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关键词： 电力电子变压器(PET)   级联H桥(CHB)   电磁暂态(EMT)   诺顿等效建模   闭锁   多线程并行计算(OpenMP)  

摘要： 随着能源互联网的建设和发展,电力电子变压器(power electronic transformer,PET)作为“能量路由器”的核心装备,已成为近年来学术界、工程界研究的热点。其中,基于高频变压器磁耦合的级联H桥型PET具备高压交流端口和低压直流端口,在光伏汇集和交直流混合配电网领域具有广阔前景。级联H桥型PET具备“高频”、“隔离型”和“多模块”3个典型特征,其中,“高频”和“多模块”使其电磁暂态详细模型的离线仿真速度极慢,阻碍了含PET电网的仿真研究进展及大规模工程应用。因此,研究开发在保证仿真精度前提下的PET高效建模方法,具有重要的理论及工程意义。针对上述问题,论文的主要研究工作如下:首先,基于诺顿等效及嵌套快速同时求解算法,提出一种适用于非闭锁工况的级联H桥型PET电磁暂态仿真提速模型。具体而言,即通过灵活构造高频变压器原/副边的解耦伴随网络,将级联子模块分割为两个单端口网络。由于对外等效为仅包含4个外部节点的戴维南-诺顿等效电路,使得所提模型在系统整体求解过程中计算复杂度几乎不随子模块个数增加。在PSCAD/EMTDC中搭建了 10kV/3kV级联H桥型PET系统,仿真结果验证了所提模型的精度及加速效果。其次,提出一种适用于级联H桥型PET闭锁状态的等效建模方法。以一个实际算例说明闭锁状态的电路特征;经过合理简化后,推导部分闭锁和完全闭锁状态下的戴维南-诺顿等效参数;分析闭锁等效模型的3种实施方式,提出一种与非闭锁模型共用状态变量存储单元的集成方法;在PSCAD/EMTDC中进行启动、电压跌落及直流故障闭锁工况仿真,验证了所提出模型具有足够的仿真精度。最后,为进一步提高仿真效率与CPU利用率,论文利用所提等效方法的高度可并行性,建立了等效模型多线程并行仿真框架,提出一种隔离级采用多有源桥的级联H型PET(简称多有源桥型PET)的并行等效建模方法,并对并行算法加速效果的影响因素进行了评价分析。通过PSCAD/EMTDC仿真验证,所提等效模型能够对详细模型实现多工况高度拟合,仿真加速比可达2到3个数量级。同时,基于最优线程数的并行等效模型可实现对串行等效模型1.3-3倍的二次加速。

关键词： IGBT   损耗模型   热模型   结温   可靠性  

摘要： 绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor）因其开关频率高、导通损耗小等优点在电力电子变换装置中大量使用,IGBT的安全运行对提高电力电子变换装置的可靠性起到至关重要的作用。但随着IGBT使用场景的功率等级和电压等级不断提高,其失效率也在不断增加。在IGBT运行过程中,由于应用场景不同,随机的外部因素如过电流、过电压等将导致结温瞬间升高,造成器件随机失效;各种工况下长期的热应力和电应力会对IGBT模块循环冲击,导致芯片与封装疲劳而造成器件老化失效,IGBT结温是降低器件失效率、预测器件寿命、提高系统可靠性的重要参数。所以需要建立多工况下电力电子变换装置IGBT瞬态结温模型,对IGBT在工作过程中的结温进行准确计算。首先,论文对IGBT在工作过程中的基本特性进行了分析,结合IGBT双脉冲测试,研究了影响IGBT瞬态损耗的工况参数,并对工况参数与IGBT损耗特性参数间的关系进行多项式拟合;基于损耗特性参数分段建立器件开关和导通损耗模型,对不同工况点IGBT单个周期瞬态损耗进行计算,并与测试结果对比,验证考虑多工况参数IGBT瞬态损耗模型的正确性。其次,基于IGBT模块传热特性,建立IGBT有限元模型,研究不同工况下输入功率参数、环境温度参数和散热参数不同时,对传统多芯片Foster模型各层热参数的影响;以数学的方法对工况参数与Foster模型中各层热阻热容建立拟合关系,修正传统多芯片Foster模型;对不同工况条件下,IGBT模块的稳态结温和瞬态结温进行理论计算,并与有限元模型仿真结果、传统热模型计算结果进行对比,验证修正热模型的正确性。最后,基于DC-DC BUCK变换器基本工作原理和负载特性,建立负载率变化时变换器电应力模型,通过MATLAB仿真软件建立负载率变化工况IGBT模块结温计算模型;搭建DC-DC BUCK变换器实验平台,对建立的IGBT损耗模型和热模型进行验证和分析,提出的IGBT瞬态结温计算模型能够准确反应IGBT损耗和结温的瞬态变化过程。上述的研究建立了适用于不同工况下电力电子变换装置中IGBT瞬态结温计算模型,可以准确快速的得到IGBT在工作时结温瞬态变化,可以用于IGBT模块健康状态监测和寿命预测,从而提高系统的可靠性。

