电子变压器拓扑结构。分析了输入整流级和隔离级DC-DC变换器的调制模式、数学建模以及相关的控制策略。并针对PET中间直流电容电压不平衡以及传输功率不均衡问题,分析了导致PET电压与功率不均衡的本质原因,并提出相应的控制策略,进一步提高了电力电子变压器运行的安全性。(2)针对发生负载突变时,PET系统短时间内母线电压无法迅速达到平衡以及动态调节能力弱的问题。本文提出一种适用于级联系统PET整体的负载电流前馈控制策略,该策略由DAB级和CHB级的负载电流前馈两部分组成。通过将负载电流直接前馈到CHB级和DAB级,大幅度减小了CHB级以及DAB级直流母线电压的跟踪误差,提升两级变换器的动态跟随性和抗干扰性。并通过仿真和实验结果对比分析了PET在传统控制和所提前馈控制等不同工况下的电压动态响应性能。(3)关于电力电子变压器中整流级、中间隔离级以及输出级三个子系统之间的交互影响,可能造成系统失稳的问题。文中提出了一种通用的三级式PET整体稳定性分析方法。该方法将PET系统分为级联H桥型PET和逆变器两大模块,分别对应其输出和输入阻抗,利用阻抗比稳定性判据,分析了控制器参数对PET接入电网系统稳定性的影响规律。仿真结果表明,逆变器比例系数的变化会影响输入阻抗频率特性曲线来影响两级变换器系统稳定性,进而为设置合理的稳定裕度提供理论基础。

关键词： 电力电子实验系统   补偿参数设计   数模控制   代码自动生成   电磁干扰  

摘要： 目前国内高校的电力电子技术实验设备基本均采用单一模拟控制方式,且缺少相应的保护措施。本文自主研制了国内首套从开环控制到闭环控制、从模拟控制到数字控制的新型模块化电力电子实验系统,实验内容逐级递进,保护电路完善,容错率高。首先,为提高建模精度,考虑变换器寄生参数的影响,运用开关网络平均法建立开环DC/DC电路与隔离半桥DC/DC电路非理想状态下交流小信号数学模型,分析数学模型的幅频及相频特性,可知开环系统稳定性较差。为了进一步提升电路的稳定性和抗干扰能力,根据建立的隔离半桥DC/DC电路非理想模型设计了相应的闭环补偿参数。通过Saber仿真与实验结果验证了该补偿参数的合理性,且闭环补偿后系统的抗干扰能力和动态性能得到明显改善。其次,在模拟控制电路中运用模拟芯片设计相应电路,虽然可靠性强但是结构复杂且灵活性不佳,因此在模拟控制电路中加入基于TMS320F28335的DSP数字控制电路,在模拟控制方式中融入了数字控制结构简单和可编程性强的优点。利用MATLAB/PSIM模型自动生成DSP代码代替手动代码编程,极大程度上简化了代码编程的繁琐过程,并通过实验验证了自动生成代码的有效性。最后,为解决电路系统的电磁干扰问题,提高整个电路系统的工作稳定性,对PWM整流器的电磁干扰问题进行研究与分析,提出抑制差模与共模干扰、切断耦合路径、削弱差模辐射场的电磁干扰抑制方法,并针对整流器PCB布局进行优化,优化后干扰问题得到明显改善,能通过不同开关频率与负载下的EMI标准测试。

