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关键词： 虚拟阻抗控制   级联DC-DC变换器   动态响应性能  

摘要： 直流分布式电源因具有输送容量大、供电质量高等特点,已广泛应用于空间站、船载、混合动力汽车和可再生能源系统等方面。大多数直流分布式电源系统由多级变换器级联构成,且包含恒功率负载。但是,恒功率负载具有负阻抗特性,会给级联系统的稳定性带来不利影响。在负载侧采用串联虚拟阻抗是目前提高系统稳定性较好的方法,但这会造成负载跳变引起的输出电压瞬态波动变大,因此提高了对滤波电容容量的要求。本课题基于此背景,以源-负载两级级联直流电力电子系统为研究对象。首先对所提出的源-负载级联直流电力电子系统进行了详细的介绍,对电路控制环进行设计并进行了仿真验证。将两个稳定的模块级联后,系统可能出现不稳定问题,因此采用虚拟阻抗方法提高系统稳定性。进而,对采用虚拟阻抗补偿的源-负载级联直流电力电子系统进行了研究,对虚拟阻抗部分进行设计并对系统建模,与加入虚拟阻抗前的系统进行对比,说明虚拟阻抗可以稳定系统,但会对其动态性能产生不利影响。最后,在加入虚拟阻抗的基础上,提出一种在负载变换器输出端口并联辅助电路的方法。通过引入辅助电路来提高系统的动态响应性能,并对新的系统进行小信号建模,给出辅助电路各部分参数的计算方式。将加入虚拟阻抗前后的系统对比,动态响应性能得到明显提升。与其他提高动态响应性能的方法相比,该方法显著降低了电压暂态波动,可减小系统的体积,去除大容量电解电容,进而提升系统可靠性。本课题对三种级联直流电力电子系统的结构和原理、参数设计以及控制方法进行了详细的介绍。通过仿真,验证了提出的辅助电路能有效提高系统的动态响应能力,抵消虚拟阻抗造成的额外的电压波动。最后设计了级联直流电力电子系统的实验样机,通过实验数据和波形对所设计的控制方法和参数设计方案进行验证,也证明了辅助电路对提高系统动态响应能力有显著的效果。

关键词： 电力电子变压器   滑模控制   混合脉宽调制   双移相控制  

摘要： 在能源危机日益严峻,环保问题不断出现的当今,发展各种新能源改善发电结构已经是大势所趋。在各类新能源开发利用的过程中,绕不开分布式能源并网过程的难题。分布式能源由于其电压等级与发电形式的差异,在并网时产生了大量不同电压等级的交、直流接口的需求,对传统的电网结构提出了挑战。传统的电力变压器已经难以应对智能电网的要求,一种结合了电力电子技术的新式变压器电力电子变压器PET便应运而生。PET在传统电力变压器的基础上增加了诸如实现单位因数运行、故障隔离、提供灵活的交直流端口的功能,在智能电网、机车牵引系统、新能源并网等方面都有广阔的应用前景。电力电子变压器为了良好地实现上述功能不仅需要较复杂的拓扑结构,制定合适的控制策略也十分关键。本文首先首先介绍了研究的背景及意义,阐述了电力电子变压器的发展历程以及拓扑结构的演变过程,针对各种结构的电力电子变压器的优缺点进行分析,介绍了本文重点研究的模块级联型电力电子变压器拓扑结构。其次介绍了电力电子变压器输入级的工作原理和PWM调制方式,还介绍了滑模变控制思想,提出了一种基于滑模变控制的输入级控制策略,通过仿真验证了其有效性。然后对混合脉宽调制技术进行了谐波分析,采用开关函数轮换方法,将混合脉宽调制技术与滑模变控制结合起来,通过仿真证明其能够很好地实现模块间电压均衡。最后介绍了隔离级的单移相和双移相控制,分析二者的传输功率和回流功率,提出一种基于最小回流功率的双移相控制策略,通过对电力电子变压器输入级和隔离级的整体仿真,验证此控制策略在功率均衡控制和减小回流功率上的有效性。

