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关键词： 电力电子技术   特定谐波消除技术   非线性超越方程组   模糊自适应粒子群算法  

摘要： 电力电子设备在提高了生产效率的同时也带来了大量的谐波。电力电子器件的频繁开断也增加了电能损耗。为了提高电能利用效率、消除谐波,脉宽调制技术是很好的解决方法。然而在大功率应用场合,受到电磁干扰、散热、开关损耗等因素的影响,大功率开关器件的开断频率往往会受到限制,通常只有几百赫兹,此时采用传统的脉宽调制技术将会使输出的波形含有大量的低次谐波。如果采用特定谐波消除技术则可以在相同的开关频率下精确地消除特定次数的谐波。本文首先介绍了特定谐波消除技术的原理,建立双极性三相特定谐波消除技术的数学模型,介绍了传统的牛顿迭代算法和基本粒子群算法求解非线性超越方程组的基本原理。随后,针对粒子群算法收敛速度慢、容易陷入局部最优的问题,提出了一种依据粒子适应度系数、粒子相似度、粒子适应度误差3个参数,利用模糊控制理论动态调整粒子群算法的惯性权重ω、学习因子c1和c2的模糊自适应粒子群算法智能算法。然后,在搭建的双极性三相电压型逆变电路仿真模型中,通过对特定谐波消除技术与正弦波脉宽调制技术和空间矢量脉宽调制技术的比较研究,采用模糊自适应粒子群算法、牛顿迭代算法,传统带约束条件的寻优算法、遗传算法、基本粒子群算法求解特定谐波消除技术建立的非线性超越方程组的仿真对比分析,证明了基于模糊自适应粒子群算法的特定谐波消除技术求解得到的开关角不但能有效消除特定次数的谐波,而且算法的收敛概率最高,性能最好,有效改善了传统智能算法的缺陷。通过搭建物理试验平台,验证了模糊自适应粒子群算法在特定谐波消除技术应用的可行性。最后,通过统计分析方法,分析了模糊自适应粒子群算法中适应度阈值F1,两代粒子最佳适应度差值的阈值error,当代粒子群中的个体最优适应度与全局最优适应度差值的阈值F2三个关键参数的选取原则,确定了三个关键参数的取值范围,并通过仿真研究证明了参数确定方法的合理性和有效性。

关键词： 电力电子变压器   储能   故障特性  

摘要： 作为现代电力系统中未来电网技术的主要发展方向,智能电网、能源互联网的相关技术取得了明显的进步,不断增多的负荷种类和新拓展的电源形式让用户对供电可靠性的需求和电能质量的保障有了越来越高的要求。基于电力电子技术形成的智能的电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET),相较于传统变压器,在功能上不仅可以实现变压变流,对原、副边系统电气隔离以及调控有功、无功功率,还具备接入清洁能源的能力。对于要求高压交流输入、低压交直流甚至中压直流输出的场合,在输入级、隔离级和输出级具有灵活多样电气连接端口形式的PET显得非常适合,用于低压交流系统各种直流设备前端的并网逆变器也可以尽数省略,从而简化整个低压配电网的电能传递环节和系统的拓扑结构,提高电网运行效率和功率传输密度,降低设备运行的故障率。在低压直流侧配备储能环节的PET既可以实现电能的双向管理,又具备应对电网中部分电压中断和跌落的能力,能够改善电能质量并提高配电网供电可靠性,为未来电力市场的灵活电力交易和响应系统内负荷的个性化需求创造了条件,非常适合当下电动汽车充电站等应用场合。但针对这种含储能系统电力电子变压器(Energy Storage System-Power Electronic Transformer,ESS-PET),目前尚未有人对其整体进行故障特性分析。本文首先阐述了PET的研究背景和国内外发展现状,进一步介绍具有储能环节的ESS-PET,其储能系统经双向DC/DC变换器连接于PET低压直流母线。针对ESS-PET的拓扑结构和工作原理,论述其所包含的输入级、隔离级、输出级部分以及储能环节的控制策略,分析了ESS-PET各环节的故障分类和故障特性,根据故障原因推导了数学模型并总结出故障表征,在Matlab/Simulink中建立ESS-PET的仿真模型以及设计其控制策略,得到了ESS-PET整体系统在常见故障下所具有的输出特性,对于在维持ESS-PET稳定运行上至关重要的储能环节,给出了冗余模块容错控制策略,通过仿真验证了该策略的有效性。本文有图76幅,表6个,参考文献51篇。

