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关键词： 电力电子变换器   LabVIEW   FPGA   电力电子变换器通用调试软件  

摘要： 随着电力电子技术的成熟,电力电子设备的应用范围越来越广,从几瓦到兆瓦功率的变换器都有,它们的复杂程度和控制方法也大不相同。目前,数字信号处理技术与电力电子变换器控制系统在实时性要求、安全性、可靠性等方面的发展日趋一致,因此电力电子变换器的控制方法已经从之前的模拟控制向数字控制转变。本课题采用四开关Buck-Boost变换器作为被控研究对象,并基于LabVIEW开发平台进行了实时控制系统的研究。主要开展的工作如下: 首先,对电力电子变换器控制系统研究现状进行了总结归纳,归纳了传统模拟控制器和数字控制器的优缺点,对单片机、DSP以及FPGA三种控制器进行了阐述,以DSP为核心的数字控制器表现出极大的灵活性,由于DSP采用的顺序执行方式,在电力电子应用中,尤其是在高频和实时性要求较高的情境下可能会受到限制。相反,以FPGA为主的数字控制器以其硬件并行处理的特性脱颖而出,因而更适于高频和实时性要求更高的应用场景。在此基础上采用了一种基于LabVIEW软件对FPGA控制器进行控制系统设计的方式,该控制器设计利用了LabVIEW软件编程的灵活性和FPGA并行处理的优势,可以有效地减少控制系统的开发周期以及提供控制系统的实时性,构建出一个以LabVIEW FPGA为核心的电力电子变换器实时控制系统,为电力电子控制器设计的广泛应用奠定了基础。 其次,在分析具有升降压功能和输入输出同极性等特点的四开关Buck-Boost变换器拓扑结构和工作原理,以及对降压、升压和升降压三种模式控制策略进行了深入分析的基础上,对四开关Buck-Boost变换器进行了状态空间数学建模,元件参数设计进行了计算,并设计了相应的硬件电路原理图,制作了印刷电路板。为了验证三种模式控制策略的可行性和正确性,运用MATLAB/Simulink软件构建了四开关Buck-Boost变换器的仿真模型,对电路进行了全面的仿真分析,通过LabVIEW开发平台在NI sb RIO-9636板卡上完成了控制器的设计,最终在搭建的实验硬件平台上验证了方案的可行性。 最后,为了实现电力电子变换器系统操作界面的通用性和友好性,设计了一套基于LabVIEW的电力电子变换器通用调试软件,通过标准化的Modbus协议与电力电子变换器系统进行数据传输,实现其显示和设置两大功能,该调试软件包括系统状态监测、数据显示、参数修改和控制以及查看实时波形变化等功能,可以实时观测和调整电力电子变换器的运行状态,为调试人员提供了参考意义。

关键词： 电力电子   汽车电气系统   传统汽车   新能源汽车   技术应用  

摘要： 随着汽车工业的不断发展，现代汽车的电气系统日益复杂化和多样化。电力电子技术作为实现电能高效变换和控制的关键技术，在汽车电气系统中得到了广泛应用。本文首先简要介绍电力电子技术的基本原理，然后分别探讨了电力电子技术在传统汽车和新能源汽车电气系统中的应用现状。传统汽车方面，重点分析了电力电子技术在照明、音响、空调、发动机控制等系统中的应用；新能源汽车方面，重点分析了电力电子技术在驱动系统、能量管理系统、充电系统、辅助电源等方面的应用。

摘要： 中国电源学会品牌会议——2024中国电力电子与能量转换大会暨中国电源学会第二十七届学术年会及展览会(CPEEC&CPSSC 2024)将于2024年11月8日-11日,在陕西省西安市-西安曲江国际会议中心举行。会议期间还将同期举办CPSS&IEEE International Symposium on Energy Storage and Conversion (ISESC)。

