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关键词： 电子电路   故障预测   技术分析  

摘要： 随着时代的发展,我国科技水平不断进步,电力电子行业飞速发展,电子产品和电子设备的使用也越来越广泛,人们对电子产品的要求也越来越高。为了满足人们日益增长的高质量需求,电力电子电路的复杂程度不断提高,故障发生率也不断增高。为预测电力电子电路的故障,及时修改错误,因此有必要通过多种技术对电力电子电路的故障进行预测。本文通过对电子电路出现的故障类型进行分析,并提出了一些诊断和预测故障的技术。

摘要： Due to the reduced fuel usage and greenhouse emission advantage, the sales of electric vehicles (EV) have risen dramatically in recent years. Generally speaking, the EVs are pursuing higher power and lighter weight, which requires higher power density for all the power electronics converters in the EVs. To design higher density power converters, three key emerging power electronics technologies are investigated in this study. First, the PCB-based magnetics are beneficial for improving the power density due to their low-profile structure. However, the high winding capacitance is considered one of the significant drawbacks of PCB-based magnetics. In this study, a novel winding structure is proposed to cut down the winding capacitance by 75% with little compromise of the winding loss. Second, the synchronous rectifiers (SR) are usually utilized to improve the system efficiency and power density compared with the conventional diode bridge rectifiers for the AC/DC stage in the power converters. The SRs are desired to be turned off at current zero-crossing to generate a minimal loss. However, the precise current zero-crossing detection is very challenging in high-frequency and high-power-density converters. In this study, a high-dv/dt-immune and parameter-adaptive SR driving scheme is proposed to guarantee the zero-current switching (ZCS) of SRs in various operating conditions and improve the system efficiency by 1.23%. Finally, Gallium Nitride (GaN) semiconductors are considered less lossy than Silicon (Si) semiconductors. However, the voltage rating of the commercial GaN HEMTs is limited to 600/650 V due to the lateral structure, which is not suitable for the 800 V or higher dc-link voltage EV systems. Stacking the low-voltage rating devices is a straightforward approach to sustain higher dc-link voltage. However, unbalanced voltage sharing can occur, which can damage the low-voltage rating devices in the stack. In this study, a novel active current source gate driver i

关键词： 单相PET   陷波器和准PR控制   单移相控制   定输出电压控制   整体启动控制  

摘要： 现今,随着现代电网技术的不断进步,电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)受到各国学者广泛研究,其通过电力电子技术、控制技术、功率开关器件实现了新能源并网、电网互联、电能质量控制等功能。与传统电力变压器相比,PET具有重量轻、体积小、高度可控性、易于形成微网接口、易于模块扩展等特点,目前被广泛应用于新能源系统和智能电网中。本文以三级式单相PET为研究对象,重点研究各级控制策略和整体启动方式,以实现功率因数调节、直流侧电压稳定、输出电压恒压恒频等目标。主要进行了以下研究:首先,本文介绍单相PET整体工作原理和拓扑结构,详细研究各级拓扑工作原理,并建立各级拓扑的数学模型。然后,针对直流侧电压波动对系统的影响,研究一种简化调制策略对直流电压进行补偿。另外,为了提高系统锁相能力,采用二阶广义积分器虚拟两相的锁相环方法对网侧电压进行锁相。其次,详细研究单相PET各级拓扑控制方法。针对单相PET输入级采用传统d-q矢量控制方法时,直流电压二次纹波引起网侧电流畸变的问题,采用一种陷波器和准比例谐振(Proportional Resonant,PR)控制策略来降低网侧电流谐波,并实现输入级单位功率因数整流和直流侧电压稳定;隔离级研究一种DC-DC变换器单移相控制方法以实现低压侧电压稳定;为了实现输出电压的恒压恒频,输出级采用一种定输出电压控制方法。另外,本文研究单相PET整体启动控制,并利用Simulink搭建单相PET整体仿真,验证系统的稳态性能和动态性能。最后,设计单相PET系统电路参数、硬件电路和软件程序,并建立单相PET整体实验平台。并对单相PET输入级和单相PET系统整体运行进行实验,通过与仿真对比分析,说明本文研究的控制策略的正确性。