关键词： 高职   电力电子   课程建设  

摘要： 在高职院校中,电力电子课程至关重要,理论性、实践性强是其最主要的特征,如果教师在开展教学活动期间,依然延续以往的灌输式、说教式教学模式,将无法调动学生学习相关知识的积极性、主动性,造成整体教学效率的降低。而通过有效建设高职电力电子课程,能进一步提升学生的学习效果,帮助其更加全面的掌握课程知识。基于此,本文将重点围绕高职电力电子课程建设做出深入、细致的分析。

关键词： 电力电子变压器   二倍频波动电压   双有源桥   三次零序电压   二倍频波动功率  

摘要： 随着SiC、GaN等新型功率半导体开关器件的突破性发展,以及配电网设备智能化要求的提高,替代传统工频变压器实现电压变换、具有丰富电网管理能力的电力电子变压器受到越来越广泛的关注,其中,三相级联型电力电子变压器是目前的热点拓扑结构之一。然而,由于输入级直流侧电容三相分离的结构特点和输出级单相或三相不平衡负载的广泛存在,级联式电力电子变压器直流侧电容不可避免的存在二倍频电压波动,从而降低了电力电子变压器的输出电能质量,危害系统的安全稳定运行。针对电力电子变压器中直流侧电容存在二倍频波动电压的问题,本文从输入级和输出级产生的二倍频波动功率两个角度,提出了输入级和隔离级相结合的电力电子变压器直流侧电容二倍频波动电压的抑制策略。首先,本文详细分析了直流功率和波动功率在电力电子变压器中的传输路径;总结了二倍频波动功率的产生来源,并得出直流侧电容二倍频波动电压的本质是电力电子变压器中存在的二倍频波动功率的结论;详细阐明了直流侧电容二倍频波动电压的危害,并据此推广得到更高次波动功率和波动电压的产生机理及危害。其次,基于输入级三相功率之和为零的特点,提出隔离级DAB二倍频波动功率前馈控制策略,将三相输入级产生的二倍频波动功率传输至低压直流侧汇流抵消。同时,采用输入级三次零序电压注入方法,抵消交流侧基波电压电流所产生的二倍频波动功率,减小隔离级DAB二倍频波动功率前馈控制对DAB容量的需求,共同抑制高低压直流侧电容二倍频波动电压。然后,针对高低压直流侧电容吸收波动功率不均而可能造成局部直流波动电压过大的问题,以高低压直流侧电容二倍频电压波动率相等和减少DAB传递容量为设计原则,提出了隔离级DAB高低压直流侧电容二倍频波动电压均分控制策略,并详细给出了隔离级DAB传递的二倍频波动功率相位的选取方法,实现了二倍频波动功率在高低压直流侧电容中再分配。最后,本文在matlab/simulink上搭建了三相级联型电力电子变压器模型,验证了本文所提控制算法的正确性。

摘要： 新冠肺炎疫情的出现,暴露了传统、单一教学方式的弊端。随着"后疫情时代"到来,网络教学与线下教学的衔接,更需加快混合式教学模式变革。以"电力电子技术仿真实训课程"为例,从学情分析、模式"再定义"、教学实施、效果反馈4个方面进行教学模式变革研究,从而达到优化课程教学,提升教学质量,促进学生全面发展的效果。

