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关键词： 电力电子变压器   级联H桥   DAB变换器   电流控制   移相调制   谐振控制器   离散化  

摘要： 随着功率半导体器件的发展,电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)可逐渐应用在电力机车和动车组的牵引传动系统中,取代工频变压器。PET前端通常使用级联H桥(Cascade H-Bridge,CHB)接入牵引网,后端可使用双有源桥(Dual Active Bridge,DAB)DC-DC变换器实现电气隔离并为牵引逆变器提供稳定的直流电源。要使PET适应牵引传动系统复杂的工作环境,实现全功率范围高性能运行,有必要对各环节的控制策略展开具体研究。为了保证高归一化频率下牵引网电压的跟踪准确性和计算效率,对牵引网同步策略中自适应滤波器的离散化问题进行研究,提出了一种分层离散化的优化策略。对自适应滤波器进行层级划分,研究了对不同层级对象进行离散化所得离散模型的准确性和稳定性。提出应对底层积分器使用预畸双线性变换法进行离散化,在保证跟踪准确性的同时降低系数量化敏感性;通过调整自适应滤波器状态变量的选择并利用泰勒级数计算高精度系数的方法,实现计算效率的提升。为了使CHB实现对基波电流的快速无静差跟踪和对谐波电流的抑制,提出了一种多矢量比例积分谐振控制器的设计方法。针对CHB电流环延时较大的问题需要加入相位补偿,但系统成为了非最小相位系统,造成控制器参数耦合。对此提出了一种基于增益解耦的参数优化设计方法。该方法利用Nichols图进行频率响应分析,将增益设计转换成最小的幅值裕度和多个相位穿越频率的设计,实现了控制器增益解耦;以调整时间和超调量为优化目标,实现增益参数最优设计,提升电流环动态性能。为了避免DAB在功率动态变化过程中出现直流偏置电流,导致变压器偏磁饱和甚至造成器件损坏,提出了一种全功率范围无直流偏置的移相调制策略。通过交错更新DAB原副边开关信号,使原副边在动态过程中产生的伏秒值偏置相互抵消,在不增加任何额外过渡周期的前提下实现了动态过程直流偏置电流的抑制。通过给出三电平调制策略的移相范围限制公式,避免动态过程中开关信号丢失,保证移相调制的全功率范围运行。为了解决DAB低功率运行时因死区造成实际传输功率偏离理论值,引起PET中间母线电压波动的问题,提出了一种移相控制策略实现准确功率控制。该策略以保证伏秒值平衡为目标确定原副边电压占空比比值,使变压器电流在半个周期内回零,减小因死区造成的回流功率。在此基础上,降低占空比随传输功率提升的增大速度,扩大准确实现死区补偿的功率范围。最终消除低功率下的死区效应,保证实际传输功率等于理论传输功率,进而抑制PET母线电压波动。设计了PET样机及其牵引控制单元。在全功率范围运行实验中,CHB维持较低的并网电流谐波,动态响应迅速;DAB维持输出电压的稳定,实现动态功率双向流动。实验验证了本文研究的PET控制策略可以满足牵引传动系统的需求。

