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关键词： 电力电子牵引变压器   级联H桥整流器   双有源全桥DC-DC变换器   级联延时信号消除算法   电压平衡   电流应力   功率均衡  

摘要： 随着我国高速动车组列车大范围的投入运行,机车车辆的运行性能与环境保护、能源消耗之间的矛盾日益显现。电力电子牵引变压器（Power Electronic Traction Transformer,PETT）具有高变换效率、高功率密度以及良好的控制性能,符合我国铁路牵引供电系统中新一代高效能牵引部件的发展方向,研究意义重大。本文以级联H桥型PETT（Cascaded H-Bridge Type PETT,CHB-PETT）为研究对象,通过理论分析、数学建模和仿真验证结合的方法,对CHB-PETT的整流级级联H桥整流器和隔离级双有源全桥DC-DC变换器的控制方法进行研究,主要包含以下几个方面:对于整流级级联H桥整流器系统级控制,提出一种无需电感参数和系统角频率的新型直接功率解耦控制器。首先,利用级联延时信号消除算法（Cascaded Delayed Signal Cancellation,CDSC）提取基波正序分量,消除谐波信号的干扰。其次,建立了αβ坐标系下级联H桥整流器的功率数学模型,利用合成矢量方法设计了无需电感参数和系统角频率的功率解耦控制器。对于级联H桥整流器各模块间的电容电压平衡问题,采用一种基于平均电压法的电压平衡控制方法。最后,通过搭建仿真模型进行对比验证。对于隔离级双有源全桥DC-DC变换器的电流应力优化问题,提出一种基于拉格朗日乘子法和KKT（Karush Kuhn Tucker）条件相结合的双重目标优化控制算法。首先,介绍了几种移相控制方法,针对三重移相控制下变换器的电流应力问题,在全功率范围内不同工作模式下结合软开关条件,采用拉格朗日乘子法和KKT条件进行电流应力优化,得到了各模式下的移相比最优组合。最后,通过搭建仿真模型进行对比验证。对于级联型电力电子牵引变压器的功率均衡问题,提出一种基于PWM电压信号反馈的功率均衡控制方法。首先,分析了功率不均衡产生的原因,在DAB共同移相角的基础上,引入整流级α轴调节因子dαi对各模块移相角进行微调,实现功率的均衡控制。最后,通过搭建仿真模型进行对比验证。最后,在CHB-PET整体拓扑结构的基础上,搭建了整体协同控制的电力电子牵引变压器仿真模型,对负载突变和网侧电压波动两种工况下进行仿真分析验证。

关键词： 非隔离型   超调量设计   状态超调量   直流变换器   整流器  

摘要： 电力电子变换器由于结构简单、成本低、可靠性高等优点被广泛应用于工业生产和日常生活中,超调量是电力电子变换器的一个重要动态指标,过大的超调量不仅影响系统性能还可能损坏电路器件,造成开关设备故障,威胁系统安全运行。因此电力电子变换器的超调量设计问题是当前的热点问题。工程中尝试用手动调节的方式依靠经验调节系统参数使得超调量满足设计要求,时间成本较大。经典控制理论给出二阶系统超调量的表达式,对于系统的超调量设计给出了一个量化的超调量指标,但不适用于所有高阶系统;频域的bode图方法只能提供超调量的变化趋势,无法在理论阶段判断是否满足超调量的定量设计要求。所以本文基于状态超调量对应用范围较广的非隔离型电力电子变换器进行超调量定量设计,寻求适用于高阶的电力电子系统的超调量定量设计方法。本文首次将状态超调量应用于非隔离型电力电子变换器的超调量设计,推导出适用于电力电子变换器的状态超调量公式。基于状态超调量对非隔离型的直流变换器进行超调量设计,以单级buck变换器、单级boost变换器和两级级联buck变换器为例,分别建立其时域模型并基于状态超调量设计得到了满足输出电压超调量定量设计要求的控制参数范围。最后通过电路仿真和搭建非隔离型直流变换器的超调量实验平台,验证所提出的超调量设计方法的可行性与准确性。在此基础上,基于状态超调量对非隔离型整流器的超调量进行设计。以单相整流器为例,基于谐波平衡法建立了单相整流器的时域模型,进而基于状态超调量得到了满足输出电压超调量量化设计要求的控制参数范围,搭建了仿真和实验平台对理论结果进行了验证。最后将提出的方法应用于三相整流器的输出电压超调量设计,利用仿真结果验证了基于状态超调量的超调量设计方法的准确性。

