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关键词： 新能源-汽车-电力电子技术  

ISBN: (纸本)9787111696254

摘要： 新能源汽车具有良好的环保性能和可以多种能源为动力的特点，既可以保护环境，又可以缓解能源短缺和调整能源结构，保障能源供应安全。

关键词： 配电网   中压大功率调压   无功补偿   功率振荡抑制  

摘要： 分布式电源、电动汽车和大功率电机直接起动等带来的功率波动给配电网电压控制带来了诸多挑战，随着功率半导体技术的发展，基于电力电子的中压大功率调压技术研究对抑制配电网电压波动有重要意义。配电网电压调节控制一方面源于电源侧有载调压性能的提高及无功补偿技术的发展;另一方面依赖负荷主动调压技术的提高。因此，本文基于电力电子器件、电路和控制方法分别对配电网电源侧调压和负荷主动调压展开研究，具体包括在对电源侧基于复合开关级联H桥结构的模块化无弧有载调压拓扑及其控制进行研究的基础上，进一步对负荷主动调压抑制配电网电压波动如基于串联晶闸管阀组相控调压的中压大功率电机软起动性能进行优化并对调压引起的潜在的功率振荡抑制问题展开研究。　　首先，本文分析了常见的有载调压拓扑中机械式有载分接开关存在的固有不足，指出采用直接替代型拓扑结构不能满足中压大功率调压需求。针对该问题，提出采用复合开关和级联H桥结构作为新型有载分接开关的设计，并结合调压绕组编码策略以最少的调压绕组实现最多的调压状态。采用所提出的设计方法及控制策略可实现宽幅无弧调压，并将调压响应时间由100ms以上缩短到10ms以下，提升了配电网电源侧有载调压能力。　　其次，针对中压大功率电机负荷直接起动时冲击电流引起的功率振荡可能导致配电网电压骤降的问题，提出一种基于三路触发控制的电机相控主动调压软起动方式，并建立了该系统的小信号模型，同时分析了适用于不同软起动场景的两种控制策略，表明电机负荷主动调压软起动策略可降低电机的起动瞬时功率进而降低配电网电压的波动率。　　再次，电机在主动调压软起动至接近额定转速时存在输入功率振荡的风险，该振荡将削弱软起动策略降低配电网电压波动率的效果。为此，本文进一步分析了电机调压软起动系统的振荡机理，采用主动调压策略根据不同使用场景提出了一种基于转速估计的快速软起动振荡抑制方法和分段控制振荡抑制方法。采用所提振荡抑制方法可避免输出电压调节造成的电机振荡问题，进一步避免电机起动时功率振荡对配电网电压稳定性的影响。　　最后，通过仿真验证了模块化无弧中压大功率有载调压拓扑及其控制策略的有效性，并通过仿真和实验验证了中压大功率电机调压软起动及其主动调压振荡抑制策略的有效性，并基于简化的配电网等值电路通过仿真分析了模块化无弧有载调压技术和电机调压软起动及振荡抑制策略在配电网电压稳定控制中的重要性。

关键词： 级联型变换器   容错运行   可靠性评估   故障树   Markov  

摘要： 贯通式牵引供电系统运行的安全性和可靠性是影响其推广应用的关键因素,而电力电子变换器作为新系统中最为关键的装置,其可靠性研究尤为重要。同时,由于电力电子变换器具备故障容错特性,其可靠性评估并不能采用传统可靠性模型进行单一评估,必须考虑包含其正常运行、故障容错后多重运行状态的情况。因此,建立恰当的可靠性模型,研究电力电子变换器可靠性评估方法,对贯通式牵引供电系统而言具备重要意义。本文首先介绍了贯通式牵引变电所的组成结构,以H桥级联型变换器(Cascaded H-Bridge Converter,CHBC)和三电平中性点钳位级联型变换器(Three Level Neutral Point Clamped Cascaded Converter,3LNPC-CC)为研究对象,分析了三相-单相级联型变换器的控制与调制策略。基于应用背景研究了变换器的容错运行方案,以及变换器容许故障模块数算法,结合仿真进行了实例分析,验证了方案和算法的正确性和有效性。其次,本文考虑了变换器“正常、存活和失效”的运行状态,并从“器件级-模块级-系统级”三个层面进行了建模。在器件级层面,研究了IGBT、二极管、电容和电感的失效率模型,分析了SPWM调制方法下H桥与3LNPC变换器中功率开关器件的工作损耗,建立了功率开关器件结温预测模型;在模块级层面,针对变换器的可靠性组成特点和工作特性,基于故障树分析法(Fault Tree Analysis,FTA)建立了变换器单模块的可靠性模型;在系统级层面,由于变换器的工作状态可分为正常、存活和失效3种状态,本文基于Markov理论建立了变换器系统级可靠性模型,并研究了状态间状态转移概率的计算方法。为满足新系统工程应用所需的高可靠性设计需求,进一步研究了变换器可靠性优化方法,从器件级和模块级两个层面进行了冗余设计。最后,综合上述研究,本文提出了一种级联型变换器可靠性评估方法,并分别对CHBC和3LNPC-CC进行了可靠性评估,进而对这两种拓扑结构变换器的可靠性进行了对比和优化分析。综合考虑系统可靠性需要、空间利用率及控制器适配情况,给出了在容量设计为20MVA时,贯通式牵引变电所电力电子变换器的拓扑选择建议方案。