关键词： 电力电子化电力系统   动态负荷模型   参数辨识   灵敏度分析   粒子群算法  

摘要： 电力系统负荷建模是电力系统分析、规划、控制以及运行和监视领域中广泛研究的关键性技术,能够准确反映负荷外部特性对于电力系统仿真和安全稳定运行非常重要。过去,经过国内外对电力负荷建模的大量研究,已经有非常丰富的负荷模型结构,并且也有大规模投入使用的经典模型。但是,近年来可再生能源发电、高压直流输电和电气化负荷使用规模不断扩大,电力系统正在发生广泛而深刻的变化,呈现出多时间尺度动力学特性。国内外都陆续出现了不明机理带来的系统稳定性和安全性问题,这已经对系统运行构成了严重威胁。目前的电力负荷模型在一定程度上不能良好地描述负荷外部特性,面对电力系统电力电子化新形势下的艰巨挑战,在此基础上,本文重点研究在中尺度扰动下,电力电子化电力系统动态负荷的等效机理模型。论文的主要研究内容有如下几个方面:1、建立正确的电力电子化动态负荷数学模型。考虑电力电子装置及其控制系统,将其整体作为电力电子接口串入传统动态负荷模型中,从而得出电力电子化动态负荷等效机理模型。经过大量分析确定该模型的拓扑结构,解决方程的强耦合性、非线性的问题,并在忽略一定的损耗下消除中间变量,整合出以电压、频率为输入,有功、无功功率为输出的传递函数形式的动态模型,在仿真平台中搭建该模型和拓扑对应的物理模型,分别进行三次扰动设置,比较两者输出的动态响应,验证了建立的动态模型具有正确性。2、对建立的模型参数进行灵敏度分析。在考虑负荷电力电子化后,所建立的模型参数也随之增加,这不但给参数辨识带来了不便,在实用性方面也提高了复杂度。基于此,采用轨迹灵敏度理论和控制变量法,依次对模型中的每一个参数进行分析,并根据结果和实际情况确定了待辨识参数,这大大降低了模型的复杂度,为下一步研究奠定了基础。3、基于粒子群算法对重点参数进行辨识。首先通过实验获取数据并将数据进行预处理,将灵敏度低的参数使用经典值计算得出,再采用粒子群算法辨识出灵敏度较高的参数,将实验曲线与辨识曲线进行拟合,结果表明两者的拟合程度较高,再一次证明了本文所建立的模型的有效性,同时具有一定的实用性。

关键词： 电力电子变压器   模块化多电平换流器   子模块均压控制   交直流混合配网   下垂控制  

摘要： 随着能源绿色转型的加快,以新能源发电技术为代表的可再生能源得到了越来越广泛的应用,而面对现有结构单一的传统配电网而言,对其规划建设和运行提出了更高要求。由于交直流混合配电网兼具交流配电网和直流配电网之优势,在未来可再生能源发电技术中将受到越来越多的关注和研究。为实现可再生能源发电设备和交直流负荷灵活接入,交直流混合配网互联设备-电力电子变压器将发挥重要作用。因模块化多电平换流器具有高度模块化结构,考虑到PET未来的中高压应用场景,基于MMC型的电力电子变压器（MMC-PET）将具有显著优势,且其可设置交流和直流多个电压等级端口,便于多种类型负荷的多电压等级互联和可再生能源的积极消纳,因此,MMC-PET将对未来交直流混合配电网建设具有重要意义。本文主要以MMC-PET作为研究对象,对其输入级、隔离级、输出级及功率协调控制策略展开深入研究,具体研究内容如下:首先介绍MMC-PET拓扑结构及各级工作原理,建立其各级数学模型,并深入研究其各级基本控制策略。其中输入级主要对MMC的调制策略、子模块均衡控制策略和环流抑制策略开展研究;隔离级研究重点主要为多个DAB采用ISOP方式连接的均流均压控制开展研究;输出级主要对VSC的正弦脉宽调制开展研究。针对输入级中MMC子模块采用传统电容电压排序法进行调制所面临的计算量大、开关频率高、损耗大等缺陷,本文提出一种优化子模块电容电压算法。其次根据所设计的控制策略,通过PSCAD/EMTDC平台分别搭建各级仿真模型,验证所提控制策略的合理性;再通过搭建MMC-PET整体系统仿真模型,对典型特殊工况进行试验仿真,验证MMC-PET所具有的突出优势。最后构建一种含MMC-PET的交直流混合配网,并详细分析了并、离运行模式下网络之间的功率平衡关系;针对MMC-PET在交直流混合配网功率协调控制中的应用问题,分别设计了并、离网运行模式下的功率协调控制策略,并通过仿真验证所提控制策略的正确性。