关键词： 矿热炉   电弧炉   直流电源   组态软件   比较  

摘要： 近年来,比传统方式更为节能减耗且能创造出更大的效益直流供电技术已取得重大突破,因此直流供电已逐渐成为电弧炉和矿热炉供电的主要发展趋势。随着直流电源的结构日渐复杂,电力电子器件数目日渐增多,监控系统成为保障供电设备安全可靠运行设计的必要部分。目前,供电设备的监控通常是使用组态软件实现的,但组态软件种类繁多,究竟哪种更适合用于大功率电源的监控至今国内还少有研究。本论文以某1T电弧炉直流电源和某33000kVA矿热炉直流电源为实验设备,选择了WinCC、组态王和力控三种软件,通过组态的方式分别对这两个结构不同、复杂程度不同的直流电源进行监控,从而对三种软件进行比较并得出结论。首先,根据电弧炉与矿热炉的客户要求设计出合理的整流方案:电弧炉直流供电设备仅一套,只有一个整流柜,使用了以晶闸管作为主整流元器件、以双反星型结构作为主电路的整流方案;而矿热炉供电设备则共有三套,每套两柜共六台整流柜,使用了以晶闸管作为主整流元器件、以三相桥式同相逆并联结构作为主电路的整流方案。其次,通过组态软件与PLC结合的监控方法,完成对整流设备的远程监控和现场监控。以安装了组态软件的工业计算机作为上位机,以西门子公司的S7-200 SMART PLC作为下位机对电弧炉直流电源和矿热炉直流电源进行监控,完成了通过一台上位机分别对一套和三套整流设备的监控,从而实现整流设备重要数据和设备运行状况的实时显示、故障的检测报警以及重要参数的汇总存储功能。最后,分别从软件自身性质、学习难易程度、使用过程和维护方便性几个方面来比较这三种软件的优缺点,得出了 WinCC软件更适合用于大功率电力电子变流设备监控工作的结论。本文中监控系统以组态软件和PLC配合使用作为整流设备的远程监控部分,触摸屏和PLC配合作为整流设备的现场监控部分,三种组态软件均可达到及时准确的监控要求。该研究旨在于组态软件的比较研究方面作出一点推进,为变流设备监控系统的软件选择提供一种思路。