关键词： Python   电力电子   系统仿真   控制器设计   模块化多电平变换器  

摘要： 电力电子技术是支撑国家多个产业的重要基础技术,而仿真分析是电力电子研究的重要手段,广泛应用于电力电子电路设计中。当前,电力电子控制系统正从传统控制向智能控制过渡与发展,这对电力电子仿真分析提出了更高的要求。在许多应用场合中,设计人员都希望能对电力电子系统进行快速仿真分析及控制器设计验证,从而加速产品设计与部署进程。目前的仿真工具与方法多样,但常常需要学习特定的软件语言、需使用多种软件进行交互(当需要验证智能控制算法时,这一问题尤为突出)等,这导致设计进程较慢,设计效率低下,与快速验证与设计的需求并不完全契合。考虑到Python是一门开源、广泛应用、易于学习的编程语言,且Python中包含极为丰富、功能强大的库,可方便地对智能控制算法进行验证,本文进行了基于Python的电力电子系统仿真及控制器设计方法研究,展示基于Python对复杂电力电子系统进行仿真及控制器设计的潜力,并将仿真结果与通用电路仿真软件的仿真结果以及实验结果进行交互验证。具体研究内容如下:(1)设计了基于Python的电力电子仿真系统的框架,将仿真系统划分为电力电子仿真电路模块以及控制器模块。以模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)为例,验证了采用Python进行电力电子电路仿真的可行性。(2)给出在Python仿真环境中开展传统控制器设计的方法与步骤。以MMC为例,展示了子模块排序、电压调制、输出电流控制等功能的Python实现方法,验证了在Python中对电力电子控制系统进行快速功能验证的可行性。(3)给出在Python仿真环境中开展智能控制器设计的方法与步骤。以MMC为例,在Python中设计了深度强化学习控制器,在不需设计子模块排序、电压调制的情况下,完成了对MMC的“端到端”控制,验证对MMC实施智能控制的可行性。(4)将Python仿真结果与商用电路仿真软件PLECS的结果以及实验结果进行了对比,验证了设计的可行性与有效性。

关键词： 电力电子技术   任务驱动法   教练法   实践   探索  

摘要： 电力电子技术课程是中职学校自动化工程系学生一门必修的专业课程,具备创新性强、动手实操性强和紧跟时代趋势等优点。教师在教学中应将其课程背景应用与中职《电力电子技术》教材上相关内容进行融合,选取适合且不乏创新的教学方法对学生进行教学,提升教学质量的同时,也能提高学生各方面的能力。本文在对于教学方法、教学环境、教学科目和教学对象进行充分调研之后,认为“任务驱动法+教练法”相结合的教学法适用于中职学校电力电子技术科目的课堂教学,为印证这一想法,达到创新教学方法以改善中职学校教学效率、提升中职学生学习兴趣、解决电力电子技术课程在当前传统教学模式下存在的问题以及为一线中职教师提供研究案例的目的,本文做了以下工作:(1)介绍了任务驱动法和教练法两种教学方法以及中职学校电力电子技术课程的教学现况,基于在实际电力电子技术中职课堂上积累的实践经验,通过对于大量参考文献的翻阅进行不断的实践与探索,提出将“任务驱动法+教练法”相结合的教学方法运用于中职电力电子技术课堂,以期能够获得更好的教学效果并提升学生的综合能力。(2)针对中职学校电力电子课程进行“任务驱动法+教练法”相结合的教学法的教学设计,结合教学设计的要素和原则,将设计分为课前、课中、课后三个部分,在课堂中教师应坚持以学生为主体,保持平等友好的师生关系。(3)设计对照试验,选取水平相当的两个班级并于其中设置实验组和对照组,在实验组班级和对照组班级分别运用“任务驱动法+教练法”相结合的教学法和传统教学方法进行授课,课程完成后通过考核成绩来分析并验证“任务驱动法+教练法”相结合的教学法对于中职电力电子技术课堂是否有益。通过对比实验组和对照组的考核总成绩,再结合在教师和学生中发放的调查问卷得出的分析数据可知:“任务驱动法+教练法”相结合的教学法在中职电力电子技术课堂的教学中有利于引起学生兴趣,提高学生的学习热情和效率,同时有利于培养学生的团队合作和沟通交流能力,提升学习成绩和专业素养。