关键词： 电力电子变压器   变换器   模块化   控制   均压  

摘要： 随着科技的进步,各国对新能源的研究也日益发展,目前已经能对风能、太阳能和潮汐能进行合理利用。然而传统变压器本身具有局限性,不能很好的处理新能源接入电网带来的电网能量流动复杂多变、电网电压不对称和频率偏差等电能质量问题。随着现代电力电子技术的日趋成熟,高压大功率器件已可投入实际使用,电力电子变压器成为了电网中完成电压变换的最好选择。其中基于模块化多电平变换器结构的电力电子变压具有很好的控制能力,发展前景有力。首先,论文对电力电子变压器的研究背景及意义进行了概述,对电力电子变压器的发展过程进行了回顾,并列举分析了几种典型的拓扑结构;针对当前热门的模块化多电平型拓扑结构,对其相关技术的研究现状进行了介绍。论文设计了一种全模块式的电力电子变压器拓扑,该拓扑为三级式结构,接着对变压器中的各级拓扑结构和采用的子模块进行了说明,并详细阐述了子模块的工作原理,在此基础上完成了各级结构数学模型的建立。其次,确定了系统的基本换流控制策略为双闭环结构控制,并对双闭环中的传统控制方式进行了分析和改进,采用了基于内模控制的内环电流控制策略和基于自抗扰的外环控制策略,提高了对系统的控制能力;通过对系统环流的分析,结合自抗扰环流控制策略实现对环流的抑制,提高系统的环流抑制效率。在调制控制方面,系统选用最近电平逼近策略对系统进行调制,在此基础上提出了基于极值索引排序的均压策略,并针对子模块的开关频率进行了优化,以此提升均压效果并降低系统开关频率。论文最后对全模块式电力电子变压器的主电路参数以及硬件软件进行了设计,然后利用MATLAB仿真平台对各级结构和整体系统进行了模型搭建,对换流控制策略、环流抑制策略和均压优化策略进行了仿真分析,仿真结果证明了所采用的策略具有相应的控制效果,能符合预期控制需求。

关键词： 多端口电力电子变压器   交直流混合供电系统   集群   可靠性评估   优化配置  

摘要： 随着分布式可再生能源、直流负荷大量接入配电网,国内外学者陆续开展含多端口电子电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)的交直流混合供电系统配置和运行优化方面的研究。本文主要以高比例新能源和直流负荷,经多台多端口PET接入交直流混合供电系统为研究对象,建立含多端口PET交直流混合供电系统的核心装置通用数学模型,研究满足用户灵活用能需求的系统优化配置、多台PET集群运行优化方法、含多端口PET交直流混合系统可靠性评估及优化配置,阐述如下:(1)提出交直流混合供电系统中多端口PET的通用数学模型。结合多端口PET的内部结构阐述了其工作原理,建立了PET端口功率约束条件,基于端口损耗特性,构建端口损耗模型和功率平衡约束方程,建立计入端口损耗的含有多端口PET交直流混合供电系统通用数学模型,依据多端口PET典型应用场景和实际不同区域负荷类型特征,设计含有多端口PET的交直流混合供电系统的综合网架结构,建立多级有向无环图的拓扑,为含多台多端口PET的交直流混合供电系统的配置和运行优化研究奠定理论模型基础。(2)提出一种满足用户灵活用能需求,自定义能量转换关系约束的两阶段混合整数线性规划方法。基于供电系统设备类型和容量配置、拓扑连接线提出含多端口PET的交直流混合供电系统配置方案,解决交直流混合配网结构多变、能量转换关系复杂与用户需求多样的多能源系统互补优化配置问题;利用以有向无环图为拓扑结构的交直流混合配电网标准化模型和考虑能量转换关系的多级优化配置模型,结合网络中能量流动关系矩阵,定量描述电转热、热转冷、电转冷等多种能源之间的转换关系;对含有多端口PET的交直流混合供电系统实例进行优化配置求解,验证标准化模型和两阶段线性规划方法的有效性。(3)提出含多台多端口PET集群的交直流混合供电系统结构,并建立M台N端口PET集群系统能效优化模型。针对PET端口能耗的非线性特性,进行数据拟合,构建PET端口损耗的数学模型;研究针对多台多端口PET集群系统的多层多时间尺度控制方式,提出交直流混合系统中PET各端口的控制策略,建立PET集群控制层能效优化模型,并设置不同算例,验证了本文研究PET集群运行控制方式和系统能效优化模型的合理性,验证该模型在提升PET集群系统总能效方面的有效性。(4)提出含多端口PET的交直流混合供电系统可靠性评估方法。根据电力电子变压器基本原理、拓扑结构,建立PET装置可靠性计算的方法和关键模块可靠性计算指标,运用可靠性框图技术对PET的两种典型结构可靠性进行对比;以某典型数据中心负荷交直流混合供电系统为研究对象,对PET并联集群的供电可靠性进行分析建模;基于序贯Monte Carlo仿真算法模拟含PET的实际供电系统的工作运行状态;分析了多台多端口PET并联集群方式以及端口容量限制对供电系统可靠性的影响,验证模型和算法的有效性。(5)研究含多端口PET和多种分布式新能源的交直流混合供电系统的优化配置方法,提出内层运行外层配置的双层优化配置方法,并基于NSGA-II算法求解,并通过设置含PET集群系统10k V母线功率互济,考虑PET正常运行和发生N-1故障下PET端口容量配置,以及含多端口PET交直流混合供电系统接入配电网选址优化算例,分析多端口PET对集成多种分布式新能源的交直流混合供电系统优化配置问题的影响。最后对全文做了总结,并进一步说明了今后的研究方向。