关键词： 电力电子变压器   模块化多电平变流器   无差拍电流预测控制   DABSRC变换器   频域分析  

摘要： 作为一种将传统变压器以及电力电子技术等融合于一体的新型电力设备,电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)具有占地面积小、高度可控、效率和功率因数更高等特点。基于此,PET在智能电网、新能源发电、电力牵引等领域极具吸引力。为了改善PET整流级模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的稳定性并实现环流抑制以及隔离级DC-DC变换器的软开关运行和输出电压的稳定性,本文以PET整流级与隔离级为研究对象,对MMC变流器的控制策略以及双有源桥DC-DC变换器(Dual Active Bridge,DAB)的拓扑结构、运行特性等进行研究。首先,介绍电力电子变压器、MMC子模块及三相MMC的工作原理,建立MMC的数学模型,给出MMC交流电流及内部不平衡电流的动态方程,并对几种常见的调制策略进行阐述。其次,为改善MMC变流器的稳定性并实现环流抑制,研究基于交流电流及内部不平衡电流双目标调节的无差拍电流预测控制策略,在提高稳定性的同时实现环流抑制。针对实际应用中的时延问题进行理论分析并给出优化措施。再次,为保证PET隔离级的软开关运行,优化DAB变换器的拓扑结构,引入串联谐振环节,构成双有源桥串联谐振变换器(Dual Active Bridge Series Resonant Converter,DABSRC)。给出DABSRC的频域模型,分析其运行特性,根据运行特性给出相关参数的合理取值,实现软开关运行。同时,为了改善DABSRC的输出电压稳定性,搭建小信号模型,建立输出电压的闭环控制器以提高变换器的稳定性。最后,根据本文的理论分析,在Matlab/Simulink环境中对基于无差拍控制策略的MMC变流器、基于闭环控制的DABSRC变换器、MMC型电力电子变压器进行建模,完成PET整流级、隔离级与系统整体的仿真分析。仿真结果表明,MMC的稳态和动态性能显著提高且达到环流抑制和均压的目的;基于频域分析的设计方法可以确保DABSRC在不同工况下实现软开关,闭环控制可以显著提高变换器的稳定性;PET可以实现隔离电压及降压、单位功率因数的目标,并且具有较好的运行性能。

关键词： 电力电子变换器   频率耦合效应   广义谐波线性化   高精度模型   频率耦合抑制控制  

摘要： 电力电子变换器是一类典型的开关切换系统,呈现明显的非线性和周期性特点。然而现有大部分关于电力电子变换器建模方法是基于线性时不变理论,相应模型忽略了周期动态引入的频率耦合效应,无法准确地表征系统的动力学行为。特别是在控制带宽与开关频率之比较高的电力电子系统中,频率耦合效应对系统动态影响显著,导致经典模型和实际模型之间的偏差明显。模型精度不足不仅难以获得期望的高动态响应,而且无法解释某些振荡失稳的成因,对相关电能系统的安全构成隐患。本文围绕考虑频率耦合效应的电力电子变换器建模与控制,提出面向非线性周期系统实用、精确的小信号建模方法,并解决由此带来的控制器设计和系统测量评估问题,最终实现电力电子变换器高性能、高可靠性运行。本文主要内容包括:(1)提出了一种面向非线性周期系统的简单通用的广义传递函数模型快速成型方法—广义谐波线性化,为精确稳定性分析奠定模型基础。基于拉普拉斯变换位移定理和频移运算,将传统狭义线性化建模拓展为广义线性化建模,填补了二者之间的沟壑。该建模方法只需单独对局部非线性周期环节进行处理,并且建模过程无需卷积运算和高维矩阵运算,降低了建模复杂度。(2)建立了数字控制DC-DC变换器的准确连续时间模型,揭示了扰动注入点位置对环路增益测量结果的影响机理,并给出了正确测量条件。该模型考虑了由脉宽调制器和采样保持器引入的全部频率耦合分量,因此是全频域准确的。通过推导两个无穷级数和恒等式,简化了模型中存在的无穷频率耦合项。最后,以数字控制Buck变换器为例验证了上述推导和分析的准确性。(3)提出了递归单输入单输出阻抗建模方法,建立了单相AC-DC变换器的扩展频率小信号模型,揭示了变换器阻抗与电网阻抗的耦合机理,明确了其测量不能独立于电网阻抗。基于数学归纳法的思想,建立了不同频率耦合分量之间的递归映射关系,从而所建模型能够简单地扩展至包含任意阶频率耦合分量。该模型具有准确、紧凑与计算量小等优点。(4)提出了对称和非对称电网条件下的统一单输入单输出环路增益建模方法,建立了三相DC-AC变换器的扩展频率小信号模型,指出可以直接通过现成的单输入单输出测量设备提取三相系统的稳定裕度信息,简化了测量评估方式。推导了所建模型与现有主流模型之间的变换关系,揭示了不同模型在宏观上的统一性。同时,解释了平衡电网条件下存在的频率耦合对消现象。(5)针对弱电网下频率耦合导致系统失稳问题,提出了一种基于电流给定修正的抑制频率耦合影响的控制方案,消除了单相DC-AC变换器中的频率耦合动态。基于该控制方案,单相DC-AC变换器可以直接建模为单输入单输出导纳模型而无需截断,保证了模型精度。通过子系统独立分析定位弱电网下造成系统失稳的主导因素,提出了一种简单有效的阻抗塑形策略,改善了锁相环造成的低稳定裕度问题。最后,对全文工作进行了总结,并对将来围绕考虑频率耦合效应的电力电子变换器建模与控制研究方向进行了展望。图106幅,表9个,参考文献137篇