关键词： 分布式电源   级联DC-DC变换器   逆变器   稳定性   建模   分岔与混沌  

摘要： “碳达峰、碳中和”目标的完成,需要大规模风电、光伏发电等分布式能源运用高比例电力电子变换器进行电能处理,实现高可靠并网。可见,电力电子变换器是分布式能源系统的核心,其可靠稳定运行影响着电网的安全。但是,级联DC-DC变换器和逆变器等关键电力电子变换器在运行过程中存在多个运行周期,致使应用于单个运行周期的离散映射等精确建模方法无法分析此类系统,造成电力电子多周期运行的设备出现无法厘清的非线性行为,严重影响着电力电子系统的稳定运行。为此,本文将针对级联DC-DC变换器及逆变器等电力电子多周期系统进行建模研究,并分析其非线性动力学行为。本文的主要研究内容归纳如下:(1)首先,根据级联DC-DC变换器、逆变器和整流器的共同点,提出电力电子多周期系统的概念,并给出了此类系统一些代表性拓扑,剖析了此类多周期系统建模和稳定性分析的难点;(2)其次,针对级联DC-DC变换器,提出了一种简化级联系统的建模方法,精确建立了不同控制周期下级联DC-DC变换器的模型,并提出了适用于级联DC-DC系统的稳定性分析方法;以峰值电流控制的级联Boost变换器为例,介绍了新的建模及稳定性分析方法,并通过实验验证了理论分析的正确性;(3)然后,在考虑控制延时等非理想因素的基础上,建立了电压单环控制单相全桥逆变器的状态空间平均模型,通过波德图及极点分析法研究了由非理想因素引起的Hopf分岔,并通过实验验证了理论分析的正确性;(4)最后,利用状态空间平均模型和菲利波夫方法对工程上常用的双闭环PI控制单相全桥逆变器进行了建模和理论分析,揭示了其慢时标失稳和快时标失稳的机理与来源;将无源阻尼法和正弦波补偿技术引入到了逆变器之中,以抑制系统的Hopf分岔与倍周期分岔,并通过实验验证了理论分析的正确性。

关键词： 纹波电流   有源纹波抑制电路   无源纹波补偿电路   对比研究  

摘要： 近年来,随着电力电子电路高频化和小型化的发展趋势,开关速度提高,PCB布局更加紧凑,开关动作容易产生高的du/dt和di/dt,它表现为纹波电流,并引发降低电路瞬态响应、干扰电子设备工作、削弱电能质量等诸多问题,因此对纹波电流抑制技术的研究成了一大热点。目前抑制纹波电流的技术主要分为有源和无源两种。其中,有源技术因具有体积小和能够动态调整抑制能力的优点而受到关注,但由于有源器件的通频带窄、信号相移、稳定性不高等问题而导致抑制能力有限,仅可应用抑制幅值较小的纹波电流;无源技术虽然成本低、设计简单,但其抑制能力易受到磁性器件耦合系数的制约,且损耗较大。就这些问题,本文针对传统的Buck、Boost、Flyback变换器输入侧的纹波电流,提出了新颖的有源和无源技术,并作了详细的研究探讨与对比分析。首先,本文以Buck变换器输入侧的断续梯形波型纹波电流为问题导向,提出了一种可控功率管滤波的有源纹波电流抑制技术,它主要利用功率管和电容构成有源纹波抑制电路,并通过所提反馈双环控制方式同步控制开关管和功率管,在保证变换器正常工作的同时将功率管控制成恒流源,实现了纹波电流的抑制。其后文章分析了工作原理与控制方案,给出了电路各部分的详细设计方法,进行了实验验证,并与LC滤波技术作了简单对比。实验结果证明该技术其具有易于集成、稳定性良好的特点,与LC滤波技术相比,效率略低但在空间体积上具有绝对优势。此外,与基于反向消除的有源技术不同,该有源技术主要利用功率管的恒流特性实现抑制功能,不存在频带窄、补偿信号相移等问题,而且合理地选取功率管能够使其适用于大幅值纹波电流的抑制,大大拓宽了应用范围。其次,本文以Boost变换器输入侧的连续三角波型纹波电流为问题导向,提出了一种电流补偿式无源纹波电流抑制技术,主要利用变压器和隔直电容组成无源纹波补偿电路,在所设计的纹波抑制条件下,能够产生相反的纹波补偿电流,与连续三角波型纹波电流抵消,大大降低了输入侧的干扰。而后文章分析了其工作原理,采用时域分析法得到了系统增益和纹波电流抑制条件,并将其与实现相同纹波系数下的Boost变换器升压电感作理论分析比较,以从体积与损耗两方面说明了无源纹波补偿电路的可行性。最后,实验结果证明其不仅较好得抑制了输入侧的纹波,而且大大降低了主电路的电感体积,具有损耗小、设计简单、稳定性良好的特点。此外,对应用该技术的Boost PFC变换器进行了仿真。所有结果表明,电流补偿式无源纹波电流抑制技术的抑制能力不受变压器耦合系数的制约,解决了一般无源技术的通病,且不影响Boost变换器工作状态及增益。最后,本文以传统Flyback变换器输入侧的断续梯形型纹波电流为问题导向,在对无源纹波补偿电路改进的基础上,从抑制能力、功率损耗、功率密度、成本及适用性等方面对所提出的有源与无源技术进行了详细地对比研究。实验结果表明可控功率管的有源纹波电流抑制技术在功率密度、适用范围上占绝对优势;电流补偿式无源纹波电流抑制技术在成本上占绝对优势,在抑制能力上具有相对优势,且能够抑制开关电压尖峰,系统效率更高。这给其他电力电子电路中纹波电流的抑制方案设计提供了重要参考。