关键词： “互联网+”   线上教学   电力电子技术课程  

摘要： 本文简单分析了电力电子技术课程教学的改革背景,并提出了搭建数字化教学资源、实施"线上+下线"混合的教学活动、引入"线上+直播"混合的教学活动、纳入MOOC课程的教学模式这些基于"互联网+"的线上电力电子技术课程的教学策略。

关键词： 电力电子变压器   共同占空比控制   电压均衡   同步三重移相控制  

摘要： 随着对智能电网与能源互联网的深入研究,传统的电力变压器暴露了许多不足,相较于传统变压器,电力电力变压器不仅具有传统变压器的功能,而且具有体积小、能实现网侧电压电流单位功率因数运行、能提供稳定的并网接口等优势,逐渐成为新一代电网的重要设备。本文以单项级联型电力电子变压器作为研究对象,针对其输入级级联H桥(Cascaded H-Bridge,CHB)和隔离级双有源桥(Dual Active Bridge,DAB),主要作了以下研究工作:(1)分析了级联型电力电子变压器输入级CHB和隔离级DAB的拓扑结构和工作原理,介绍级联H桥整流器当前常用的调制方式,同时,也介绍了隔离级DAB目前常用的三种移相控制方式,并分别推导DAB在单重移相和双重移相控制下的传输功率和回流功率表达式。(2)针对级联输入级的控制目标,为了保证网侧电压和网侧电流为单位功率因数,本章提出用基于虚拟dq矢量变换的共同占空比控制,并且建立此种控制下单相级联H桥整流器的小信号模型;然后分析了级联H桥输出电容电压不平衡的原因,为了解决电容电压平衡问题,提出两种解决办法:一种是在载波移相的调制策略下,在虚拟dq矢量控制环节中加入均压环来平衡输出电容电压;另一种是在混合脉宽的调制策略下,基于电容电压排序的电压平衡控制方法。然后,分析比较两种方法下的输出电压谐波含量,并在MATLAB/Simulink中建立了CHB型电力电子变压器的仿真模型,验证所提控制策略的正确性和有效性。(3)介绍了DAB同步三重移相控制的工作原理,然后对运用同步三重移相控制方法下的DAB变换器,建立传输功率、回流功率的数学模型。然后分析DAB在电压转换比k≥1降压状态和k<1升压状态这两种工况下的软开关情况,并分别得到两种工况下,以软开关为约束条件的最优移相角的数学表达式,进而提出全工况下的同步三重移相控制的最优回流功率控制。最后,在MATLAB/Simulink中建立了基于同步三重移相控制的DAB仿真模型,仿真结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。