ISBN: (纸本)9787568294256

关键词： 模块化多电平换流器   电力电子变压器   不平衡电网电压   无源控制   模型预测控制  

摘要： 近年来,由于直流微电网、分布式发电的发展迅速,缺少电压骤降补偿、功率因数校正等功能的传统变压器已很难满足结构日益复杂的电力系统的要求,为提高电力系统的可控性和兼容性,电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)应运而生。目前,由于三级式结构的电力电子变压器拓扑具有更加灵活的拓扑结构和更加广阔的应用领域,因此基于三级式拓扑的电力电子变压器获得了更为广泛研究。模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)具有较低的谐波含量、较高的传输效率、较好的可扩展性等优点。将MMC技术与三级式PET相结合,使得PET应用于高电压、大容量的输电和配电系统成为了可能。本文针对不平衡电网电压条件下MMC-PET输入级的控制策略和MMC-PET中间隔离级的拓扑结构进行了深入的研究。首先,本文分析了MMC-PET输入级的MMC拓扑结构和工作原理,介绍了本文针对MMC-PET输入级的MMC换流器所采用的调制方式和电容电压均衡方法,根据MMC-PET输入级的MMC拓扑结构,推导出MMCPET输入级的数学模型。在三相电网正常运行状态下,针对MMC-PET输入级MMC换流器,设计了基于PI控制策略的双闭环控制器和环流抑制控制器,并在Matlab/Simulink中搭建仿真模型进行仿真验证。其次,在不平衡电网电压条件下,本文推导出MMC-PET输入级在正负序系统下的数学模型,并根据正负序系统的数学模型,设计了以抑制负序电流为目标的正负序内环电流PI控制器。由于MMC-PET输入级为一个非线性系统,而传统的正负序内环电流PI控制器无法抑制非线性对控制系统性能的影响,且存在控制系统PI参数较多的问题,因此本文设计了基于欧拉-拉格朗日(Euler-lagrange,E-L)模型的正负序电流内环无源控制(Passivity-Based Control,PBC)方法,以达到简化控制器复杂程度,加快响应速度的目的。在Matlab/Simulink中建立了不平衡电网电压条件下MMC-PET输入级仿真模型,对PI控制和无源控制进行对比分析。然后针对由双向主动全桥变换器(Dual Active Bridge,DAB)输入级串联、输出级并联构成的MMC-PET隔离级,分析了DAB变换器的工作原理,并推导出数学模型,设计了输入均压控制器以稳定各个DAB变换器的输入电压和传输功率。针对现有的三级式MMC-PET中间隔离级所采用的DAB可靠性低、灵活度差、适应范围较小等问题,本文提出了一种基于MMC的新型MMC-PET中间隔离级DC-DC变换器拓扑,以提高供电的灵活性和不间断供电能力。同时针对DC-DC变换器双侧的单臂MMC采用一种基于价值函数独立的模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)的控制方法,对多个控制目标分别建立独立的价值函数,有效地避免传统MPC中价值函数的权重配置问题,减小了MPC控制器的计算量。最后,针对MMC-PET输出级的三相全桥电压型逆变器拓扑,推导出MMC-PET输出级的数学模型,设计了基于PI控制器的双闭环控制器,最后在Matlab/Simulink中搭建了MMC-PET输出级仿真模型,以验证其控制器的有效性。