关键词： 电力电子变压器   双有源桥   故障穿越   故障定位  

摘要： 近年来,光伏、储能等新能源电源的装机占比逐年提升,直流负荷的需求也日益增加,直流配电网受到了广泛关注。电力电子变压器具有高功率密度、多电压端口、电气隔离、控制策略灵活等特性,成为了直流配电网的核心组成部分,用于友好消纳分布式光伏等新能源电源,向直流负荷供给电能。受环境和现有技术限制,光伏等新能源电源的输出功率存在随机性和间歇性,直流配电网需配置一定容量的储能设备保证电能质量。当直流线路发生故障时,故障电流骤升,将会对直流配电网的电力电子设备造成危害,不利于系统安全稳定运行,因此亟需研究含电力电子变压器的直流配电网的故障穿越方案和快速故障定位方法。本文以含电力电子变压器的直流配电网为研究对象,围绕故障穿越和故障定位问题展开了研究,具体研究工作和创新点如下:(1)搭建含电力电子变压器的直流配电网稳态模型。建立了较为准确的光伏电源模型和储能模块模型,选取合适的并网换流器拓扑;建立了电力电子变压器的数学模型,设计电力电子变压器各级换流器的控制策略;最后通过PSCAD/EMTDC仿真验证系统的电能质量。(2)面向含电力电子变压器的直流配电网双极短路的故障场景,针对直流故障后因电流骤升导致的双有源桥及其他换流器过流闭锁的问题,从优化拓扑和改进控制策略两方面入手,提出了双极短路故障下的故障穿越方案。该方案提高了故障期间电力电子变压器的可控性,限制了电力电子变压器内部和出口的电流幅值,减少了直流配电网中直流断路器的投入,同时提升了直流配电网的经济性和故障穿越能力。(3)基于上述故障穿越方案,直流配电网的故障特性有所改变。对于采用主动控制故障电流策略下的直流配电网,计及直流配电网分支线众多和潮流方向多变的特性,本文提出两种直流故障定位方案—一基于Teager算子的故障定位方案和基于Pearson相关系数的故障定位方案。两种方案均可以快速有效识别故障线路,不需要额外配置边界原件,具备一定的耐受过渡电阻能力,不受系统运行方式的影响,具有工程应用价值。