关键词： 牵引网-机车系统   电力电子变压器   阻抗模型   低频振荡   电压失稳   过电压  

摘要： 目前电力机车车载变压器多采用工频变压器,其优势在于制造工艺简单、价格低、可靠性高,但同时存在体积重量大、空载运行损耗大、易造成网侧电压电流畸变等缺点,无法满足电力机车快速化、轻量化的发展要求。随着大功率电力电子器件和变流技术的发展,电力电子牵引变压器(Power Electronic Traction Transformer,PETT)应运而生,其不仅能实现常规变压器的功能,还具有体积小、重量轻、效率高、能改善电能质量等优点,是牵引机车的未来发展趋势。然而,PETT机车具有饱和非线性、过压过流能力差、恒功率负荷等特性,且运行工况复杂,容易受到各种大、小扰动影响,与牵引网耦合时可能会产生多种类型的稳定性和过电压问题。第一,多台机车在牵引车站同时升弓并网时,由于机车和牵引网阻抗不匹配可能会发生网侧电压低频振荡现象。第二,当机车输入端电压跌落时,由于机车变流器传输功率限制,直流电压可能会失稳,故障切除之后也无法自动恢复至稳定状态。第三,机车在过分相时,开关带负荷切换容易导致中性段和机车输入端过电压。上述问题可能会造成保护系统误动作、动车组变流器故障、牵引变电所过电压跳闸、牵引变电所充电模块、动车组直流侧电容烧毁等事故,严重危害机车及电网安全。因此,根据PETT特点研究不同运行工况时电力电子化车网耦合系统的稳定控制和过电压抑制关键技术,为提升电力机车安全稳定运行能力提供理论支撑,具有十分重要的意义。本文的研究内容与创新点如下:(1)针对现有研究缺少电力电子化车网耦合系统准确阻抗模型的问题,提出了基于扩展描述函数法的PETT统一阻抗模型。首先建立了适用于不同拓扑和控制的LLC谐振变换器的统一阻抗,并对其进行了低频简化。然后,利用LLC变换器的简化模型,结合前级级联H桥整流器及其控制,推导得到了PETT的整体阻抗。进一步地,当PETT的单元模块参数差异较小时,通过等效变换将PETT简化为了单相整流器(即常规机车等效模型),说明了常规机车与PETT机车本质上是相同的。最后,通过在仿真中进行阻抗测量验证了模型的正确性。推导得到的PETT机车阻抗,结合牵引网等效阻抗,可准确有效地分析车网系统低频稳定性,并为低频振荡机理分析提供了模型基础。(2)针对牵引网和电力机车在系统低频振荡中各自作用以及两者交互机理不清晰的问题,提出了一种RLC等效电路模型。首先,分析了电力机车的负电阻和电容特性。通过阻抗变换和电路等效将多输入多输出机车阻抗转换为了单输入单输出的超同步和次同步阻抗。然后,基于超同步阻抗建立了RLC电路模型。通过分析RLC电路的等效阻抗参数和谐振情况,研究了牵引网和机车各自在系统低频振荡中的作用。此外,根据不同条件下的系统稳定性情况研究了牵引网和机车参数对低频振荡的影响。最后,通过仿真和半实物仿真实验验证了分析结果的正确性。与多输入多输出阻抗模型相比,所提出的RLC电路模型不仅能直观、清晰地解释高速铁路车网系统中的低频振荡现象,并且简化了稳定性计算过程。(3)针对牵引网电压跌落时机车暂态稳定域分析不准确以及缺少有效抑制方法的问题,建立了系统详细离散迭代模型并提出了电流前馈的稳定性提升方法。首先分析了机车在牵引网电压跌落时的暂态过程及电压失稳原因,然后考虑系统主电路、控制环和过调制等部分,建立了车网系统的详细离散迭代模型。利用这一模型有效预测了机车的暂态响应,并分析了系统的关键环节和在不同参数条件下的稳定域。接着,建立了系统混合势函数,基于此分析了系统的大信号稳定边界,并提出了一种提升暂态稳定的电流前馈方法。最后,通过仿真和半实物仿真实验验证了离散迭代模型的正确性和提升方法的有效性。(4)针对机车过分相时中性段过电压作用因素分析不清晰、抑制方法成本和可靠性难以兼顾的问题,系统研究了过分相暂态过程以及牵引网、中性段、机车各部分参数对过电压的影响,并提出了一种主被动复合抑制方法。首先分析了过分相暂态过程和过电压产生的机理,然后基于系统等效电路详细分析了中性段和机车参数对过电压的影响,包括中性段电容、机车功率、交流侧电感、机车控制方式和参数等。此外,通过分析中性段过电压特征和系统参数影响,提出了被动吸收电路和机车主动控制切换结合的主被动复合抑制方法,在实现低成本的同时提高了过电压抑制的可靠性。最后,通过仿真和半实物仿真实验验证了理论分析的正确性和抑制方法的有效性。