摘要： 随着电力电子变换装备在源-网-荷等各环节的广泛应用,电力系统正呈现高度电力电子化的特征,深刻改变着电力系统的动态行为。近年来,国内外电力系统持续出现各种不明机理的动态问题,对电力系统安全稳定运行构成重大威胁。为此,电力电子化电力系统及装备的稳定与保护等问题得到国内外学者的广泛关注,已成为电气工程学科的研究热点和学术前沿。为集中展现电力电子化电力系统及装备领域的最新研究进展和发展趋势,《电源学报》特别推出"电力电子化电力系统及装备"专辑,以期推进电力电子化电力系统及装备领域在稳定、保护及控制等方面的研究成果的宣传和讨论。

关键词： 电力电子变压器   软启动   能量回馈   协调控制   模型预测控制  

摘要： 电力电子变压器(PET)在可再生能源发电并网系统、电能路由器、牵引变压器、电池储能系统等领域都有着广阔的应用前景。PET一般由AC/DC变换器和高频隔离DC/DC变换器两部分组成。基于级联H桥(CHB)和双有源桥(DAB)变换器的PET是最为广泛研究的一种拓扑结构。针对PET从启动到正常运行的控制策略,本文展开了一系列的研究工作:针对提高PET启动速度与降低启动过程冲击电流相互矛盾的问题,提出了一种基于能量回馈的PET软启动策略。与传统硬启动导致冲击电流过大或者传统斜坡式启动导致速度慢且斜率设计困难不同:一方面,该策略始终令DAB工作于峰值电流控制模式下,以加快启动速度;另一方面,直接基于PET内部各变换器的电流和功率模型,该策略能够实时计算和控制软启动过程中的各变换器的电流峰值,以限制启动过程冲击电流。因此,提出的策略能够在保证系统安全的情况下最大化利用DAB的功率传输能力。既避免了复杂的启动过程控制参数设计又同时兼顾了启动安全性和启动快速性两方面因素。针对当CHB和DAB的闭环控制动态响应特性差异较大时,高、低压直流母线电压容易出现大幅波动的问题,提出了一种基于PET内部能量流动的协调控制策略。与传统策略CHB和DAB分别控制高、低压直流侧电压导致这两部分控制相互耦合不同,该策略站在能量流动而非电压的角度,将CHB和DAB的控制功能分别划分为能量“总和”控制与能量“转移”控制两部分,实现了CHB对于DAB控制活动的解耦。该策略将PET直流母线储能总量的波动定量地分配给高、低压直流母线共同承担,以使所有直流母线能量的相对偏差的平方和达到最小。通过在DAB级引入模型预测控制,将PET的两级式四阶系统简化为单级式二阶系统,大幅削减系统控制参数设计的复杂性。该策略有效提升直流电压的动态响应性能,对于电路参数的不一致也有较强的鲁棒性。最后,搭建了小功率实验平台,验证了所提控制方法的正确性和有效性。