关键词： 并网变流器   运行韧性   暂态电流计算   多约束运行域   交互分析  

摘要： 为了实现“双碳目标”加速能源转型,大量新能源发电装置通过电力电子变流器接入电网,使得现代电力系统的动态行为深受并网变流器的影响。尤其是当电网发生故障扰动时,并网变流器的运行将会受到严重冲击,进而给整个电力系统的安全带来巨大威胁。因此,并网电力电子变流器的安全运行已成为电力系统安全的重要保证,分析电网故障下并网变流器是否具备耐受故障冲击的能力,成为如今电力系统安全问题研究的当务之急。为了分析电网故障下并网变流器的故障耐受能力,本文提出了“运行韧性”的概念用以描述并网变流器在电网故障后依据自身控制和器件极限动态调节运行范围保持并网和恢复正常运行的能力。本文分别在“锁相环控制-电流环控制-锁相和电流/功率环控制”下进行了并网变流器的运行韧性分析,基于以上分析完成了并网变流器在“多时间尺度控制”下的运行韧性提升。考虑到在高压大容量的电力系统中,电网故障下无法耐受故障冲击的变流器给并网系统带来的危害将更加难以估量,因此本文选用了电压等级更高、容量更大且更具有发展前景的并网模块化多电平变流器为研究对象,对其进行运行韧性分析,研究意义更为重大。本文的主要工作如下:1)分析了电网频率扰动后锁相环控制下并网变流器的暂态电流特性,计算了暂态电流峰值,为并网变流器在锁相控制时间尺度下的运行韧性分析完成了关键参数计算工作。首先通过建立电网电压与锁相环输出之间的相位差模型,求解了变流器在电网故障下的最大相位差。然后对不同的相位差所对应的暂态电流峰值进行分析,提出了考虑锁相控制的并网变流器暂态电流计算方法,并初步分析了变流器的故障耐受能力。此暂态电流计算有助于分析电网故障下变流器的响应情况及器件所遭受的电应力,为变流器暂态过电流保护策略的设计提供参考。2)分析了电网电压相位突变后电流环控制下并网变流器的响应特性,为并网变流器在电流控制时间尺度下的韧性运行提供了约束条件。通过建立并网变流器在电流控制下的数学模型,对电网故障下变流器的稳定性、调制范围以及最大功率传输容量进行分析,给出了变流器在不同相位差下的多约束运行域及相位差变化下的公共运行域,并对并网变流器的公共运行域进行了参数影响分析。此运行域分析可有效判断电网故障下电流控制的并网变流器是否具备运行韧性,并为变流器的参数设计提供参考。3)分析了电网阻抗扰动下并网变流器中锁相环与电流/功率控制环的交互作用,为并网变流器在锁相-电流/功率控制时间尺度下的运行韧性问题提供了物理机理说明。首先建立了考虑控制环影响的锁相环模型,揭示了电网故障下锁相环与控制环的交互机理。然后根据考虑控制环影响的锁相环小信号模型,量化分析电流/功率控制参数对锁相环稳定性的影响。此交互分析可有效判断在电网故障下多个环路相互作用时并网变流器是否具备运行韧性,为控制环路参数的设计提供理论依据。4)提出了电网故障后多时间尺度控制下并网变流器的动态限幅保护方法,为并网变流器在多时间尺度下的运行韧性提升提供了具体操作流程。根据并网变流器在电流控制时间尺度下和功率控制时间尺度下的数学模型,推导了并网变流器在多时间尺度下的稳定性运行约束,并结合电力电子半导体器件耐受电流约束,设计了基于多时间尺度动态限幅的运行韧性提升策略。此运行韧性提升策略可保证并网变流器在电网故障下的韧性运行以及故障清除后的自主恢复,为并网系统的安全提供了坚实的保障。

