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ISBN: (纸本)9787548741787

关键词： 三相PWM整流器   三相电压源型逆变器   开路故障诊断   相似性度量   数据重构  

摘要： 随着电力电子行业的发展,电力电子变换器的结构变得更加复杂,应用规模也更大。与此同时,它的稳定性和可靠性在近年来受到了广泛的关注。为了保证系统能够稳定可靠运行,防止因其中某一器件故障导致整个系统失效,应及时的对故障进行检测和定位,进而完成故障隔离和容错控制。功率器件作为电力电子变换器中最易发生故障的部分,它的可靠性直接影响到整个系统的安全稳定运行。本文以电力电子变换器中两电平三相整流器和三相电压源型逆变器为研究对象,对其工作原理、调制策略以及功率管的故障诊断等方面展开深入研究。首先,介绍了故障诊断技术的发展及电力电子变换器故障诊断目前研究状况,针对电力电子变换器内部故障诊断,比较了不同方法的优劣。本文采用了较为主流的方法,以电流信号为研究对象进行分析,并介绍了影响故障诊断效率的各项指标。其次,对三相PWM整流器系统及其工作原理进行了分析阐述,基于此系统对其常见故障进行说明。在深入分析工作状态基础上,通过比较健康状态和功率管开路故障下整流器中电流的流向,对功率管开路故障机理进行了分析研究,提取故障特征量。基于整流器拓扑结构的对称性进行故障检测,利用电流数据重构的方式,对比故障后的网侧电流正负半波长度,结合多尺度熵搭建了故障诊断仿真模型。最终能快速完成21种功率管IGBT的开路故障检测与定位,验证了方案的有效性。然后,为了更好的研究三相逆变器功率管开路的原理分析,本文搭建了感应电机驱动系统仿真平台,包括控制模块、逆变器模块和电动机负载三个部分。通过关闭不同功率管的驱动信号来模拟不同类型的开路故障。利用电流时间序列的相似性对故障进行检测,基于故障电流流动轨迹的基础上,采用一种基于相电流半波为零的故障诊断方法,能快速完成故障的检测与定位。最后,通过硬件和软件设计,搭建了物理实验平台,对故障诊断方案进行了物理实验验证,验证了该方法的快速性和有效性。该论文有图50幅,表有4个,参考文献89篇。

关键词： 模块化级联电力电子变压器   级联H桥整流器   双有源桥DC-DC变换器   电容电压平衡控制   回流功率优化   功率均衡控制  

摘要： 21世纪以来,电力电子技术与电力电子器件的快速发展为电能变换器的兴起提供了必要的前提。电力电子变压器作为一种新型的电能变换器,结合了电力电子技术与电磁感应原理,在实现电压变换、能量传递以及电气隔离的的同时,还具有模块化、为分布式发电系统提供接口、谐波治理、无功补偿等功能,电能质量好,可控性高,因此在智能电网、高压直流输电、电气传动等方面得到广泛的应用。在一些中高压大容量系统中,为了提高电压等级,多采用模块化级联型的电力电子变压器。本文以串联输入并联输出的模块化级联电力电子变压器作为研究对象,该结构由整流、隔离、逆变这三个部分组成,本文主要从模块化级联电力电子变压器的前两个部分着手,针对整流级的电容电压平衡、隔离级的回流功率优化和功率均衡等问题进行了深入的研究。首先,针对模块化级联电力电子变压器整流级—级联H桥整流器电容电压平衡问题进行研究。介绍了级联H桥整流器的拓扑结构,采用二阶广义积分法和坐标变换,推导出两相同步旋转坐标系下的DQ电流解耦控制数学模型。详细分析了级联H桥整流器输出直流侧电容电压不均衡的原因,对比分析常用的两种电容电压平衡控制方法的优劣,并结合脉冲补偿平衡控制,提出一种基于卡尔曼滤波的直流侧电容电压平衡控制,在实现输出直流侧电容电压平衡的同时,提高系统的稳态性能,具有更优良的鲁棒性。最后在MATLAB/Simulink中将所提的电容电压平衡控制策略与传统电容电压平衡控制策略进行对比仿真。其次,针对模块化级联电力电子变压器隔离级—双有源桥DC-DC变换器回流功率问题进行研究。介绍了双有源桥DC-DC变换器的三种相移控制方式。根据双有源桥DC-DC变换器的工作原理,分析了变换器中回流功率产生的原因,并以三重相移控制为代表,推导出传输功率、回流功率与相移角间的关系式。结合遗传算法和非线性规划寻优,提出一种双有源桥DC-DC变换器回流功率优化的三重相移控制,降低回流功率,提高变压器功率因数。最后将所提的控制策略与传统单相移控制、双重相移控制策略进行对比仿真。最后,针对模块化级联电力电子变压器隔离级—级联双有源桥DC-DC变换器功率均衡问题进行研究。分析了各单元模块功率不均衡的原因,对两种传统的功率均衡控制策略进行了介绍,结合模糊控制,提出了一种双有源桥DC-DC变换器输出电流采样的均衡控制策略,减少了复杂的坐标变换与数学运算,并对所提功率均衡控制方法进行仿真验证。最后对模块化级联电力电子变压器进行了整体仿真设计,验证本文对模块化级联电力电子变压器理论分析的正确性。