关键词： 多端口电力电子变压器   模块化多电平换流器   载波移相调制   硬件在环仿真   RT-lab仿真机  

摘要： 电力电子变压器具有电气隔离、功率因数调节、体积小、提供不同电压等级的交直流电压接口和方便获取可再生能源等特点,在智能电网和能源互联网中受到广泛关注。在现有的电力电子变压器拓扑和智能配电网研究的基础上,本文提出了一种基于混合模块化多电平变流器的多端口电力电子变压器拓扑。该拓扑结构由混合子模块MMC、串联输入和并联输出的隔离DAB转换器和低压逆变器组成。主要研究内容如下:第一,对电力电子变压器的系统结构及工作原理进行研究,将电力电子变压器的拓扑结构分为几个模块展开针对性研究,分别包括混合MMC、串联输入和并联输出的隔离DAB转换器、低压逆变器和交直流负载接口。研究其单独的调制与控制原理,进行初步的数字仿真,为整体研究打下良好的基础。第二,在RT-lab仿真机中搭建了10k V/DC±375V/AC380V高低压配电网模型和多端口电力电子变压器的仿真模型,用基于FPGA的控制器对虚拟多端口电力电子变压器进行控制,RT-lab和控制器之间通过SFP进行数据交换,实现了实时的硬件在环仿真,验证了所提拓扑和控制策略的可行性和可靠性。为今后开发同类产品,缩短了开发周期短,提高了工作效率和降低了开发成本等。第三,将论文研究的多端口电力电子变压器应用在南方电网的一个实际示范工程项目中,该项目由四台多端口电力电子变压器组成。根据示范工程的设计方案和现场调试要求搭建了整体配网方案,通过该平台,进行了电网及核心设备的能量流动、运行方式、动态特性及故障特征的研究,通过试验来校验整个系统的网络结构和控制策略合理性,最大限度减少控制保护系统缺陷带到现场的可能性,为设备研制和工程现场设备调试工作提供全面技术支撑。

关键词： 电力电子系统   集成化   发展现状  

摘要： 电力电子系统集成技术是一项非常重要的技术,对电力电子系统的发展有着非常重要的影响.基于此,本文探讨了电力电子技术的发展,分析了电力电子系统集成的内容以及发展目标,研究了实现电力电子系统集成的方法.

关键词： 多形态接口电源   低电压穿越   配电网   故障分析   差动电流  

摘要： 分布式发电技术的发展对能源形式多样性及能源安全提升具有重大意义,多形态接口的电力电子电源的发展带来了配电网故障特性的改变,对传统故障分析带来了挑战。基于此角度,本文分析了以光伏、双馈风机、虚拟同步机为接口形式的电力电子电源的稳态及故障特性,并给出了故障电流的表达计算式,从而根据故障电流特性提出了故障分析模型及对策。主要研究内容如下:对多形态接口的电力电子分布式电源进行建模,从物理本体和控制策略的角度上完成了多形态接口的电力电子分布式电源的稳态仿真,其中双馈型及光伏分布式电源采取了MPPT&PQ控制的输出方式,虚拟同步机通过引入惯性完成了对同步电机的输出模拟。分析了电力电子接口型分布式电源的低电压穿越策略。完成了双馈风机型分布式电源的基于Crowbar撬棒控制的故障穿越策略并进行了仿真,完成了光伏分布式电源及虚拟同步机的基于变流器限流及负序电流抑制的低电压穿越。并根据半耦合型及非耦合型电源结构特点给出了故障电源的电流计算表达式,分析了故障电流的相位及谐波特性。对于配电网中接入非耦合型电源时的故障电流进行了特性分析,给出了一种考虑到电流幅值与角度特性的配电网故障电流分析模型。该模型能准确分辨出区内故障、区外故障,并据此提出了一种基于差动电流的故障判断方法。通过仿真验证,该故障分析模型具有可调节灵敏度的能力。对于配电网中接入半耦合型电源时的故障电流进行了特性分析,给出了一种考虑到电流幅值与谐波特性的配电网故障电流故障分析模型。该模型能准确分辨出区内故障、区外故障,并据此提出了一种基于差动电流的故障判断方法。通过仿真验证,该故障分析模型具有抗过渡电阻干扰的能力。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台对多形态接口电力电子电源的稳态、故障模型及提出的故障判据进行了仿真验证,验证了所提分析及方案的有效性。