关键词： 源储荷用电力电子设备   互联系统   宽频振荡   振荡抑制  

摘要： 为了实现“双碳”目标，光伏发电、风力发电等环境友好型新能源发电得到了大力发展。沿海港区、码头凭借良好的风、光自然资源禀赋，结合储能等，可为港区用电设备及靠港船舶提供绿色能源，从而实现港区多能源融合自洽发展，为早日实现“双碳”目标贡献一份力量。然而，风光自然资源的利用需要通过电力电子设备将其转换为电能，同时需要加入储能设备平抑光伏、风电的波动性。港区各种负荷，如场桥、岸桥、岸电等也需要通过电力电子设备接入系统取能。但是，由于电力电子设备控制响应速度快，非线性特征明显，多控制环节交互作用复杂，无论是单个电力电子设备还是不同源储荷用电力电子设备互联，接入港区后，都会增加系统振荡风险。针对这一问题，本文以宁波舟山港穿山港区多能源融合系统示范工程为背景，对不同类型源储荷用电力电子设备互联时系统宽频振荡风险进行分析，找出导致不同源储荷用设备及互联系统振荡的主要原因，并设计相应的振荡抑制策略。基于此，本文主要内容如下:　　首先，根据港区不同源储荷用电力电子设备拓扑结构及控制目标，将其分为Ⅰ型设备和Ⅱ型设备两类。其中Ⅰ型设备以三相全控型换流器为主体，交直流端口间功率传输为目标，交流侧通过电力电子设备连接电网为主要特征，包括光伏、储能、船舶岸电等的接口设备;Ⅱ型设备以旋转电机为主体，以实现机电能量转换为目标，交流侧有旋转电机连接电网为重要特征，主要包括双馈机组(doubly-fed induction generator,DFIG)。　　其次，建立了港区Ⅰ型源储荷用并网设备多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)阻抗模型及等效的单输入单输出(single-input single-output,SISO)阻抗模型，并通过阻抗扫描验证了阻抗模型的准确性。在此基础上，通过研究不同控制环路对设备阻抗特性的影响，发现非对称控制环，如直流电压环和锁相环(phase-locked loop,PLL)将导致设备阻抗频率耦合特性，同时PLL还会导致设备低频段负阻特性，加剧并网振荡风险。针对Ⅰ型源储荷用并网设备并网振荡问题，提出一种基于PLL动态全补偿的振荡抑制策略，该方法可基本消除PLL导致的频率耦合及负阻特性，极大地提升Ⅰ型并网换流器稳定性。同时，离线仿真和物理实验均验证了理论分析的正确性及所提振荡抑制策略的有效性。　　接着建立了港区Ⅱ型源储荷用并网设备DFIG的MIMO阻抗模型及等效的SISO阻抗模型，并进行了阻抗扫频验证。在控制环路的影响方面，发现PLL动态同样是导致Ⅱ型DFIG系统振荡风险增加的主要因素，其中又以转子电流动态影响最为显著。基于此特点，本文提出了一种基于转子电流动态补偿的Ⅱ型DFIG系统稳定性提升方案及相应的简化控制方案，同时进行参数的鲁棒性分析。分析结果表明，即使在系统参数及运行工况改变时，两种方案均可减小Ⅱ型DFIG系统中PLL引入的频率耦合及负阻特性，提升Ⅱ型设备的并网稳定性。最后通过仿真和控制硬件在环实验验证了理论分析的正确性和所提控制方法的有效性。　　最后，结合示范工程中Ⅰ、Ⅱ两型源储荷用电力电子设备互联的典型场景，进一步建立互联系统仿真模型和推导其阻抗模型，并研究设备互联的振荡风险，发现两型设备与港区无源器件的交互作用易导致高频振荡。为解决这一问题，本文提出一种基于Ⅰ型电力电子设备电压前馈的阻抗重塑方案，该方案可基本消除设备高频延时影响，提高互联系统的高频稳定性。仿真结果与理论分析一致，验证了两型设备互联振荡风险分析理论的正确性及所提阻抗重塑方案的有效性。　　本文的研究将为宁波舟山港穿山港区多能源融合系统示范工程的建设和安全稳定运行提供保障，同时也为今后类似港区多能融合发展系统的建设和稳定性分析提供借鉴。