关键词： 电力电子化电网   构网型控制   限流策略   小信号建模   稳定性分析  

摘要： 全球能源转型不断推进,清洁能源快速发展,电网呈现出“高比例新能源,高比例电力电子设备”的“双高”新形态,由于系统缺乏传统同步发电机的惯性和阻尼,电网惯量有所降低,电网安全稳定运行将受到威胁。当构网型换流器为电力电子化电网提供电压和频率支撑时,其对外部干扰较敏感,负荷大扰动情况下,构网型换流器存在明显的过流现象。为保证电力电子化系统安全稳定运行,本文对构网型换流器的控制原理和限流策略,以及电力电子化电网的稳定性问题进行了深入研究,主要工作内容如下:(1)分析构网型控制原理,针对单端构网型换流器的暂态过流问题,提出了一种考虑控制参数与滤波参数影响的基于饱和电流算法的过电流抑制方法。通过合理的参数选择,使换流器输出电流准确追踪内环电流参考值,确保过流抑制方法的有效性。搭建硬件在环仿真实验平台,对所提控制策略在大扰动下快速抑制构网型换流器暂态过电流的能力进行了验证。(2)针对包含不同类型构网型换流器的电力电子化电网系统,提出了一种基于不同控制类型的构网型换流器间协同限流控制方法。本文采用虚拟同步发电机控制单元替代传统的同步机,构建了包含一个虚拟同步机单元和两个下垂单元的电力电子化电网系统。所提方法解决了负荷大扰动情况下构网型换流器输出电流过大的问题,并避免了仅限制单端换流器出现的电压降低问题。该方法可在限流模式与正常工作模式间进行平滑切换,具有较好的实用性,为日后大量构网型换流器在电力系统中的安全运行提供了一种新思路。最后,通过硬件在环仿真实验平台验证了所提控制策略的有效性。(3)建立基于构网型控制的电力电子化电网系统的通用小信号模型。利用根轨迹分析下垂系数、虚拟惯性、阻尼系数、限流控制参数对系统稳定性的影响。揭示了控制参数对系统稳定性的影响规律,为参数选择提供了一定的理论依据,最后,通过MATLAB/Simulink仿真结果验证了小信号建模与分析的正确性。

关键词： 氮化镓   电力电子   高耐压   超晶格   高Al组分  

摘要： 以GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料因为其禁带宽度宽、临界击穿场强大、电子饱和速度快等优点在电力电子领域中表现出巨大潜力。电力电子器件始终以更高的击穿电压、更高的电流密度为发展目标,因此本文主要围绕提升GaN基电力电子器件的击穿电压为目标对器件结构进行了设计和优化。同时,器件走向商业化必须经过完备的可靠性测试,本文还对制备的器件进行了可靠性分析,为后续可靠性加固提供思路。本文的主要研究成果如下:(1)提出并实现了一种AlN/GaN超晶格沟道横向肖特基二极管。所制备的器件凹槽阳极刻蚀深度分别为150 nm和25 nm,分别对应刚好完全刻蚀超晶格沟道和保留1-2 nm AlGaN势垒层。其中刻蚀深度150 nm的器件,开启电压为0.81 V,在阴阳间距为25μm时,击穿电压达2.11 k V。当凹槽刻蚀深度为25 nm时,由于超晶格结构未破坏,其中的多层AlN结构有效阻挡缓冲层漏电,使得击穿曲线的漏电上升缓慢,击穿电压显著提高。阴阳间距5μm、10μm器件的击穿电压分别达1.93 k V和大于3 k V,功率品质因素分别达1.08 GW/cm和大于1.04 GW/cm,其中5μm器件的平均电场高达3.86 MV/cm,从实验结果证实AlN/GaN超晶格击穿场强明显高于GaN。此外,通过第一性原理计算了载流子在AlN/GaN纵向上的透射率随能量变化的关系,结果表明相同能量下载流子在AlN/GaN超晶格中透射难度远大于GaN,因此能够有效抑制泄漏电流。实验结果表明超晶格材料作为沟道在高耐压电力电子器件中有广泛前景。(2)对所制备的AlN/GaN超晶格沟道横向肖特基二极管进行可靠性分析,在施加了+10 V的开态应力1000 s后,正向电流从36.5 m A/mm降低到33.9 m A/mm,开启电压从1.03 V降低到0.99 V,总体上正向开态应力对正向特性的影响不大。施加+5 V开态应力1000 s后,由于此时的电流较小,类似于老炼实验,使器件更加稳定,因此反向漏电反而减小,然而在+10 V开态应力1000 s后,反向漏电增大约5个数量级,这是因为在较大电压应力作用下,肖特基严重退化,肖特基势垒高度降低,导致漏电增大,此外在大电压应力作用下,器件会产生新的损伤辅助电子隧穿,进一步增大了漏电。在关态应力实验中,在施加-100 V的关态应力1000 s后,正向电流从35.5m A/mm大幅退化至14.01 m A/mm,开启电压从1 V增加到1.48 V,而器件的反向漏电降低约一个数量级。在高温退化实验中,当温度从25℃升高到150℃时,器件的正向电流从94.45 m A/mm降低到62.95 m A/mm,开启电压几乎不变,反向漏电仅增大一个数量级,展现出AlN/GaN超晶格材料优异的高温稳定性,适合制备高温器件。(3)提出了一种增强型高反偏阻断肖特基漏AlN/AlGaN HEMT,通过采用超薄AlN势垒实现增强型,得到器件阈值电压为1.28 V。本文通过结合高Al组分AlGaN沟道和优化后场板结构来提高器件的反向阻断电压。在对电场分布的仿真中发现,漏端边缘的电场峰值大小与场板下方钝化层厚度有关,通过调节钝化层厚度至最优,使得漏端边缘的电场峰值和场板边缘电场峰值大小相等且等于材料的临界击穿场强,此时的电场分布最优,反向阻断电压最大。随着AlGaN沟道Al组分的升高,临界击穿场强也随之增大,相应的最优钝化层厚度也随之增加,当Al组分从0增加到0.5,最优钝化层厚度0.24μm增加到1.77μm,器件的反向阻断电压从-510 V大幅提升至-4500 V。沟道Al组分为0.5的器件,其平均电场强度为1.8 MV/cm,功率品质因素为1.171 GW/cm,展现出高Al组分AlGaN沟道器件在电力电子领域中的巨大优势。综上,本文对高耐压GaN基电力电子器件的结构设计和优化有较好的结果,展现了GaN基器件在电力电子领域的优势。