关键词： 级联型电力电子变压器   双闭环控制策略   二维调制策略   单移相控制   SVPWM输出变频  

摘要： 清洁能源地位在世界范围内不断提升,使得电网逐渐向安全可控、广泛互联、智能互动方向发展。变压器是电网中变压、变频的核心装备,近年来电力电子变压器获得了广泛的关注。为了适应工程中的高压大功率场景,级联型电力电子变压器的拓扑结构开始的得到各学者专家的研究。本文以单相两单元级联型电力电子变压器为研究对象,对输入模块、中间模块、输出模块分别进行研究,研究输入级各单元模块之间电容电压不平衡,研究中间级能量双向流动,研究输出级的变频调速等问题,具体工作总结如下:本文对级联型电力电子变压器输入级的要求是:电容电压能快速平衡且鲁棒性强。本文通过SOGI法构建出整流级的数学模型,在此模型上采用电压电流双闭环控制策略,具体表现为:电压外环采用PI控制,电流内环在PI控制的基础上消除电感参数对系统的影响再进行解耦控制。二维调制与载波移相的结合使得输入级电压平衡速率进一步加快。对输入级进行Matlab/Simulink仿真,仿真结果表明输入级采用的控制策略与调制策略使输入级实现电压平衡,使系统动态性能较好,鲁棒性较强。本文对级联型电力电子变压器中间级的要求是:实现能量双向流动。由于输入级已经完成了直流侧各模块单元的电压平衡,在中间级实现单移相控制,即可在变压器实现电气隔离的同时满足能量双向流动的要求。对本文中间级进行Matlab/Simulink仿真,其结果表明本文采用的控制策略对于实现能量双向流动的要求具有可行性。本文对级联型电力电子变压器输出级的要求是:实现变频功能。输出级对比SPWM算法与SVPWM算法的优劣后采用SVPWM算法进行变频调速,在Matlab/Simulink中对SVPWM算法的变频效果进行了仿真验证,结果表明SVPWM算法在本文电力电子变压器的输出级中完成了变频控制且输出波形相位对称、正弦度良好。最后,搭建了模块化输入串联型电力电子变压器的小功率实验平台,设计了相应的软硬件控制系统,验证了本文各级所采用的控制策略、调制策略以及算法在小功率平台的可行性。

摘要： 课程思政是近年来教育部推进立德树人、实现全方位育才育人的根本遵循，电气工程及其自动化专业作为传统工科专业，更是有必要加大力气进行课程思政建设。电力电子技术是电气工程及其自动化专业一门重要的专业基础课程，针对课程授课周期长，课程思政融入效果检验难的问题，引入Netlogo多主体软件仿真平台，分析和挖掘课程思政影响因素，提出教学建议，从而实现有限课时下的课程思政教学效果显现。

