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关键词： 智能电网   电力电子   应用  

摘要： 为更好地满足人们日益增长的电能需求,智能电网建设规模也越来越大.在整个电力行业中,电力电子技术作为一项新兴技术,能够很好地应用到电力交换领域,并促使电能利用率大幅度提升.鉴于其独特优势,也使其在智能电网建设中的应用日渐广泛.接下来,笔者就从电力电子技术在智能电网中的作用着手,对其具体应用进行了分析,以供参考.

关键词： 电力电子牵引变压器   单相MMC   DC-DC变换器   逆变器   拓扑结构  

摘要： 我国近几年的高铁以及动车都在向轻量化、高速化发展,对机车而言,牵引变压器作为机车上的核心部件正扮演着越来越重要的作用,也将会迎来新的改变。如今,电力电子牵引变压器正在逐步取代传统自耦变压器。电力电子牵引变压器将高频变压器与电力电子器件有机地结合在一起,不仅能够减轻机车重量,而且也能降低能量损耗,同时减少在机车上所占用的空间,还可以实现能量的双向流动、电气隔离、谐波治理等功能。这就为现代轨道交通行业向高速化发展提供了有利条件。电力电子牵引变压器的拓扑结构分为输入级、隔离级、输出级三个部分。高压输入级主要对电能进行控制与变换,中间隔离级主要对两端电压进行有效隔离与电压变换,低压输出级为电力机车提供所需电压与功率。通过对各级拓扑结构的分析与研究,选出本文采用的拓扑结构。本文所做主要工作如下:首先,阐述现有的几种主要电力电子变压器拓扑结构形式,在分析其工作原理及特点的基础上,确定了由高压输入级MMC整流器、中间隔离级DC-DC变换器以及低压输出级DC-AC逆变器三部分组成的AC-DC-AC型电力电子牵引变压器拓扑结构。然后,对输入级采用传统H桥的拓扑结构与采用模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)的拓扑结构进行了详细对比分析,得出MMC拓扑结构相比于传统H桥拓扑结构有其优势所在。通过对瞬时有功、无功功率的计算,研究了单相无锁相环的直接功率控制器。其次,对传统双向H桥级联DC-DC变换器拓扑结构工作原理的分析,给出了简化的半桥级联DC-DC变换器拓扑结构,建立其数学模型,并进行了仿真验证。再次,对低压输出级选取传统三相三线制拓扑结构,建立其数学模型,用SVPWM控制策略取代传统的SPWM控制策略。通过仿真,验证了输出级逆变器具有良好的控制效果。最后,在确定了电力电子牵引变压器整体拓扑结构的基础上,建立了应用到轨道交通的单相MMC电力电子牵引变压器仿真模型,并对牵引、负载突变、再生制动三种工况进行仿真分析与验证。仿真结果表明,基于MMC的电力电子牵引变压器具有良好的有功和无功的控制能力,可实现单位功率因数运行;输出电压、电流幅值及波形可满足机车用电要求,输出功率及电机转速可达到现有机车水平;输入电流畸变率小,直流侧电压纹波系数小,有利于整个牵引系统的稳定运行。

关键词： CBE理念   电力电子   技术课程   教学改革   主要策略  

摘要： 在高职电力电子技术课程教学改革的过程中,为了能够保证学生的学习符合职业需求,尽可能的适应企业发展需要,必须要通过CBE的理念来培育学生职业技能和职业水平。本文通过对于CBE理念在高职电力电子技术课程教学改革中的应用进行分析,保证CBE理念的应用效果。

关键词： 电力电子变换器   故障检测   故障识别   故障诊断   参数辨识  

摘要： 现在,电力电子变换器已经广泛应用于各个领域,它的可靠性和安全性问题引起了专家和学者们的关注。作为电能变换的基础,电力电子器件长期工作于高功率状态,因此发生故障的概率很大。电力电子器件故障严重情况下会造成难以估计的影响,导致灾难性的结果。因此,及时检测电力电子变换器元器件故障,保障其可靠性和安全性具有深远的意义。本文的主要研究内容包括三个方面。首先,对单相无源逆变器,分析其逆变环节的开关特性,分析电压电流关系,构建系统切换模型。探索元器件故障对逆变器的影响,构造系统的故障模型。以故障模型为基础,设计参数未知的Luenberger型观测器。对得到的误差系统进行鲁棒性分析,通过理论推导得到一个线性矩阵不等式,对其求解得到观测器增益矩阵。当检测出故障发生后,激活故障识别器,识别出故障的元器件,并对元器件的参数进行估计。其次,采用状态空间建模法,根据基尔霍夫电压电流定律建立直流升压变换器升压环节的切换系统模型,分析系统的故障模型和稳定性问题。提出基于观测器的方法实现故障检测。一旦故障检测出来,启动Luenberger型故障识别观测器,利用参数辨识的技术,估计所建立切换系统模型的参数,对比理想参数,确认故障的具体位置。最后,分析电能变换过程中电力电子器件的切换特性,以电路的拓扑结构为基础,构造能够全面表征电力电子变换器中切换特性的通用建模方法。当系统切换特性和故障相融合时,变换器输出受到两者共同影响,因此,针对不同故障类型和切换特性,建立以模型为基础的故障检测方法,设计鲁棒性好的滑模观测器,实现故障检测。采用自适应的方法进行故障识别,设计带有滑模面的故障识别观测器和合适的自适应律,准确识别出产生故障的元器件并对故障后元器件参数进行辨识。最后以太阳能光伏直流升压变换器作为具体的研究对象,进行理论推导,通过仿真验证所提方法的可行性。