关键词： 末端用户   电能质量   混合电力电子变压器   拓扑结构   电压补偿   协调控制策略  

摘要： 中低压配电网中的电能质量问题与用户侧用电体验密切相关。我国农村、山区等偏远地区多处于配电网末端,由于供电半径长、涉及范围广、网架结构不合理等因素导致线路末端经常出现低电压问题。随着农村地区光伏、小水电等新能源发电渗透率逐渐升高,光伏发电出力特性与末端用户用电特性的不匹配又使得配网末端潮流倒送频发,过电压问题时常发生,严重影响用电安全。混合电力电子变压器（Hybrid Power Electronic Transformer,HPET）是结合传统变压器和电力电子变压器（Power Electronic Transformer,PET）优点的新型电力电子装置,提供各种交直流接口实现分布式电源、储能和交直流负荷的集中接入,通过装备内部控制实现光伏发电特性与负荷用电特性的有效匹配,以及配网末端潮流的合理调控和末端用户电能质量的可靠保障,且换流器等电力电子设备均配置在低压系统,设备成本低,技术成熟度高,具有良好的应用前景。本文通过对末端用户的用电特性及需求分析,提出适用于末端用户的混合电力电子变压器拓扑结构,在此基础上提出其底层控制策略及考虑末端用户电压补偿时的上层功率协调控制策略。具体研究内容如下:首先,根据配电网末端用户用电特性与光伏发电出力特性之间存在不匹配的现象,结合混合电力电子变压器拓扑特性,认为应用于配电网末端的混合电力电子变压器应同时具有消纳光伏、接入储能以及治理电压的功能,在串并联型混合电力电子变压器的基础上提出了基于逆变器有功、无功控制与串联变压器补偿电压控制相结合的拓扑结构,并从实际运行角度给出了电路元件参数设计方法。其次,根据坐标系变换及小信号模型分析方法,建立了三相变流器及双向DC/DC变换器的数学模型,在此基础上分别得到其基本的电压、电流双闭环控制策略。结合光伏、储能及串联变压器各自的特点,得到适用于所提出混合电力电子变压器各部分的底层控制方法。最后,从简单线路的功率流动对线路电压降落影响的分析入手,将其扩展至混合电力电子变压器参与运行的情况,得到有功、无功功率与光伏并网点电压的数学关系,在MATLAB中绘制了其函数曲线,并分析其函数关系走势,基于此提出有功—无功一串联补偿联合调压的混合电力电子变压器协调控制策略,并在PLECS仿真软件中搭建了仿真模型,证明了其准确性和有效性。

关键词： 电力电子变压器   多物理场计算   温升建模   绝缘优化   暂态热路模型  

摘要： 随着我国科技的发展,人们的出行方式发生重大的变化,高铁动车已逐渐成为我们日常必不可少的交通工具,为进一步提高高铁动车的速度及载客量,亟需进一步减少高铁动车的重量,其中,变压器作为高铁动车必不可少的电气设备之一,其重量和体积需进一步减小。电力电子变压器因其具有体积小、重量轻的特点,被广泛应用到高铁动车之中。然而,电力电子变压器在具有优势的同时,也带来了一些缺点。由于其体积小,导致变压器内部产热集中且散热困难,并且绕组与铁芯之间的结构紧凑,电场强度较高。此种情况下,变压器的绝缘受到高温及电场的共同作用下,可能出现绝缘损坏的现象,所以对电力电子变压器进行温升建模及绝缘优化研究很有必要。本文通过对不同结构电力电子变压器的漏感及损耗进行分析,获得电力电子变压器的最优结构,并对此种结构下的电力电子变压器进行瞬态电磁场仿真计算,分析其在不同激励下的磁通密度分布及铁芯损耗分布,并进一步计算出,电力电子变压器工作在方波激励下的铁芯损耗及绕组损耗,以此作为后续电磁场-温度场-流场多物理场耦合计算中的载荷。着重对一台壳式空心绕组油浸式电力电子变压器的温度场进行计算,分析了其内部的温度分布及流场分布情况,并对不同油泵流速、不同去离子水流速及不同出油口下的温度场及流场进行了比较。最后,采用热电类比原理,对壳式空心交错绕组油浸式电力电子变压器内部不同结构分别构建出对应的暂态热路结构,并进一步构建出变压器整体暂态热路模型。对变压器暂态热路模型中的热参数,本文采用结合变压器电磁场及稳态温度场计算的结果对热参数进行精确计算,从而构建出精细化暂态热路模型。进一步,对已有暂态热路模型采用REI等值法,即辐射状等值独立电源法,对其进行优化变换,使其能够在使用变压器绕组整体损耗及铁芯整体损耗的同时,快速计算出变压器内部各点的温度变化。REI等值法优化后的暂态热路模型兼具了稳态温度场计算的准确性和热路模型计算的快速性,并且通过整体导入绕组损耗及铁芯损耗使其更加贴合电力电子变压器实际工作状态。