关键词： 电力电子   矿用变流器   SiC MOSFET模块   驱动保护电路  

摘要： 随着我国煤矿大型工业机械智能化、高效化发展,变流器作为煤矿大功率机械的重要组成部分,其效率和功率密度的提高一直是国内外研究的重点。新型SiC器件在开关频率、效率、功率密度等方面取得了重大突破,目前在煤矿设备中对SiC器件的研究应用极少。SiC器件有开关频率高、开关损耗低、耐温高等优势。开关频率高可以减小电容、电感等器件的体积,但高频时的短脉冲信号对器件的危害极大,严重时会烧毁器件,对整个系统的安全造成影响。开关损耗低和耐温高可以减小散热器的体积,但SiC器件的短路承受时间比硅(Si)基器件更短,并且高温下,短路承受时间还会下降。所以在中/高压大功率应用场合尤其在煤矿环境恶劣的情况下,对SiC功率器件变流器驱动控制系统的研究很有必要。通过参阅大量的文献,对国内外变流器的研究现状及应用情况进行了详细了解,确定了SiC器件采用并联和级联的SiC MOSFET模块CAS300M17BM2,SiC驱动核为APD202。论文通过对比SiC MOSFET模块和Si IGBT模块的基本特性参数,深入分析了回路参数对SiC MOSFET模块开关特性的影响,研究了SiC MOSFET模块驱动电路的设计要点,建模了矿用三相两电平变流器拓扑图,其功率器件用SiC MOSFET模块取代Si IGBT模块,计算了栅极驱动参数,设计了短脉冲抑制电路、驱动供电电源、驱动信号电路,各类驱动保护电路,在研究短路保护电路时,设计了一款区别于传统退饱和检测法的短路保护电路,提高了检测精度。最后,对该驱动电路进行了双脉冲测试仿真实验,结果表明该文设计的栅极驱动参数准确,可以改善驱动波形;过流短路保护实验结果表明,电路在未达到电流保护值时不会误动作,发生过流时电路能够可靠关断;回路参数对驱动电路的影响实验表明可改变回路参数对SiC MOSFET模块开关特性进行调控,减小开关损耗、电压和电流过冲。该论文有图61幅,表5个,参考文献50篇。