关键词： 能力本位教学理念   高职   电力电子技术课程   教学改革  

摘要： 专业课程教学改革是高职院校建设发展的重要任务,直接关系到技术型人才培养质量。能力本位教学理念以学生能力培养为核心,正好符合素质教育背景下高职院校专业课程教学改革要求。教师要将其巧妙应用到电力电子技术课程教学改革中,在展现职业教育特色的过程中持续增强课程教学效果,促进专业不同层次学生职业能力全面提升。

关键词： IGBT   动态模型   双极输运方程   热模型   网络拓扑法   降阶方法  

摘要： 电力电子装置与系统是实现电能有效变换和有效利用的关键设备;而大容量电力电子装置与系统更是我国重大装备的关键基础性技术之一,是面向经济社会发展的重大需求。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)则是现代电力电子装置与系统的核心电力半导体器件。(动态)性能的精确分析和计算是IGBT设计的前提和理论与技术基础。因此,为提高我国IGBT等场控器件的设计与制造水平,以及相关电力电子产品在国际市场上的竞争力,亟需开展IGBT等场控器件多物理场计算模型和计算方法研究。IGBT器件及其电力电子系统的分析和设计所涉及的多物理场十分复杂。首先,IGBT导通、关断过程是极小时间尺度的电流场,其控制方程为载流子输运方程和电荷守恒定律。其次,极小时间尺度下电磁过程的位移电流与集肤效应的分析与计算等必须借助于三维涡流场的计算理论和计算方法。第三,电流场、涡流场和温度场相互耦合与相互影响。第四,从场的物理本质来看,这些多物理场(电流场、涡流场和温度场)都是复杂的三维场。第五,不仅不同物理场的时间尺度不同,即使是同一物理场,如载流子输运方程对应的电流场,在开通、关断瞬间以及持续开通时段内的时间尺度也不一样。而上述这些关键理论和问题是目前计算电磁学的研究热点,也是迄今尚未完全解决的难点。需要说明的是,目前电力电子装置和系统主要聚焦于长时间尺度下的热-电磁、热-力和力-电磁场之间的相互作用关系分析,极少涉及中、小时间尺度下的多物理量的互动关系研究,导致多时间尺度下的多物理场耦合机制不清楚。有鉴于此,为解决我国高性能IGBT等场控器件开发设计中的关键理论和技术,结合国家自然科学基金重大课题“多时间尺度下大容量电力电子混杂系统运行匹配规律研究”,本文重点解决IGBT模块及其系统多时间尺度多物理场的计算模型和计算方法。主要研究内容和成果如下:1、研究了 IGBT模块动态多时间尺度电流场数值计算的计算模型和计算方法。基于半导体物理的载流子输运方程(ADE),在国内外率先考虑了载流子二维分布以及非线性等复杂因素的影响;计算模型能够处理载流子全注入和真动态等复杂运行工况,实现了“真动态、全工况,以及二维载流子非线性运动”等复杂过程中IGBT模块内部载流子分布的分析与计算。为考虑小时间尺度下外部电路杂散电感和杂散电容的影响,建立了ADE-外电路耦合模型,并提出了相应的求解策略。此外,为满足不同工程问题的分析和计算需要,在上述模型和算法的基础上进一步提出了不同复杂度的简化模型和计算方法。2、研究了基于网络拓扑法的IGBT模块三维电场和温度场数值分析的计算模型和计算方法。绝缘栅双极晶体管(IGBT)具有高功率密度和低损耗等优点,在高频、高功率等场合获得了广泛应用。结温是预测IGBT可靠性的关键参数,也是导致IGBT失效的关键应力源。因此,建立IGBT的动态温度场模型并准确预测器件结温具有现实的应用价值。为此,首先提出了适合IGBT温度场分析计算的网络拓扑法,包括不同媒质及边界条件的处理方法。随后,构建了基于网络拓扑法的中时间尺度IGBT温度场数值分析的热模型,同时考虑了媒质特性参数的非线性和三维热分布的影响。最后,应用前述的理论和方法实现了典型IGBT模块的动态温度场-电流场的耦合分析和计算,并与商用软件ANSYS的计算结果进行了对比分析,验证了本文热模型和电热模型的准确性与快速性。3、研究了宽频ENOR降阶理论和算法。无论是有限元法,还是有限差分法,亦或是本文的网络拓扑法,其计算多物理场的核心是将连续域的偏微分方程的定解问题转化为大型代数方程组,然后求解。对于复杂的三维多物理场问题,其离散代数方程组的规模巨大,计算机求解需要庞大的计算资源和计算时间。因此,现有数值方法从某种程度上来说不便于工程问题的分析与计算。故,近年来大型代数方程组(模型)降阶理论和算法成为计算电磁学的研究热点。为此,基于IGBT瞬态多物理场动态响应的“宽频”特征,本文提出了模型降阶的宽频ENOR降阶理论和算法,并应用于前述的IGBT热模型。本文的降阶理论和算法(宽频ENOR降阶算法)基于经典的ENOR降阶算法,通过引入工作频域拓宽和自适应调节算法,实现了以简单(降阶)模型复现宽频动态响应特性的计算目标。4、研究了多时间尺度IGBT三维涡流场计算的有限元-分布参数耦合模型和计算方法。随着IGBT开关频率的增加,基于IGBT的电力电子能量变换装置的电磁过程覆盖的频域越来越宽,其动态过程的时间尺度从毫秒级上升到微秒级直至纳秒级。相应地,IGBT模块(包括本体)极小时间尺度下电磁过程的位移电流与集肤效应,以及引线的邻近效应等影响将不可忽略,即现有的集中参数电路模型将不完全适用于多时间尺度,尤其是极小时间尺度电磁过程的分析与计算。为此,本文研究了IGBT多时间尺度,尤其是极小时间尺度动态电磁行为的数值计算模型和计算方法。为考虑