关键词： 高压船舶轴带发电系统   模块化多电平   无差拍   重复预测   频率自适应  

摘要： 近年来随着全球能源危机的爆发,生态环境日益恶化,高压大型船舶运输时的碳排量和运营成本不断增加。船舶主机以便宜的劣质重油作为能源,船舶轴带发电机由船舶主机主轴驱动,最大化地使用了主机的富余功率。同时船舶轴带发电机可以部分或完全替换传统的柴油发电机来为全船供电,发电机运行效率高、经济性好,能达到节能减排目的。同时模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)因其具备高度模块化、易扩展电压等级等优势,自提出便引起了广泛关注。因此,研究基于MMC的船舶轴带发电系统中电力电子变换器的控制策略对于全球船舶运输业具有重大现实意义。首先,本文理论推导了同步发电机调速系统和励磁调压系统的相关数学模型。对于调制策略,运用移相载波调制技术,使得输出谐波畸变率低和具备较高的等效开关频率。对于控制策略,在整流时,针对直流侧电压和交流侧电流的稳定问题,采取电压电流双闭环策略。其中,外环采取常规PI策略控制直流侧电压,内环采用无差拍策略控制交流侧电流,与采用常规PI策略相比,无差拍策略具备更好的动态性。由于无差拍模型是基于系统的数学模型,对系统参数较为敏感,因此需要对交流侧电感参数在线辨识。同时针对低开关频率下无差拍的预测误差问题,引入重复控制构成重复预测控制策略降低电流的预测误差,该策略与常规无差拍策略相比,电流预测误差更低。针对船舶轴带发电系统可能出现的频率微变问题,为适应其频率波动,保证控制器不受影响,提出一种频率自适应FIR重复预测控制策略,该策略与常规FIR重复预测控制策略相比,降低了频率波动的影响。鉴于MMC特有的环流谐波问题,提出改进型准比例谐振控制策略达到环流抑制目的,该策略与常规准比例谐振策略相比,环流抑制效果更好。针对各相子模块电容电压稳定问题,提出分层控制策略,该策略与不加入相平衡时的均压策略相比,子模块均压效果更好。在逆变时,采用电压电流双闭环前馈解耦策略输出稳定三相交流电。最终构成完整交-直-交MMC变流系统。本文采用七电平拓扑结构,以MMC交-直-交变流器为研究对象,以船舶轴带发电机为应用背景,以Matlab/Simulik仿真软件为平台,分析并探究了基于MMC的船舶轴带发电系统电力电子变换器控制中存在的多种关键技术问题,并提出相应改进方法进行解决,最终验证了所提方法的有效性与科学性。

关键词： 模块化多电平换流器   参数性故障   结构性故障   深度小波孪生网络   机器学习  

摘要： 模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)因其易于扩展、便于冗余设计、开关损耗低、谐波含量少的优点,被广泛应用于电力电子变压器中作为输入级以实现交、直流电能的变换。MMC集成了数量众多的子模块,每个子模块都是一个潜在的故障点,这极大提高了MMC的故障概率。如何通过高效的故障诊断策略对子模块故障进行诊断以提高系统运行的安全可靠性,是目前亟待解决的问题。本文以工程中应用最为广泛的半桥型结构MMC为研究对象,以提高子模块故障诊断的可靠性、快速性为目标,对子模块的参数性故障和结构性故障诊断技术进行了深入分析和研究。全文工作内容如下:(1)建立了MMC的仿真模型首先,分析了MMC的基本工作原理和拓扑结构,介绍了常用的调制策略、均压方法。然后,根据电力电子变压器中MMC的特点,采用载波移相正弦脉冲宽度调制策略和双闭环控制方法,建立了MMC在整流模式和逆变模式下的仿真模型,作为子模块故障分析与诊断的基础。(2)提出了一种高效的参数性故障诊断方法首先,针对现有参数性故障特征提取方法存在计算复杂及抗干扰性较差的问题,提出了基于匹配追踪的特征提取方法,用于提取桥臂电流和子模块电容电压的频域特征向量。其次,根据子模块工作具有时序的特性,提出了基于长短时记忆(Long Short-Term Memory,LSTM)网路的参数辨识方法,将提取的故障特征向量作为LSTM网络的输入实现子模块电容参数的辨识。研究结果表明,所提匹配追踪算法结合长短时记忆网络的参数性故障诊断方法具备较高的诊断精度。(3)提出了基于深度小波孪生网络的结构性故障特征提取方法针对现有结构性故障特征提取方法较难从小样本数据中提取有效特征的问题,将深度小波神经网络与孪生网络的优点进行结合,提出了深度小波孪生网络(Deep Wavelet Siamese Network,DWSN)用于提取结构性故障的特征。研究结果表明,基于DWSN的特征提取方法能自适应的提取故障特征,使不同故障的特征向量具备较好的分离度。(4)提出了基于机器学习的结构性故障分立化诊断方法针对基于机器学习的子模块结构性故障诊断方法存在数据采集量大、鲁棒性差的问题,提出了基于机器学习的分立化诊断方法,将故障诊断分为了故障检测与故障定位两个阶段。故障检测阶段,提出了在线极限多变量预测模型,用于检测故障的桥臂及功率管类型;故障定位阶段,提出了基于KNN异常值检测的定位方法,用于定位发生故障的子模块。研究结果表明,所提结构性故障诊断方法所需数据量少、鲁棒性较高,且故障诊断速度较快。