关键词： 电力电子变压器   中压直流互联   柔性配电网   低压直流微电网   双调制自由度   协调控制策略  

摘要： 随着能源短缺、环境污染的加剧,能源结构升级转型迫在眉睫,利用可再生能源替代传统化石能源发电已成为解决该问题的必然选择之一。现有城市交流配电网在初期规划中并未考虑以可再生能源为主体的分布式电源（Distributed generation,DG）的灵活组网以及区域互联等功能,因此建设一个互联、柔性、可控、低碳、智慧的能源互联网络成为必然要求。中压直流（Medium voltage direct current,MVDC）配电技术凭借着供电半径长、运行效率高、可闭环运行等优势,成为了未来配电网发展的重要方向。具有中/低压交直流多种电压端口的电力电子变压器（Power electronic transformer,PET）能够实现直流型源、荷灵活接入和高效匹配,并且可为基于MVDC馈线的柔性直流互联配电网的实现提供可能性,是未来配电网能量路由的有效载体。本文提出了一种基于隔离型模块化多电平变换器（Isolated modular multilevel converter,I-M2C）的多端口PET,以该PET为柔性互联装置（Flexible interconnection device,FID）改造传统配电网,构建柔性直流互联配电网络。依靠PET的多端口特性可在无需外加设备情况下构建区域间MVDC馈线以及低压直流（Low voltage direct current,LVDC）微电网,实现各级各区供电互联互通、DG的“即插即用”等功能。由于该PET具有单级式功率变换拓扑结构,使其可基于交/直流双调制自由度实现对各端口的独立解耦控制,在保障配电网稳定性的同时提升配电网内潮流分配的灵活性。首先,介绍了I-M2C型PET的拓扑结构及调制策略。该PET采用单级式功率变换结构,在节约子模块内功率半导体器件数量的同时无需中间级独立电容,既提升了系统的功率密度,又可以简化系统控制策略。研究了基于该PET的柔性直流互联配电网系统架构,通过双端并供的供电模式及MVDC馈线互联方案提高配电网抗风险能力,通过构建LVDC微电网实现直流型源、荷的灵活组网。其次,建立基于双调制自由度的I-M2C型PET端口数学模型,根据端口数学模型及不同稳态运行模式需求提出各端口基于双调制自由度的独立解耦控制方法,同时介绍了跨区域互联模式下区域间主从控制策略。总结了柔性直流互联配电网在各工况下的运行模式。最后,搭建了一套由24个子模块组成的800V/10k W实验室级三相PET样机,通过实验验证I-M2C型PET结构功能的有效性。通过Matlab/Simulink搭建了±10k V柔性直流互联配电网系统仿真模型,验证了所提配电网协调控制策略的有效性与可行性。

关键词： 静止无功发生器(SVG)   瞬时对称分量法   前馈解耦控制   超螺旋二阶滑模控制   电压空间矢量脉宽调制  

摘要： 电能是现代人类社会最重要的能量来源,它对人类社会的正常运转起着至关重要的作用,所以确保电能的安全稳定高效的产出是一个十分重要的研究方向。而电能本身作为一种商品,它的商品质量的规定也是一个重要的课题。确保电能质量的一个重要标准就是保证三相电网在平衡的条件下运行。然而在现代电网中,随着工业化和民用化的快速发展,电力电子设备得到了十分广泛的应用。这会使得电网在大多数情况下都是在三相不平衡的条件下运行,这不仅会给用户端造成损害,也会给输电端和电网系统本身造成伤害。为了避免这种损害,首先要对电网中有危害的部分进行分析。对三相电网进行分析,我们可以将电网中三相电量进行分解,三相电量可以分解为正序分量、负序分量和零序分量,三相电网正常运行时,电网中的负序和零序分量皆为零;电网在不对称情况下运行时,电网中就会产生负序和零序分量。负序分量会造成电机和变压器发热。所以补偿电网中的负序分量成为了本文的主要研究方向。查阅了相关文献之后发现,对负序分量的研究和补偿是一门单独的研究方向,即无功补偿。而静止无功发生器(SVG)是目前应用最为广泛的无功补偿器件。现在对无功补偿的研究主要分为两部分,即首先进行无功电流提取,然后控制合适的器件进行无功补偿。本文也是按照这两部分进行研究的。首先研究了无功电流提取的相关研究历史。分析了无功功率理论以及瞬时无功功率理论,对由此提出的瞬时对称分量法进行分析之后发现,虽然此种方法目前取得了较广泛的应用,但是在计算的过程中采用了移相算子,方法自身存在延迟。故在此基础上本文提出了改进瞬时对称分量法,此方法通过构造无延迟的旋转向量,可以实时获得三相电流正负序分量瞬时值;由于不需要进行三角函数计算,此方法计算过程简单。并基于此方法,在常用的dq变换法的基础上,提出新的正负序电流检测方法,即广义dq变换法,此方法不需要使用锁相环,改变了传统dq变换采用相位超前数据进行计算的方式,采用实时电流电压数据进行计算。在matlab/simulink中对此种无功电流检测方法进行了仿真验证。实验结果表明新的计算方法相较于传统的方法响应更加的快速。目前主要的SVG控制方式为PI控制,但是由于调参数的原因,PI控制存在一些缺陷。针对SVG的补偿原理,设计了外环电压环、内环电流环的双闭环控制系统。由于本文的主要研究内容是无功补偿方向,只需保证电压环稳定即可,所以对电压环采用传统的PI控制器;电流环采用前馈解耦控制方式。为了保证系统有较强的鲁棒性和抗干扰功能,在电流环中采用滑模控制,由于其滑动模态特性,可以有着较好的抗干扰特性。又由于滑模控制自身的缺陷,在控制时会有振荡的缺陷,所以采用能够抗振荡的超螺旋二阶滑模控制。在由前馈解耦控制产生了驱动信号之后,采用SVPWM调制的方式将驱动信号作用在SVG桥式电路上。依照这种方法在MATLAB中设计出静止无功发生器的模型,对动态三相不平衡负载进行仿真分析。由仿真结果可知,与传统的PI控制相比,此种方法控制效果更好。