关键词： 电力电子变压器   稳定性分析   控制策略   小信号模型   Middlebrook判据  

摘要： 电力电子变压器是一种新型电力变压器,其结合了电力电子元件和高频变压器,不仅能实现传统电力变压器的功能,同时还可以控制功率双向流动,提高电能质量,抑制谐波等,从而具备了解决当代电力系统所面临的很多新问题的能力。当电力电子变压器不稳定时,电力系统的稳定性也会受到影响。为了检验电力电子变压器的稳定性,本文提出了一种基于Middlebrook判据的稳定性分析方法。本文研究内容主要包括:首先详细分析了单相PWM整流桥,带高频变压器的隔离型DC-DC变换器,单相PWM逆变器的拓扑结构、工作原理和模态切换。然后,研究了三级型电力电子变压器的各级控制策略。在输入级,通过构造虚拟电路,使用了基于单相d-q变换的PWM整流桥的电压电流双闭环控制,使电流能准确快速的跟踪指令电流,实现电压电流同相位。在隔离级,提出了定低压侧直流电压的双移相控制,实现低压侧电压稳定和功率平衡。在输出级,使用了电压电流双闭环解耦控制,提高控制系统响应速度和波形的正弦性。最后结合这些控制策略和各级拓扑结构,分别建立电力电子变压器输入级、隔离级和输出级的小信号模型,根据方框图得出传递函数,并通过搭建Matlab/Simulink仿真验证了各级小信号模型所对应控制策略的可行性和有效性。利用所得传递函数可判断各级子系统的稳定性,并在保证各级子系统单独稳定运行的前提下,提出基于Middlebrook判据的验证子系统间的稳定性的方法,从而保证电力电子变压器的整体稳定性,通过仿真稳定情况和不稳定情况两个算例,验证了所提出稳定性判别方法的有效性。

摘要： 本刊拟将2021年第12期辟为"电力电子器件和电力电子系统的可靠性"专辑,欲投稿的作者请在2021年9月30日前将论文发送到本刊编辑部(Email:dldzjstg@***),并注明"电力电子器件和电力电子系统的可靠性专辑"字样。本刊邀请西安交通大学雷万钧副教授和江苏宏微科技有限公司姚天保高工作为本专辑的特邀主编,所投论文将按本刊专辑审稿程序进行评审,评审结果将于2021年10月30日前通知作者。

关键词： 电力电子变换器   多尺度   小波变换   建模   特性分析  

摘要： 过压、过流、过热等现象导致电力电子变换器在短时间尺度上失效已成为影响其可靠运行的关键问题,然而现有基于单一尺度的建模和计算方法,无法准确地描述短时间尺度的失效过程,制约着电力电子变换器的特性分析研究。因此,考虑多个尺度的电力电子系统联合建模与特性分析成为近年来的热门话题。本文为解决电力电子变换器短时间尺度上精确建模与特性分析的问题,在国家重点研发项目的支持下,开展了以下研究工作:1、针对现有电力电子变换器模型均为单一尺度模型或简单组合多个尺度模型,难以准确描述其特性的难题,在研究电路宏观尺度模型和开关器件微观尺度模型耦合关系的基础上,建立了考虑宏观和微观尺度的电力电子变换器联合尺度模型;2、为解决电力电子变换器联合尺度模型中宏观尺度模型和微观尺度模型仿真计算步长相互矛盾的问题,基于小波变换的多尺度分析方法,提出了联合尺度模型的小波分解与重构的算法。该算法表明,当计算步长小于等于1/4开关器件关断时间时,通过小波分解与重构,计算结果可以准确地描述了电力电子变换器运行性能;3、建立Buck变换器的联合尺度模型,采用小波分解与重构的算法,对Buck变换器的短时间尺度特性进行分析。仿真表明,与现有建模和仿真方法相比,有效提高了计算精度和效率,且实验验证了仿真结果;4、建立DAB电力电子变压器的联合尺度模型,采用小波分解与重构的算法,对DAB电力电子变压器的短时间尺度特性进行分析,并在此基础上进行了多物理场分析,得到了DAB电力电子变压器中开关器件安全域评估结果。研究表明,仿真有效提高了计算精度和效率,与实验完全吻合;5、建立MMC的联合尺度模型,采用小波分解与重构的算法,对MMC的短时间尺度特性进行分析,验证了联合尺度建模及仿真方法在MMC中的实用性,为进一步开展大容量电力电子变换器短时间尺度分析奠定了基础;6、在以上研究基础上,系统开发了电力电子变换器短时间尺度多场耦合通用仿真计算软件,该软件具备分析评估电力电子变换器的电气特性、物理场特性、安全性的功能,可以推广应用。