关键词： 电力电子变压器   光学传感   局部放电   高频高压   绝缘劣化  

摘要： 在我国能源革命的推动下,用于能源互联的电力电子变压器向高电压、大功率、高频化、小型化等方向发展,而电气绝缘是限制电力电子变压器功率密度提升和长期可靠运行的重要因素。但现有工频电压下的绝缘故障检测技术不能满足电力电子变压器紧凑布局下的缺陷检测需求,因此本文开展新型局部放电光学传感研究,用于评估电力电子变压器绝缘故障缺陷。本文首先设计一种基于Sagnac干涉结构的光学传感系统,深入分析了局部放电超声信号引起光功率变化的过程:当电力电子变压器绝缘介质劣化产生的超声信号传播至光学传感探头时,造成光纤纤芯折射率变化,形成相位差,进而通过输出的光强波动感知局部放电的发生。进一步借助理论分析搭建数学模型,研究了制约光学干涉结构灵敏度提升的关键因素,仿真了不同参数下输出光强的变化,验证了传感光纤、延迟光纤以及初始相位对检测灵敏度的影响。结果表明,在相位调制以及不同种类光学器件的优化配合下,15 m传感光纤绕制的半径为0.5 cm尼龙骨架光纤环和2 km延迟光纤搭建的光学传感系统检测效果最优,与参考传感器相比,在20-100 k Hz范围内灵敏度平均提高30.8 d B。最后,搭建高频变压器局部放电光学检测平台,开展了不同电压波形、频率和幅值下典型绝缘缺陷模型的局部放电故障检测,对比分析了不同波形下放电特征,与类正弦信号相比,重复方波电压下绝缘劣化程度更为严重。此外,频率变化导致方波下单周期放电次数在12k Hz后随频率的增大而增大,而在12 k Hz以下,基本不随频率的变化发生改变。正弦波下的放电幅值、单周期放电次数以及放电重复率均与频率的变化呈正相关关系。通过分析电力电子变压器不同电压下局部放电的特征,为大功率电力电子变压器的状态评估和绝缘优化设计提供了参考。

关键词： 多类型装备   相互作用   多机系统   机理分析   路径级数展开法  

摘要： 基于自稳/致稳性概念,该文提出一种适用于含多电力电子装备电力系统的相互作用分析方法,称之为路径级数展开方法。基于该方法,可清晰刻画多装备本身及它们之间相互作用路径与系统稳定性的直观关系,有助于更好地理解系统不稳定现象背后的物理机理。同时,该方法能够定量衡量每个装备本身以及它们之间相互作用路径等多个子系统对系统稳定性的贡献,这弥补了当前频域分析方法只适用于衡量划分两个子系统特定场景的缺陷。基于含3类不同装备的典型系统和IEEE 16机系统,通过理论推导、定量分析和时域仿真验证了该方法的可行性。