关键词： 电磁暂态仿真   电力电子变压器   指数积分恒导纳   半隐式延迟解耦   并行仿真  

摘要： 随着电力系统的日益电力电子化,电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)成为新能源并网和直流电网中实现电压等级变换及功率路由的一种重要设备。PET常以双有源桥(Dual Active Bridge,DAB)为中间级,可以实现功率大小和方向的灵活调控。DAB外接级联H桥(Cascaded H-Bridge)后,外部端口电路通过不同模块间的串并联组合可构成多种类型的PET。PET电磁暂态仿真面临以下几个方面的挑战:PET功率模块结构复杂;PET功率模块之间连接方式多样;PET内部节点数量多,节点导纳矩阵阶数高;PET动作频率通常在1～20kHz,为了确保PET移相控制和功率调节的精度,需要将仿真步长降低到1～10μs。总结为PET模块众多、拓扑复杂、开关频率高,电磁暂态仿真面临着规模大、矩阵维数高、仿真速度慢等诸多挑战,这些挑战增加了换流器等效建模难度,因此迫切需要研究PET电磁暂态高效建模仿真方法。对于PET的高效建模仿真研究,考虑到PET内部结构复杂,由众多电力电子开关组成,本文从以下几个方面开展研究:1)针对设备内部的电力电子开关开展恒导纳建模方法研究,考虑通过恒导纳的建模思路来提高其仿真速度,即仿真求解的每一时步无需对全网导纳矩阵重新求逆运算,节约了计算资源,从而实现仿真提速。针对开关二值电阻模型导纳矩阵时变以及L/C模型精度低、虚拟功率损耗大的问题,提出了一种基于指数积分的电力电子开关恒导纳模型,即在传统L/C模型导通和关断支路中引入电阻Ron、Roff。一方面该模型考虑了开关实际工作过程中存在的稳态损耗以及状态切换时的暂态过程,并能够保证导纳矩阵恒定;另一方面通过终值定理可证明所提模型稳态情况下与二值电阻模型一致,通过谱半径分析确定L/C参数从而保证开关切换过程的虚拟功率损耗更低。2)针对设备级的电磁暂态仿真需求,提出了一种半隐式延迟解耦电磁暂态仿真方法,该方法具有解耦电路简单、导纳矩阵恒定、易于并行、仿真效率高的优点。首先从系统的状态方程出发,利用矩阵分裂和中心积分,构建了具有延迟特性的系统差分方程。将该方法应用到一种级联H桥型PET的电磁暂态仿真中,给出了外部端口不同串、并联组合方式时的等值解耦电路,实现了 PET各变换级以及不同模块间的细粒度解耦,测试结果表明所提模型在满足一定的仿真精度时可以实现串行求解方式下的仿真提速。3)从并行计算的基本原理出发,利用GPU在并行仿真方面的技术优势,研究了基于C++编程的PET并行仿真实现方法。由于所提出的设备级解耦仿真算法具有较高的并行性,因此针对细粒度解耦后的PET子电路提出了并行仿真的实现方法与实现流程,并对所提PET模型的精度和并行仿真效率进行测试。测试结果表明,在满足精度要求的前提下,相比于串行仿真,所提模型可以实现并行仿真下的二次提速,且模块数目越多加速效果更明显。

摘要： 《电力电子技术》是电气工程及其自动化专业的一门核心基础课程，是半导体器件、电路理论、控制理论三个学科的综合，其知识更新速度较快，技术应用广泛渗透到生产生活的诸多领域。同时，《电力电子技术》是一门实践性很强的专业基础课程，应培养学生的实际动手操作能力。以知识灌输为主的传统课堂教学模式已无法适应时代发展要求，需要对课程教学进行不断的改进，注重基于工程案例的研究型学习，以学生能力培养为核心开展教学改革。