关键词： 分布式光伏   交直流混合配电网   无功电压优化   智能软开关   交替方向乘子法  

摘要： 随着“碳达峰、碳中和”战略的实施,利用新能源进行发电将成为电能生产的重要途径之一,根据国家能源局发布的数据,截至2023年9月底,全国可再生能源发电装机规模突破14亿千瓦,约占全国发电总装机的49.9%,其中,光伏(Photovoltaic,PV)发电5.36亿千瓦,有力推动了我国电力系统的清洁绿色转型。然而PV在推动我国电力系统的清洁绿色转型的同时,由于PV出力的波动性,导致配电网电压波动问题愈发突出,甚至会出现电压越限的情况,严重影响配电网的安全稳定运行。此外,随着电力电子技术的不断发展,基于电压源型换流器(Voltage Source Converter,VSC)的直流配电技术突飞猛进,交流配电网正在向交直流混合配电网发展,也使配电网的优化调控面临更复杂的情况。因此,如何在大规模分布式PV发电接入配电网的情况下,制定配电网的无功电压优化调控策略来减小电压波动、降低网络损耗已成为研究的热点问题。 为此,本文提出一种电力电子化交直流混合配电网无功电压分布式优化调控策略。该策略考虑了PV出力及负荷波动导致电压波动时,通过控制配电网中接入的PV逆变器、VSC、智能软开关(Soft Open Point,SOP)等电力电子装置来减小电压波动,并且降低网络损耗,提高交直流混合配电网的可靠性和经济性。本文研究工作如下: (1)针对含有分布式PV和多种电力电子设备的交直流混合配电网,介绍了交直流混合配电网的网架结构,并阐述了PV逆变器、储能系统(Energy Storage System,ESS)、VSC、SOP的工作原理及数学模型,为后续配电网无功电压优化调控奠定了理论模型基础。 (2)针对配电网运行的安全性和经济性,提出了交直流混合配电网无功电压集中式优化调控策略。该策略以配电网电压偏差和网络损耗最小为目标函数,对ESS和PV逆变器等设备进行优化控制,从而实现配电网的安全稳定运行。采用改进的IEEE33节点和IEEE85节点算例系统进行验证,结果表明,该策略在保障系统电压稳定方面效果显著。 (3)针对目前交直流混合配电网无功电压优化调控策略较少考虑柔性开关SOP的作用以及采用集中式优化方法导致信息私密性不足的问题,提出一种电力电子化交直流混合配电网无功电压分布式优化调控策略。首先,介绍了交替方向乘子法(Alternating Direction Method of Multipliers,ADMM)理论,并基于残差平衡原理和松弛技术对ADMM方法进行改进,提出一种加速ADMM来改善算法收敛性能;然后,以电压偏差和网络损耗最小为目标,构建电力电子化交直流混合配电网无功电压分布式优化调控模型,同时采用改进的ADMM算法进行求解。最后,通过改进的IEEE33节点和IEEE85节点算例系统进行验证,算例分析表明所提的电力电子化交直流混合配电网无功电压分布式优化调控策略可以明显降低电压偏差和网络损耗,并且改进的ADMM算法有效地提高了算法的收敛性能。