关键词： IGBT   母排   杂散参数   建模   模型降阶   温度场  

摘要： 电力电子装置与系统是实现电能有效变换与利用的关键设备,面向经济社会发展的重大需求,大容量IGBT电力电子装置的分析与设计成为制约重大装备的关键理论与技术。另一方面,电力电子技术的快速发展、新材料与新器件技术的不断涌现使得IGBT迈向了高开关频率、大功率密度阶段。开关频率的急剧增加使得IGBT电力电子系统的瞬态电磁过程具有多时间尺度的特征,并由此带来了一些电路仿真与多物理场计算的热点问题,也是迄今为止尚未完全解决的难点。首先,优化换流回路是保证IGBT电力电子装置鲁棒性与可靠性的重要手段和技术。作为换流回路中最主要的母排的动态电磁性能分析和计算则是其优化设计的基础。而在当前工艺和信号频率下,传统的杂散参数提取方法和母排集中参数电路模型将不完全适用。所以建立适应当前信号频率的母排电路模型是母排优化设计亟待解决的关键理论和技术。其次,由于多时间尺度下的母排电路模型阶数较高,高阶电路模型的仿真求解给计算机的计算资源和计算时间带来巨大挑战。因此,需要探讨多时间尺度宽频电磁过程母排电路模型降阶理论与技术。第三,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是现代电力电子装置与系统的核心电力半导体器件。众所众知,动态性能的精确分析与计算是任何装置与系统优化设计前提,也是IGBT优化设计的理论与技术基础。结温是衡量IGBT可靠性的关键参数之一,过高的结温是引起IGBT失效的主要应力之一。因此,亟需解决IGBT的动态温度场的计算模型和计算方法。同时,IGBT的温度场与涡流场既相互耦合又相互影响。然而,复杂三维瞬态多物理场的数值计算模型规模巨大,其求解需要庞大的计算资源和计算时间。所以研究多时间尺度下具有宽频特性的三维瞬态场模型降阶技术具有重要的理论意义和工程应用价值。有鉴于此,为解决我国大容量电力电子系统开发设计中的关键理论和技术,结合国家自然科学基金重大课题“多时间尺度下大容量电力电子混杂系统运行匹配规律研究”,本文重点解决IGBT电力电子系统多时间尺度建模及其降阶技术。主要研究内容和成果如下:1、提出了多时间尺度下考虑不确定性的母排优化建模方法。不同频率下,母排(互连线)的杂散参数不同:杂散电阻随着频率的升高而增大,杂散电感随着频率的升高而减小。电力电子系统开关暂态过程是宽频信号,因而基于商用软件提取的单一频率的杂散参数并不能准确反映实际开关暂态过程中的母排杂散参数。另一方面,应用多段等效电路建模时,段数越多,仿真结果的精度也越高,可是随之而来所需要的计算资源也越大,所以母排建模需要兼顾精度和计算复杂性要求。换言之,IGBT电力电子母排开关暂态过程的等效电路建模是一个典型的不确定性问题。为此,本文提出了多时间尺度下考虑不确定性的母排优化建模方法。本文母排模型采用多段杂散参数电路模型,借助于优化算法确定模型的段数和参数,实现了计算精度与计算复杂性的平衡。2、提出了自适应宽频SPRIM降阶理论和算法。为考虑极小时间尺度下线路中杂散参数的影响,电力电子系统,尤其是作为核心组成部分的母排,必须采用分布参数(高阶)电路模型进行分析和计算。而高阶电路模型的仿真求解给计算机的计算资源和计算时间带来巨大挑战。故,模型降阶成为解决大规模互连电路(母排)分析的关键技术。与其他降阶方法相比,基于块Arnoldi方法的Structure-Preserving Reduced-order Interconnect Macromodeling(SPRIM)算法具有精度高,保持无源性和保持块结构的优点。