关键词： 硬件在回路实时仿真   现场可编程门阵列   模型解耦   资源优化   并行子系统   系数字长  

摘要： 现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）具有强大的并行运算能力、仿真步长可达到纳秒级等优势,迅速成为电力电子系统实时仿真器的首选。将复杂可变拓扑的电力电子系统分解成更小规模的子系统进行建模成为趋势,且随电路规模的增加,合理选取有限字长是解决基于FPGA的电力电子变换器实时仿真规模问题的有效方法,目前虽已有研究状态变量字长与模型精度之间关系,然而忽略了系数字长的定量选取,需要提出详细的改进完善方案。本文重点针对基于FPGA的电力电子变换器实时仿真规模主要受限于FPGA硬件资源问题进行详细研究,具体完成的工作内容如下:（1）具体分析了无延迟解耦方法分别与ADC（Associated Discrete Circuit）建模、RON/ROFF建模相结合的基本原理,将系统解耦成多个独立的子系统并行计算。并在T型（T-type Neutral Point Clamped,TNPC）三电平变换器,及以中点钳位型（Neutral Point Clamped,NPC）逆变器为牵引逆变器的高速列车牵引电传动系统中应用,证明了解耦模型的准确性及普适性。（2）完善了基于信噪比的字长定量选取方法。通过介绍量化误差、信噪比等概念,论证了系数字长选取的必要性及对减少硬件资源量的重要性,详细推导了系数字长、状态变量字长与信噪比三者的定量关系,并给出了具体的字长选取顺序及公式,为后续FPGA资源优化方法的应用提供了理论依据。（3）针对ADC和RON/ROFF两种解耦建模方法,提出了基于解耦模型的改进FPGA资源优化策略,并针对复杂的信噪比定量计算过程,提出了快速自动生成器,并给出了各个子系统的字长选取原则,即任意的电力电子解耦系统可自动生成各个子系统的最优系数字长和变量字长。离线仿真结果证明了所提的改进FPGA资源优化方法和快速自动生成器的正确性以及高效性。（4）具体介绍了本文所使用的基于FPGA的实时仿真系统的结构和开发流程,并分别完成了基于VHLS的多开关TNPC变换器及NPC牵引逆变器的硬件在回路（Hardware in the Loop,HIL）实时仿真实验。HIL输出波形和FPGA资源消耗对比结果充分验证了解耦建模方法和改进FPGA资源优化策略的可行性与有效性,具有较大的工程应用价值。

关键词： 级联式电力电子变压器   状态反馈精确线性化   非线性控制   解耦效果   动态性能  

摘要： 随着智能电网、分布式能源技术的发展,现代电力系统的运行方式发生着巨大的变革,传统单一的交流供配电网络逐步发展为复杂的交直流混合网络。作为能够提供多种电能端口实现交直流混合系统灵活组网的装置,电力电子变压器(PET),因具备传统电气隔离和功率传输的功能外,还在配电网中具有节点自治能力与优异的接口性能,已经成为构建未来能源互联网和灵活配电系统的核心设备。其中,基于级联H桥(CHB)和双有源桥(DAB)的模块化级联拓扑作为PET在高压大功率领域的主流拓扑之一,得到了广泛的关注和迅速的发展。基于小信号模型近似线性化的传统控制方案,在面对远离额定运行点的大扰动时,PET电气端口电压/电流/双向功率的实时调节能力有所下降,难以满足控制目标设计之初的需求。因此,本文针对此典型的PET拓扑,以提高双向功率流动下系统动态响应性能和解耦性能为目标,提出一种非线性解耦控制策略,并对所提控制策略的有效性与优越性予以验证。首先,基于微分几何——状态反馈精确线性化原理提出一种非线性解耦控制策略。为简化控制推导过程,将系统控制目标划分为不同的时间尺度,以电网电流作为小时间尺度变量,以直流电压(包括N个直流链电压,1个直流输出电压)作为大时间尺度变量。基于状态反馈精确线性化,分别得到电网电流内环与直流电压外环的非线性控制规律。根据所得控制规律,所有的电流与电压回路都可以简化为一个典型的二阶系统,且系统的控制参数仅与控制变量所需的控制带宽和阻尼比有关,与运行条件无关。其次,对所提非线性解耦控制策略性能进行评估。在考虑了系统的控制延迟,二次陷波环节,以及电流内环动态特性的基础上,进一步与基于DAB级均压的传统线性控制方案进行对比分析。基于小信号分析方法,分别得到两种控制策略下两级直流母线电压间的传递函数,以及CHB级与级联式PET级的输出阻抗。Bode曲线的对比结果表明,所提控制策略不仅在解耦效果和动态性能方面均有所改善,系统稳定性也有所提高。最后,搭建三模块的单相级联式PET大功率仿真模型与小功率实验平台,对所提控制策略的有效性与优越性进行验证。仿真及实验结果验证了理论分析的正确性,表明在参数不一致且双向功率变化的情况下,所提控制策略具有更优的动态特性和解耦效果。同时,所提控制策略在参数不确定和不同工作点下仍具有较强的鲁棒性。