关键词： 牵引传动系统   电力电子牵引变压器   参数估计   电压平衡   DC-DC变换器   矢量控制  

摘要： 随着我国电气化铁路覆盖率不断提升以及高速动车组的发展,传统牵引传动系统中变压设备体积大、重量重的问题极大限制了我国铁路轻量化、高速化的发展。电力电子牵引变压器(Power electronic traction transformer,PETT)通过采用新型电力电子器件、大功率变流新技术,有效的实现了设备的小型化和轻量化,并且有可控性好、功率密度大、智能化水平高等优点,对我国高速铁路的未来发展有重要意义。本文以电力电子牵引变压器为研究对象,从适于我国牵引传动系统的电力电子牵引变压器拓扑结构研究入手,并分析其数学模型以及工作原理的基础上,将输入级、隔离级的控制策略作为研究重点,优化了其抗扰动和电能质量方面的性能。主要工作如下∶首先,对电力电子牵引变压器的拓扑结构和数学模型展开了分析。通过分析电力电子变压器工作原理,将电力电子变压器分为单级式、两级式和三级式三种主要PET形式,分析了各自的优缺点,并根据我国铁路牵引供电系统提出了适于我国电力电子牵引变压器结构。然后分别对输入级单相AC/DC整流器和隔离级DC-DC变换器进行研究,分析其拓扑结构和工作原理,建立了数学模型。其次,对输入级的控制策略进行了研究。针对单相PWM整流器采用功率预测控制策略存在的不足,本文提出了在功率预测控制中加入梯度计算法,对电路实时参数进行参数估计的方法,并建立了仿真模型进行了仿真分析。仿真结果表明,基于参数估计的功率预测控制策略,在系统网侧电压突变时,直流侧电压有更好的稳定性,且有功功率和无功功率更符合参考值,在参考值变化时有更好的响应能力,系统抗干扰能力更强。再次,对输入级输出侧电压平衡问题进行了研究。通过对级联H桥输出侧电容电压不平衡成因进行分析,并结合对传统基于比例式脉冲补偿策略研究的基础上,提出了采用模糊自适应PI的改进型策略,并通过搭建三级级联H桥的仿真模型,验证了该策略在受到内外扰动时有良好的电压平衡效果。最后,对隔离级DC-DC变换器控制策略进行了研究。通过对单移相控制策略及其工作模式的研究,并分析了存在的不足。针对DAB在单移相控制方法动态响应慢、无功电流无法控制等问题,本文提出了基于矢量控制的控制策略,并对两种控制策略分别搭建了仿真模型。通过仿真分析,矢量控制策略有更好的动态响应能力并且可以对无功电流进行控制,具有实际的工程价值。

关键词： 电气工程专业   新工科   变换器   电路设计   电力电子系统   新工科建设   教学模式探索  

摘要： 随着工业4.0的提出和互联网科技与工业技术的互相渗透,世界正在兴起一场新的工业科技革命,对我国高等工程教育提出了新的挑战。安徽大学的电气工程专业作为典型的工科专业,培养能够从事与电气工程有关的宽口径复合型工程技术人才。学生主要学习电力电子技术、电机学、自动控制原理等方面的理论和实践知识。具有强电与

关键词： 电力电子   控制模式   探究  

摘要： 电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科.因它本身是大功率的电技术,又大多是为应用强电的工业服务的,电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统.将直流电转化为交流电的装置被称为逆变器,逆变器通过每相桥臂的开通和关断来实现直流电到交流电的转化.电力电子逆变器在输出波形要求高的场合需要提高开关频率来提供高质量的输出波形,开关损耗很高.因此需要对其进行改进,本文对于其控制模式进行探究.