但是对于宽频响应,SPRIM算法的降阶性能尚不能满足工程分析与计算的要求。为此,本文提出了针对互连电路分析的自适应宽频SPRIM降阶算法。在传统SPRIM算法的基础上引入激励信号分析机制来进行展开点s0的自适应选取,通过分析激励信号的频率成分,按照成分(频率所在数量级的幅值)从多到少依次选择相对应的展开点,并引入了误差控制规则,实现了以极小阶电路模型精确计算IGBT系统宽频动态响应特性的目标。3、提出了保持输入输出结构的SPRIM算法。基于SPRIM算法的降阶系统虽然保持了原始系统的块结构,但却不能保持输入输出关联矩阵的结构,因此在相应的电路模型中引入受控源。为克服传统SPRIM算法不能保持输入输出关联矩阵的不足,本文提出了一种改进的SPRIM算法。本文算法首先重新组织改进的节点方程(MNA),然后将传统 SPRIM 算法与 Input-Output structure Preserving Order Reducti on(IOPOR)算法相结合,进而求得一种可以保持原有系统输入输出关联矩阵的投影矩阵。最后,给出了本文模型和算法的典型应用实例。数值分析与计算结果证明了本文模型和算法的正确性与有效性。4、提出了基于块Arnoldi算法的多点矩匹配降阶算法。数值方法(有限元法、有限差分法等

关键词： 高频链   矩阵式变换器   电力电子变压器   拓扑   电压型解结耦  

摘要： 矩阵式变换器是一种可以实现整流,逆变,交交变换等重要功能的变换器。在矩阵变换器的基础上引进高频链的思想,即在矩阵变换器中间加入高频变压器使前后级连接起来便是单级式电力电子变压器。该拓扑可以使输入输出的电压与电流具有较好的正弦度,实现网侧单位功率因数。与普通的工频变压器相比,其具有高频电气隔离、重量轻、空载损耗小频率及电压可控等优点。在智能电网、微电网以及全球能源互联网的框架下所有的关键技术中,电力电子变压器得到了广泛的关注。本文提出了一种单级式三相-单相电压型高频链矩阵式电力电子变压器(power electronic transformer,PET)拓扑,使用电压型电路拓扑实现输入输出的电压变换。针对该拓扑使用“解结耦”思想来分析矩阵变换器。将该思想与矩阵式电力电子变压器的调制相结合使得对矩阵变换器双向开关的分析和控制变得简单灵活。其次,针对电压型高频链矩阵式电力电子变压器的特点,提出了两种电压型调制策略,其一是前级空间矢量脉宽调制SVPWM(space vector pulse width modulation)与后级混合脉宽调制HPWM(hybrid pulse width modulation)相结合的调制策略;其二是前级空间矢量脉宽调制SVPWM与后级正弦脉宽调制SPWM(sinusoidal pulse width modulation)相结合的调制策略。所提两种调制方法运用了一体化的思想,将前后级的调制方法进行了同步。基于这两种调制策略使PET可以实现高频交流输出,稳定直流输出,低频交流输出多种模态的电压。为了研究所提拓扑是否具有广泛的应用性,针对电流型电力电子变压器的前级调制进行了研究,提出了可降低开关应力的优化方法。最后通过仿真进行了验证。次之,为了保证电网不平衡时也能得到准确的电网相位,本文应用了可在缺相和相位错乱时使用的锁相技术,并对该方法进行了公式推导与仿真验证。随后基于解结耦思想对三相-单相电压型高频链矩阵式PET进行了平均模型与小信号建模。最后,对实验所需的硬件电路与软件系统进行了设计,采用DSP进行发波用CPLD进行逻辑处理来对实验平台进行数字控制,搭建了三相-单相电压型高频链矩阵式电力电子变压器的实验平台。实验结果证明了所提策略的可行性和有效性。