关键词： 直流母线电容   状态估算   卡尔曼滤波   粒子滤波   Huber M估计  

摘要： 近年来,各种电力电子装置的可靠性问题越来越得到重视。直流母线电容作为电力电子系统中的重要元件之一,主要用于存储电荷、平滑电压和过滤电流,其可靠性对电力电子系统的稳定性至关重要。在各种元器件中,直流母线电容的故障率较高,仅次于功率开关器件,而直流母线电容的状态估计是监测其可靠性的基础,是保证系统可靠运行的重要一环。本文以电力电子变换器中的直流母线电容为研究对象,对其建模方法、电流重构方法、参数辨识方法、状态估算方法展开研究。 直流母线电容可靠性分析模型的建立与获取精确的电容电压与电流等参数是估算其状态的基础。本文以两电平并网逆变器为例,通过分析影响其直流母线电容可靠性的因素,提出直流母线电容的可靠性分析方法,对其进行失效机理分析并建立失效机理模型,基于该模型进行直流母线电容的参数辨识与状态估算。考虑到工业用逆变器中并没有直流母线电容电流采样元件,本文提出一种直流母线电容电流的获取方法,可在无传感器条件下准确获取直流侧母线电容的电流。 直流母线电容的参数辨识是估算电容参数、实现电容状态在线监测的重要一步。本文利用电容可靠性分析模型中结构简单、精度较高的等效电路模型,介绍基于递推最小二乘法(Recursive Least Square,RLS)的电容参数辨识方法,该方法虽在仿真中能较精确估算出电容容值与等效串联电阻值,但由于实测数据中存在较多的未知噪声干扰,导致该方法辨识性能下降,针对该问题,提出一种基于卡尔曼滤波算法(Kalman Filter,KF)的电容状态辨识方法,仿真和实测数据均验证所提算法的辨识精度,估计结果较准确。 利用联合估算方法进行电容状态估算,本文提出了联合粒子滤波算法(Particle Filter,PF)与KF算法的电容状态估算方法。针对RLS与KF算法对高斯白噪声扰动鲁棒性较差的问题,在KF算法中加入PF算法构成粒子卡尔曼融合滤波器(Particle Kalman Fusion Filter,PKF)进行电容的状态估算,PF算法的抗噪声能力强,通过融合滤波器能够提高所提算法在噪声扰动尤其是高斯白噪声环境下估算结果的收敛性。利用仿真和实测数据进行了验证,结果表明,该融合滤波器应对系统中未知噪声尤其是高斯白噪声的鲁棒性较强。 针对RLS、KF与PKF算法对系统中非高斯白噪声干扰鲁棒性较差的问题,提出Huber M估计与KF算法相联合的估算方法实现直流母线电容的状态估算,即构成鲁棒性卡尔曼滤波算法(Robust Kalman Filtering Algorithm,RKF)。Huber M估计本身不是滤波器,不能滤除噪声,该方法将其与KF算法相联合。Huber M估计本身相当于一种权重函数,通过重构残差进行计算,设置残差阈值,当残差小于阈值时,采用平方误差,大于阈值时,采用线性误差。线性误差对异常值不敏感,尤其对于非高斯白噪声的异常值鲁棒性较高,采用联合估算方法可以应对系统中存在较多非高斯白噪声时算法的估算精度。利用仿真和实测数据进行了验证,结果表明,该联合估算方法应对系统中非高斯白噪声的鲁棒性较强。

关键词： 电力电子系统   实时仿真   超短步长   可重构模型  

摘要： 随着新型电力系统电力电子装置渗透率越来越高，传统的仿真方法面临计算能力和适应性等各方面的挑战。尽管当下先进的商用仿真器可以实现较小步长的实时仿真，但高昂的价格也很大程度上限制了这些仿真平台的普及。而基于FPGA的通用型仿真器，在仿真过程中会存在编译时间过长的问题。因此，在传统实时仿真建模方法的基础上，本文提出了一种面向FPGA的可重构算法，旨在解决传统FPGA编译时间过长的问题。该算法的核心优势在于其能够灵活切换不同电路拓扑，从而适应多变的电力电子系统需求。　　首先，介绍了电力电子拓扑传统的数学建模方式，以Simulink作为参考，搭建了NPC三电平拓扑，总结了传统建模方式存在的一些缺点。针对这些缺点，提出了一种可重构的数学建模方式，该架构可以在不改变模型的前提下，仅通过更改数值便能完成不同电力电子拓扑的仿真，避免了更改拓扑后需要重新下载编译。解决了传统数学模型在线仿真过程编译时间过长，灵活性较低等问题。　　其次，在基于LabView的软件环境中构建了一套通用FPGA仿真器，能以200ns的仿真步长进行实时仿真，根据FPGA内部的计算资源，设计了相应可重构模型的FPGA电路。　　最后，基于构建的通用FPGA仿真器，对三类电路进行仿真验证，其中包括“无开关类型”的三绕组变压器、“半控型开关”的晶闸管整流电路和“全控型开关”的T型逆变电路。所设计的可重构模型的FPGA电路达到200ns的仿真步长，通过对实时仿真的实验波形与Simulink模型的离线仿真波形对比，不仅在200ns的仿真步长下证实了可重构模型在实时仿真时的精确性，同时也验证了可重构模型在线仿真时，能够无缝切换不同拓扑仿真的能力。