摘要： 本文针对《电力电子技术》课程融入创新创业教育这一理念,进行教学方法的改革与探索。通过对基于创新创业教育理念《电力电子技术》课程体系中存在的问题进行分析,从教学目标和内容的优化、教学方法的创新与改革、考试评价方式改革等方面进行研究,总结出一套行之有效的课程教学体系,为新能源科学与工程专业《电力电子技术》课程及其他专业基础课程与创新创业理念的衔接、融合提供借鉴。

关键词： 故障性涌流   模型识别   电力电子化电力系统   可再生能源   变压器保护  

摘要： 随着电力电子技术的进步和新能源的大规模开发利用,传统电力系统向着多样化电力电子装备为主的电力系统转变。在这个过程中,电力变压器由于承担着不同电压等级的电网互联以及功率交换的作用,其安全可靠运行对电网的稳定至关重要。近年来,国内外电力系统中,可再生能源基地、高压直流换流站等地点发生了多起变压器相关事故,给电力系统的可靠运行带来了挑战。变压器保护存在的问题在电力系统电力电子化趋势下日益凸显,有必要展开深入研究。在以往的研究中,变压器保护基本分为两类,一类是电流特征识别法,一类是电磁参数识别法。电流特征识别法利用信号分析方法研究变压器电流波形特征,从而区分不同工况,如利用小波分析研究励磁涌流的奇异性。这类方法通常不具有明确的物理意义,提取的数学特征容易受到复杂场景的干扰。电磁参数识别法引入电压量,求取等效励磁电感、磁通量等变压器电磁量,依据电磁参数的变化设置保护。这类方法可以从一定程度上反映变压器物理参数的变化,但现有研究常采用工频电路模型和折线磁化特性等简化方法,难以实现对变压器暂态过程(如励磁涌流)的精确分析,未能充分利用变压器电磁模型研究的成果。本文对变压器模型识别的基本问题进行分析和研究。首先从参数可辨识性、参数灵敏度、运算复杂性等方面进行分析,选择适用于变压器保护的电磁模型。然后在单相变压器上研究利用电压电流量的电磁建模方法,考虑物理约束、数学约束构建以拟合曲线误差最小为目标的模型参数识别函数,并筛选出优良的智能算法用于模型的参数辨识。最后,研究不同接线、不同结构以及用于换流站的三相变压器中建模及参数辨识的特殊问题,并给出相应的解决方案。基于模型识别提出一种变压器保护方法,该方法基于完成参数辨识的电磁模型,利用电压量和电流量进行在线模型匹配分析,依据匹配度判定内部故障。电磁模型描述的磁化特性受到剩磁的影响,且该数值难以量测,在线模型匹配分析采用差分形式消除了剩磁的影响,保证算法的可靠性。从实用性角度对提出的变压器保护方法进行研究,基于电压量和电流量获取变压器在不同工况下的磁化曲线,定性分析该算法的可行性和优越性。在PSCAD和MATLAB/Simulink软件中搭建各类变压器扰动与故障工况的仿真,将本文提出的保护方案与传统的差动保护对比验证。结果表明,基于模型识别的变压器保护可以良好地应对各种工况,在内部故障识别方面具有更高的准确性。在PSCAD软件中搭建电力电子化电力系统仿真平台,针对直流输电换流变直流偏磁、风电场送出变压器频率偏移、整流侧换流变压器故障性涌流三种场景进行仿真,并分析传统变压器保护应对这些场景的局限性。利用本文提出的保护算法在上述三种场景下验证,结果表明,算法在电力电子化电力系统复杂场景下依然有良好的可靠性,有利于保障电力系统新形势下变压器的安全、稳定运行。