关键词： 新能源分布式发电   电力电子变压器   振动   模态   DAB变换器  

摘要： 为了应对能源短缺和化石燃料带来的高污染等系列社会问题,风能、光伏等新能源分布式发电系统的电能产量在电力系统中占比逐年增加。在新能源直流系统电能传输中,电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)是关键的电能变换枢纽性部件之一。随着新能源输电系统容量的提高,变压器在工作过程中产生的振动问题不容小视,其振动和噪声问题会对变换器系统的可靠性运行带来威胁。本文从振动机理、模态、电路激励等角度,对PET的振动进行了相关探究。 首先,本文介绍了PET振动产生的机理,对导致变压器本体振动的三种电磁力进行了理论推导,分析了PET振动的传导路径和特性。同时,对变压器模态理论进行了介绍,并以两种不同形状的铁芯为例,分别在ANSYS Workbench中建立了三维有限元仿真模型,计算了各阶次的固有特征频率和模态振型,并通过力锤模态测试对仿真结果进行了验证。 其次,针对PET本体和电路激励两大类影响振动的主要因素,本文做了一些探索性工作。在PET本体方面,针对不同材质与形状的变压器,在相同电路激励下进行了振动试验分析;并针对变压器浸油工艺影响因素,对PET振动特性进行了分析。在电路激励方面,以双有源桥(Dual Active Bridge,DAB)三种不同移相控制方式为例,进行了不同移相角度设置下的振动试验。同时,评价了随机脉冲宽度调制(Random Pulse Width Modulation,RPWM)和均匀分布脉冲宽度调制(Uniform Distribution Pulse Width Modulation,UDPWM)等扩频PWM调制策略下PET的振动情况。此外,基于COMSOL多物理场有限元仿真工具,分别建立了铁氧体环形和EE形两种高频变压器的有限元模型,计算了铁芯空载下的电磁分布、振动加速度时域和频谱分布。 最后,针对PET典型的工作拓扑DAB变换器在不同开关频率和移相方式下的激励特性,从外部激励调控的角度,对PET的振动特性进行了试验与分析。同时,基于导致变压器振动的三种电磁力理论,建立了各开关倍频次下铁芯振动加速度与激励电压和电流谐波之间的数值定量拟合预测关系,并分别进行了试验验证,拟合计算值与振动实测值两者误差基本均在10%以内,相关探究对PET振动特性研究与预测具有一定参考意义。

关键词： 电力电子变换   多脉波整流器   三电平逆变器   短路故障   过流保护   冗余保护  

摘要： 随着中国“双碳”减排政策的实施,在新型电力系统重大变革的历史背景下,电力电子技术作为对电能进行控制和变换的先进技术,得到了飞速发展并取得了显著成果。其中并网运行的电力电子变换系统以其能够实现对电能精准、快速的变换功能,且具备输出谐波含量低、输出电压波形好等优点,在高压大功率领域得到广泛应用。然而,受并网运行环境复杂、功率变换器件多、拓扑连接复杂、负载扰动大等因素的影响,其可靠性也随之降低,任意功率开关器件、变压器、母线等电气设备出现运行故障,均会对系统正常工况造成不同程度的影响,产生故障穿越,甚至系统崩溃等。针对以上问题,本文围绕大功率电力电子变换系统的故障分析和保护策略两个层面开展研究,具体内容如下:首先,本文从电力系统的技术前沿出发,概述电力电子变换技术的发展、故障分析方法与保护技术的研究现状;并鉴于应用广泛、变流性能优越、故障特征具有代表性等因素,设计以中点钳位三电平逆变器为输出端,不控二极管整流为前端组成的三电平交-直-交变换拓扑结构;再从对扰动信号的抑制性出发,提出电压外环和电容电流内环的双闭环控制结构,并建立了同步坐标系下采用PI调节器的三电平逆变系统数学模型,实现变换系统输出电压的稳定控制。然后,分别从直流侧、交流侧和变流器故障三个部分出发,进行故障及保护区域划分,针对系统的直流母线、交流线路、变压器及功率开关器件等电气设备的短路及开路故障,提出基于微分方程暂态建模的直流母线故障分析方法、基于电流流通路径的IGBT开路及短路故障分析方法和基于仿真建模对比的故障分析方法;针对多个整流二极管及逆变IGBT的故障诊断,提出基于电流峰值的二极管短路诊断方法,以及基于缺失电平的IGBT的故障诊断方法。最后,通过构建故障信号模型,采用全波傅里叶算法和对称分量法保护算法,实现对故障分量的提取;针对直流母线、变压器、逆变输出线路、整流二极管以及逆变IGBT五个保护区域,创新性地提出基于序分量的复合电压过流保护、基于载波空间层叠调制的NPCSM冗余保护等多种优化保护方法,实现故障诊断及保护配合,并通过Matlab/Simulink仿真建模及试验验证了保护策略的正确性。