关键词： DC-DC电路   小波散射网络   卷积神经网络   LSTM  

摘要： 电力电子电路广泛应用于电力、机械、航天等领域,一直是电力系统中不可或缺的部分。随着科技的发展和各行各业用户需求的上升,电力电子电路越来越集成化、自动化以及智能化,其结构也越来越复杂。这就使电力电子设备的故障带有非线性、并发性和不确定性的特点。电力电子电路发生故障时,会导致设备无法正常运行,直接影响整个系统的稳定性,当发生特大故障时,将会引起系统停摆、宕机,导致巨大的损失。电力电子电路故障诊断及预测技术的研究,不但可以提高工作人员的工作效率,还能够缩短故障时间。因此,采用合适的电力电子电路故障诊断及预测方法,对故障进行早预报,发生故障时,可以快速准确地判断故障性质和位置,及时排除故障,避免因故障引起的经济损失、重大事故具有重大意义。针对电力电子电路中,电路结构复杂,出现故障时间短且故障诊断耗时长等问题,本文主要采用了深度学习方法,进行故障特征提取算法以及诊断网络和预测网络的搭建。以电力电子电路中的150WDC-DC升压电路作为实验电路,以电路中电容退化的不同程度为标准,设置故障模式,采集电路的输出电压作为故障信号。在故障特提取方面,针对电力电子电路故障参数为时间序列,参数冗长且奇异性不强,故障提取耗时长等问题,文章选择了一种小波散射网络进行故障特征提取。又介绍了一种改进的VMD算法,与之进行对比。首先,先后阐述了改进的VMD算法和小波散射的原理和优点。然后,将这两种方法应用到DC-DC电路的故障特征提取中。最后,为了对比方法的有效性及优劣性,又选用了小波、VMD进行比较,以SOM神经网络作为分类器,最终得出小波散射在DC-DC电路故障特征提取方面具有更大的优势。在故障诊断方面,针对电力电子电路中故障原因复杂,故障诊断实时性不强等问题,本课题选择了卷积神经网络作为分类器,详细介绍了卷积神经网络的原理与优点,并且结合小波散射网络特征提取,组合成前置小波散射后置卷积神经网络的故障诊断方法,又与BP神经网络、SOM神经网络做对比,最后得出CNN神经网络在故障诊断方面具有一定的优势。在故障预测方面,针对故障预测过程中,梯度消失,不能有效结合历史状态等问题,以及预测结果过于依赖预测值的缺点,本课题选择了基于观测值更新的LSTM神经网络作为预测方法,选择输出电压的峰-峰值与DTW距离,作为特征参数。并且与基于预测值更新的LSTM网络进行对比,验结果显示,基于观测值更新的LSTM网络的DC-DC电路故障预测精度良好。图47表8参91

摘要： 随着全球能源结构转型升级以及新能源成本的快速下降，海上风资源丰富的国家逐渐重视海上风电发展，并给予明确的发展定位。电力电子技术作为海上风电发展的关键支撑技术，已经逐步成为学术界和工业届关注的重点问题。开展海上风力发电中的电力电子技术研究工作，将有力提升我国海上风电技术与装备发展水平，