关键词： 电力电子变换器   故障检测   红外热成像   目标检测算法   阈值分割  

摘要： 随着电力电子变换器在各行各业的广泛应用,用户对其可靠性亦提出了更高的要求。为了提高变换器热设计的可靠性,需在设计验证阶段对变换器进行温度检测。基于红外热成像的测温方式具有获取温度信息丰富、覆盖面广、安全高效等优点,已被广泛应用于电路温度监测。但受限于红外热成像机理,元件在热图像中无法自动实现定位。本文将红外热成像和图像识别技术相结合,提出了一种解决红外热图像中电路元件定位的方法,进而实现了基于温度信息的电路故障自动检测。可见光图像分辨率高、图像清晰,将可见光图像与红外热图像相结合,采用深度学习领域的目标检测算法,既可精确地判断元器件的位置和大小,又可获取元器件全面的温度信息。本文研究了如何将目标检测算法与电力电子元件识别功能融合,制作了业内首个用于电力电子元件识别的数据集,对电路元件识别算法的模型进行训练,并引入平均精度均值和交并比等指标对训练结果进行了量化评价,实现了对可见光图像中电路元件自动识别和定位的功能。利用元件识别算法输出可见光图片中的元件位置信息,本文采用仿射变换将位置框配准到红外热图像中,完成了元件在热图像中的初步定位。针对红外热图像矩形位置框中包含元件部分和非元件部分图像的问题,本文进一步将位置框的局部图像进行阈值分割,提取出只包含元件的区域,以实现元件温度信息的更准确提取。在此基础上,本文采用温度序列检测法对元件进行故障诊断,将元件的最高温度、最低温度、平均温度和中值温度作为温度特征值,通过待测电路元件温度特征与标准电路参考温度进行对比计算,得到温度序列的失配率,根据多个温度特征值的失配率判断元件是否发生故障。接着提出了将温度信息反馈给电路控制器作温度闭环控制的方法。实验部分,本文以三相桥式逆变电路为例对上述设计进行了实验验证,实验结果证明了本文电路温度监控系统设计方案的可行性和准确性。本文是一次电力电子与图像识别跨学科交叉的创新性尝试,创新点在于:(1)建立了首个用于电力电子元件识别的数据集,便于研究人员开展后续的算法研究。(2)利用视觉算法自动识别元件种类并获取元件的温度信息(3)根据电路运行原理设计了电路故障诊断算法,并可将元件温度作为反馈信息用于电路控制。

关键词： 多绕组电机   电力电子噪声   振动抑制   载波移相调制   共模噪声  

摘要： 近年来,电气化在船舶、汽车、轨道交通等领域不断深入发展。交通电气化极大地重塑了现代交通系统的发展方向,也带来了一系列的问题和挑战。随着国家对船舶电力推进、新能源汽车和电气化轨道交通等领域的不断投入,对现有电力驱动系统的性能进行深度优化,具有重要的科研和应用价值。在电机侧,电气化交通场合的电压等级严重限制了电机系统功率等级的提升。通常可以采用多套绕组设计提高电机系统的功率等级,这就带来了多绕组电机的实际需求和优化空间。在驱动侧,电力电子器件的广泛应用带来了严重的高频振动、噪声和电磁干扰(EMI)等电力电子噪声问题。本文以双绕组电机为例,将多绕组电机及其驱动系统作为研究对象,对低耦合多绕组电机设计方案、高频振动机理、共模噪声等电力电子噪声进行了较为系统的研究。本文首先分析了多绕组电机系统的拓扑演化路径,提出了集成化多绕组电机系统的电路拓扑,并基于该拓扑采用载波移相调制方案,利用多套绕组间载波自由度,有效改善了多绕组电机系统在高频段的电磁性能。同时,载波移相调制也带来了诸如高频环流等问题,本文将系统地分析基于最小耦合的多绕组电机模块排布优化,以匹配载波移相调制算法,并通过相关仿真和实验对上述结论进行验证。在完成多绕组电机优化设计的基础上,本文将进一步分析载波移相调制方案对于电机相电流高频谐波的影响,并从谐波电流入手,分析相应的电磁力在载波移相调制算法下的分布规律,明确载波移相对切向电磁力和径向电磁力幅值、空间分布的影响。同时,电机系统的振动分析不仅与电磁激振力的频谱特性相关,还与其空间振型阶次、固有振动模态等密切相关,本文还将从载波移相对力波阶次改变的角度,在考虑特定振型阶次和固有振动频率的基础上,对载波移相与高频振动的关系进行系统性的分析。最后,以双绕组电机为例,对载波移相调制算法下电机系统的电流特性、切向电磁力、径向电磁力和共模噪声等电力电子噪声进行了实验对比,通过实验验证了多绕组电机系统的可行性和新型调制策略在电力电子噪声抑制方面的有效性,总结了应用载波移相调制策略的多绕组电机系统在不同类型电力电子噪声分析中的不同抑制机理,并针对不同应用场景提出了针对性的解决方案。