关键词： PET   双闭环   DAB   下垂控制   空间矢量调制  

摘要： 电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)由电力电子器件和高频变压器两部分组成,是具有实现电气隔离、转换电压等级、控制功率流向、进行无功补偿、提高电能质量、隔离电压波动和谐波等功能的新型变压器。PET之所以被认为是解决未来电网中新能源接入、获取更高电能质量、能量管理智能化等诸多问题的核心部件,是因为PET本身具有灵活的拓扑结构,便于拓展直流端口和储存电能装置且功能多样,可以通过灵活的控制技术来控制高、低压侧电压幅值和相位,使系统达到更高的稳定性,实现对功率潮流和各种交直流分布式发电的实时控制,契合未来电力系统的发展新要求,对当前电力市场下电网设备智能化的提高具有重要作用。论文完成了以下研究工作:1.在综述PET发展过程、研究背景及应用领域的基础上,分别从拓扑结构和控制策略两方面分析了当前国内外研究现状,总结了PET存在的优势和尚需解决的关键技术问题,进而确定了本文研究对象为包含直流端口的AC/DC/AC型拓扑结构的PET及其控制策略。2.建立了AC/DC/AC型拓扑结构的PET各级数学模型,并对PET各个环节的控制算法进行了深入研究和验证。对输入级建立了以外环直流电压、内环交流电流为被控参数的双闭环控制策略,在负载波动时,实现了高压交流侧输入电压、电流的保持跟随,直流侧输出电压动态响应迅速;隔离级采用双有源桥DC/DC变换器,在基于下垂控制的双闭环控制下,直流母线能够输出稳定的直流电压;为了提高PET输出级响应速度并改善其稳定性,建立了基于空间矢量脉宽调制的双闭环控制策略,其中外环为功率环,内环为电压、电流环。3.在建立的AC/DC/AC型拓扑结构的基础上,对主电路的元器件参数进行了计算和选型,完成了主电路设计,同时,设计了交直流电压采样电路、交流电流采样电路、驱动电路等辅助电路。4.在Matlab/Simulink仿真环境中,按照设计参数搭建了10k V电压等级下PET整流级、隔离级、逆变级的主电路仿真模型与整机系统仿真模型。对输入级交流电压电流相位和功率因数,隔离级直流输出电压响应速度和抗扰动能力,输出级交流输出电压电流稳定性、响应速度以及谐波含量等,进行了稳态和动态情况下的仿真实验,仿真结果表明了本文设计的PET整体方案的正确性及建立的控制策略的有效性。

摘要： 本文介绍了"电力电子系统分析与应用"课程的教学目标,给出了案例教学总体思路;结合教学内容,探讨了案例实施方式。通过多种案例不同分组形式,引导学生将自主学习与课堂教学相促进、理论与实践相结合,培养学生就电力电子系统工程问题进行分析、设计、研究和科研创新能力。