关键词： 单相两单元电力电子变压器   协调控制   无电感值解耦   无电流传感器均流   二维调制  

摘要： 经济发展伴随着能源消耗及能源需求量的增涨,给自然环境带来的全新挑战,电力发展与资源环境的矛盾不断增加,使得能源消费模式低碳化、能源系统清洁化以及推进能源互联网的建设成为全球能源发展的趋势所向。为了应对高压大功率和输配电等级和容量等级的更高的需求,传统电力变压器不再适用此场合,采用输入串联拓扑结构型的电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)来代替传统电力变压器显得日趋重要。输入串联型PET结构复杂,多电气量耦合干扰,因此研究PET的协调控制对PET的实际应用具有重要意义。本文针对单相两单元输入串联型PET为研究对象,针对各模块电压平衡,功率均衡和电能质量等问题进行了深入研究。针对电力电子变压器输入整流级需要获得快速平衡且抗干扰能力较强电容电压,采用SOGI法构建虚拟正交量建立数学模型后,为电压环设计了滑模变结构控制器,电流内环采用无电感参数的电流解耦控制策略。较于传统PI双闭环控制,输出直流电压能更好的追踪设定值,对外界参数,尤其是电感的扰动的抗性进一步加强,获得更高动态性能的输出电压。调制方法选用二维调制技术,进一步加快了电压的平衡速度。在Simulink软件中建立单相两单元输入串联型PET模型,并在负载突变和电感突变的情况下与传统PI控制进行对比。结果表明了该控制方法在外界扰动情况下系统鲁棒性较强,动态性能好。为了实现电力电子变压器各单元功率平衡的协调控制目标,通过对反馈式功率控制计算繁杂和前馈式功率控制对传感器性能要求较高,影响控制效果的缺点进行综合考量,提出了一种无电流传感器的均流控制策略。该方法根据传输功率的计算公式,通过上一周期的移相角和输入电压计算得到平均电流值来完成均流控制。在Simulink仿真软件中验证了本控制方法,结果表明该控制方法在PET整体控制、漏感参数不一致的情况下可以实现均流控制进而实现了功率均衡。表明了本控制方法的可行性。最后,搭建了单相两单元型电力电子实验平台,介绍了本课题组使用的DSP+FPGA的硬件控制板;介绍了相应器件的选型以及电路的设计,同时对软件流程进行了编写。实验验证了本文提出协调控制策略的有效性和可行性。

关键词： 电力电子变换器   物联网技术   模块标准化   功能定制化  

摘要： 物联网正加速与现代电力工业系统互相融合,助力传统电力网络向智慧电网转型。电力电子变换器作为发电侧与用户侧之间的关键接口,引入物联网技术是未来的发展趋势。如何实现物联网技术与电力电子变换器的融合成为学术界和工业界关注的焦点。目前已有多种物联网技术与电力电子变换器的融合设计,例如利用物联网技术实现电力电子变换器的远程监测与故障切除,利用物联网技术实现电力电子变换器的灵活控制,以及利用物联网技术实现电力电子变换器的功能扩展等。本文尝试实现电力电子变换器“模块标准化”设计,从而灵活组成各类系统;进而利用物联网技术实现系统的“功能定制化”,以简化系统设计流程,节省设计成本。本文主要的研究内容有:(1)对物联网技术进行简要介绍,归纳物联网技术在电力电子变换器中的应用现状,讨论其与传统电力电子变换器的异同。进而归纳电力电子变换器在引入物联网技术后的特点,为“模块标准化”和“功能定制化”设计提供参考。(2)以应用最为广泛的桥式变换结构为基础,详细分析如何实现电力电子变换器的“模块标准化”,并讨论模块中物联网组件的设计考虑。基于所设计的标准化模块,用户可方便地组成不同系统,显著降低设计成本,有利于装备的快速部署。(3)在模块标准化的硬件设计基础上,进一步探讨了电力电子变换器的“功能定制化”设计方法。通过对传统电力电子变换器控制系统进行改造升级,添加与物联网相关的程序组件,最终实现“功能定制化”的设计目标。最后,本文设计了若干类标准化模块样品,并给出了多类电能变换系统的配置示例,展示了“模块标准化”的优势;针对不同系统定制不同的控制方案,并通过网络实现了远程配置与更新,展示了基于物联网技术实现“功能定制化”的可行性。实验结果亦证明了上述设计的有效性