关键词： 电力电子变压器   无差拍控制   电压平衡控制   双移相控制   重复控制  

摘要： 电力电子变压器(PET)也被称作为柔性变压器,是对不同电力特征的电能进行变换而满足负载需求的电力设备。也可以通过这种变压器对网侧电流、电压进行控制,并据此实现单位功率因数调节、电力隔离等功能。单相级联型电力电子变压器的应用范围广,它有输入级、隔离级和输出级三级结构。本文对这种电子设备的控制策略进行研究,论述了单相PWM整流桥,单相逆变器的拓扑结构。相关研究内容和所得结果如下:(1)首先介绍了输入级的结构与原理,分别对单相PWM整流器和级联型PWM整流器的调制方式进行分析。然后对隔离级双有源桥DC-DC变换器和输出级三相逆变器的拓扑结构和工作原理进行分析,介绍了双有源桥DC-DC变换器在双移相控制下的工作状态。(2)PET输入级以实现网侧电压和电流的单位功率因数控制为控制目标,使网侧电流波形质量得到改善,减少低次谐波对电网的影响。本文针对PWM整流器会受到不确定因素时对整流器的输出产生控制延时和响应速度慢等问题。提出一种改进的无差拍控制算法,建立了单相PWM整流器的数学模型。在无差拍算法的基础上引入了基于差分方程的模型预测控制策略,从而用于减小无差拍控制算法中采样误差对电流控制产生的影响,提高电流预测精度电流。(3)分析输入级单元的H桥直流输出电压不平衡的原因,鉴于传统的电压排序方法次数较多,导致H桥单元开关数量增加的问题,提出了一种改进的电容器电压平衡控制策略,并通过比较改变调制比大小和冒泡排序法两种控制策略,验证了本策略的优越性,仿真结果表明,在电容电压波动的同时,该策略有效地降低了H桥单元的开关频率和开关损耗。(4)分析了双有源桥式DC-DC变换器在双移相控制下的隔离级功率特性。根据对传输功率和回流功率的计算,采用了一种改进的双相移控制策略上,仿真结果表明,所提出的控制策略不仅可以降低回流功率,降低开关管电流应力,还可以有效提高变换器的传输效率。然后分析了关于输出级逆变器传统的重复控制策略存在的问题,并采用了一种分数相超前重复控制策略,仿真结果表明所提出的控制策略可以保持输出电压的稳定性,并能有效抑制奇次谐波的整流器负载,使系统具有更快的响应速度并具有良好的动态和静态性能。

关键词： 多脉波整流技术   脉波倍增   谐波抑制   电力电子变压器  

摘要： 12脉波整流器能消除输入电流中的5次、7次谐波,但输入电流中仍含有大量的谐波,输入电流THD仍然较高。进一步细分变压器的输出电压相数,可以增加整流器的脉波数,进而有效抑制电流谐波,但随着脉波数的增加,移相变压器的设计和加工变得更为困难。此外,工作于低频状态的移相变压器的体积笨重,通常占整流器总体积的70%以上,限制了其在要求具有较高功率密度工业场合的应用。为此,本文将基于电力电子变换技术的移相变压器与直流侧脉波倍增技术相融合,围绕直流侧脉波倍增原理和电力电子移相变压器的调制原理展开研究。首先介绍了现有抽头式平衡电抗器的工作模态,分析了使得输入电流THD和负载电压脉动最小时的抽头变比,给出了T-IPC倍增整流器脉波数的机理,分析结果表明T-IPC在直流侧产生的方波环流完全抵消了原输入电流中的n=12h±1(h为奇数)次谐波。但抽头上的二极管串联在负载回路,产生的附加损耗严重。为此,本文提出了一种改进型抽头式平衡电抗器,分析了它的工作模态和最优变比,最优变比条件下流过抽头二极管的电流幅值仅为负载电流的3.4%,将抽头二极管的导通损耗降低了两个数量级。明确了IT-IPC的脉波倍增机理,分析结果表明了尽管IT-IPC与T-IPC都能实现整流器的脉波倍增,但二者对某些次特定次谐波调制的效果不同。为了进一步降低移相变压器的体积和重量,提高整流器的功率密度,提出了一种基于电力电子移相变压器的多脉波整流器。通过在网侧输入电源与中频移相变压器之间引入AC/AC变换环节,将工频输入电压调制为中频交流电,使变压器的磁芯工作于中频状态,有效降低移相变压器的体积和重量。分析了AC/AC变换器的调制作用,介绍了中频条件下三相整流桥换流过程,计算了整流桥直流侧输出电流电压表达式。AC/AC变换器并不改变整流桥输出电流电压特性,在此基础上,将IT-IPC与电力电子移相变压器相结合,形成了一种具有较高功率密度的24脉波整流器。搭建了一台输出功率为1.3k W的试验样机,验证了理论分析的正确性,并给出了系统故障(输入断相和IT-IPC中二极管开路故障)时的理论分析和实验结果。实验结果表明,移相变压器工作在500Hz时,变压器的体积减小为原来的三分之一左右;输入电流谐波被有效抑制,输入电流THD从11.4%被减少到4.2%;IT-IPC中二极管发生开路故障时也具有一定的谐波抑制效果。