关键词： 电力电子变压器   改进PSO算法   有源阻尼补偿   优化控制策略   建模仿真  

摘要： 大力发展可再生能源是解决全球能源短缺的必然途径,分布式电源及交直流微电网是当今时代背景下可再生能源汇集利用的研究热点。交直流微电网为实现电能变换及电压等级的灵活转换,需要依赖于电力电子变换器,使得电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)应运而生。鉴此,本文对PET控制策略进行深入研究,以期为PET在微电网中的广泛应用奠定一定的理论基础。本文主要完成以下研究工作:1.对本文研究过程中三个关键性问题:电力电子变压器的控制策略、粒子群算法及级联系统稳定性相关研究现状进行归纳总结。2.选择AC/DC/AC型PET作为研究对象,对输入级、隔离级和输出级进行拓扑分析和数学建模,同时建立各级变换器的控制策略,其中输入级整流环节采用电压外环电流内环的双闭环控制策略,隔离级双有源全桥DC/DC变换器采用单移相控制策略,隔离级逆变环节采用基于虚拟同步发电机的控制策略。3.建立PET系统优化控制策略。鉴于控制策略的控制效果依赖于控制器参数的整定,且传统的控制器参数整定方法需要依据工程经验且耗时较长,本文提出了一种改进惯性权重粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)对控制器参数进行优化。首先对建立的改进PSO算法在参数优化过程中的有效性进行验证,然后将其引入PET各环节控制器参数优化中,同时为解决PET各级变换器运行时相互作用容易造成系统不稳定问题,在逆变环节控制策略中引入有源阻尼环节。综合上述设计,形成PET系统的优化控制策略。4.在MATLAB中搭建PET整机仿真模型,对PET整机系统进行感性负载仿真实验,为验证系统的抗扰性能,分别对输入电压扰动、负载扰动、无功功率扰动进行仿真分析。仿真结果表明:相比于采用传统方式整定控制器参数的PET系统,采用基于改进PSO优化控制算法的PET系统,在感性负载工况下,动态调整时间减小0.02s,网侧输出电压有效值提高3.46V,谐波畸变率降低1.49%。在输入电压发生扰动增大10%时,网侧输出电压突变量降低3.2%,稳态误差降低0.4V,在发生负载扰动时,能够保证输出电压稳定,同时输出电流最大稳态误差减小3.48A,在发生无功功率扰动时,确保输出电压稳定、最大输出电流波动减小14.62A,同时实现有功功率、无功功率、系统频率的迅速调整。