关键词： 半实物仿真   FPGA   LABVIEW   监控系统   开关建模  

摘要： 在电力电子系统的设计和分析的过程中,开发者适当地进行半实物仿真实验,可以有效地缩短产品的研发周期、降低开发费用,还可以很大程度上保障人员的安全。电力电子半实物实时仿真技术及平台的研发,可以方便电力电子技术的实验与教学。针对电力电子半实物仿真教学实验需要,研究开发低成本解决方案,基于Lab VIEW软件和FPGA板卡,本文设计了一种高性价比电力电子半实物实时仿真平台。实验平台由Lab VIEW软件编制的监控系统和模型运算单元FPGA板卡组成,监控系统通过以太网与FPGA板卡数据交换,平台系统可以进行多种电路拓扑模型的下载安装和半实物实时仿真实验。论文的主要研究内容包括:(1)研究了电力电子半实物实时仿真平台的架构和系统模型形成的原理,在分析比较各类建模方法的基础上,利用二值电阻法建立了Buck电路仿真模型。(2)介绍了SG软件开发环境,设计了FPGA的通用仿真模型框架,将上述建立的Buck电路模型应用到模型框架中,并对模型下载方式进行了详细说明和介绍了ARM系统相关配置。(3)在FPGA+PC结构的实时仿真平台样机上,设计了基于Lab VIEW的监控系统架构和模型数据文件格式,实现了多模型库文件的下载运行、参数设置和模型电路拓扑图显示,采用了多线程算法进行接收和解析数据,实现了仿真波形曲线的实时显示。通过上述研究,论文基于实验样机平台,进行了Buck电路的实时仿真实验,并与SG仿真平台下的结果进行对比分析,验证了本文设计的电力电子半实物实时仿真平台的准确性和可靠性。

关键词： 奇异摄动理论   电力电子接口   降阶模型   暂态稳定  

摘要： 大量新能源发电通过电力电子接口与同步交流系统耦合,这会改变系统的暂态失稳模式。系统级仿真中如何对电力电子接口电源降阶建模和聚合等值,成为新能源并网中亟待解决的难题。本文从电力电子接口电源的特性入手,建立了三电平变流器和DFIG风力发电机的降阶模型。论文主要工作及成果如下:首先,对含有电力电子接口的电源特性与传统同步机特性进行比较,揭示电力电子接口内部的机电解耦特性。并且介绍了奇异摄动理论,此理论是对包含电力电子接口电源的电力系统进行系统建模的理论基础,基于此理论对电力电子接口电源电磁暂态模型中的不同时间尺度进行划分,区别出快、慢动态,对快慢动态进行不同程度的保留,搭建经典微分降阶模型和广义微分降阶模型。其次,以中点箝位型(NPC)(Neutral Point Clamp)三电平变流器为研究对象,选用SVPWM对三电平变流器进行控制,优化了控制策略。确定三电平变流器的整体控制策略,搭建基础电磁暂态模型,对其进行模型降阶处理。再次,利用Matlab仿真平台进行时域仿真,对不同降阶模型在不同扰动情况发生时进行仿真验证,详细分析各降阶模型的动态特性并对不同降阶模型误差情况进行对比分析。然后利用NPC三电平变流器的混杂特性,推导其离散事件、连续事件得内在混杂关系,在混杂系统李雅普诺夫稳定判据的理论基础上,对降阶模型进行适用性验证。最后在此基础上,将此理论模型应用于DFIG风机建模中,提出DFIG的降阶建模方法。在系统建模中,针对暂态稳定问题中DFIG中的低电压穿越行为,对DFIG的继电保护动作进行了准确建模,使得降阶模型可以良好模拟发电机脱网这一暂态失稳行为。搭建同步机与DFIG风机模型的联合系统,通过对失稳发生的时间段对不同的失稳模式进行了精细地分类,基于降阶模型分析了DFIG风机电源引入后对电网电压失稳造成的影响。本文提出的降阶方法可以应用于DFIG风机建模中,并且两类降阶模型在一定程度上满足仿真精度和仿真效率的平衡。