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关键词： PET   双移相控制   双闭环   模糊PI控制   光伏并网  

摘要： 目前,大力发展可再生能源已经成为了缓解世界资源紧张的必然手段,而光伏开发也成为了当今新时代背景下可再生能源汇集发展的研究热点。但是其存在着不稳定性以及波动性和间歇性等缺陷,因此怎样使光伏能源在高效快捷地纳入电网的同时有效地改善电力效率,就变成了人们讨论的重点。电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)作为一种高度灵活的电气设备,是整个光伏并网体系中不能缺少的核心,它结合了直流接口和交流接口,并且具有智能控制单元,可以通过灵活控制原副边来改善电能质量,有效地解决了并网中存在的很多问题。鉴此,本文对电力电子变压器设计及其在光伏并网系统中的应用进行深入研究,主要完成了以下几方面的研究工作:1.确定PET系统的整体拓扑结构,对系统各环节进行拓扑原理分析和数学建模,并建立了系统各级变换器的控制策略:输入环节分析了光伏电池输出特性,采用基于扰动观察法的MPPT控制策略,使光伏电池始终工作在最大功率点附近;隔离级双有源全桥DAB变换器采用双重移相控制策略(Double phaseshift,DPS),能够减小电感电流应力、回流功率,使器件实现软开关;逆变输出环节采用双闭环PI控制策略,闭环系统保证输出的电能质量,安全并网。2.建立逆变器优化控制策略。鉴于控制策略的控制效果依赖于控制器参数的选择,针对传统的PI控制器参数调整耗时较多,且准确性欠缺等问题,本文提出了一种模糊PI控制策略对控制器参数进行重新设计和自适应调整。令模糊PI控制器和双闭环相结合,大大提高了控制系统的动作稳定性,在一定程度上减小了谐振问题的影响,使光伏并网的效果进一步完善和提高。3.在MATLAB中搭建基于PET的光伏并网系统整机仿真模型,分别对稳态运行、电流总谐波畸变率对比、输入电压扰动、并网电流扰动等几种工况进行仿真分析。实验结果证明本文设计的PET系统输出电能质量优秀,符合并网条件;提出的模糊PI控制策略,在系统稳态运行时,可有效改善光伏并网系统动静态性能,优化系统的输出;在发生扰动时,可以增强系统抗扰动能力,减弱各级变换器运行时相互作用对系统稳定性的影响。4.为了进一步验证系统的可行性及控制策略的有效性,本文设计了系统的硬件电路,并采用DSP芯片进行软件控制。与此同时,在实验室搭建了系统样机,最终通过实验验证了PET系统的可行性和有效性。

关键词： 电力电子变压器   多模块双有源桥变换器   模型预测控制   功率均衡控制   高动态性能  

摘要： 随着我国能源安全与环境保护问题的日益严峻,发展新能源技术受到了更广泛的关注。在新能源电能变换中,电力电子变压器具有智慧电能变换、精确功率控制、无功调节、故障隔离等诸多功能,应用前景广阔。双有源桥变换器因具有双向电能传输、高频电气隔离、高功率密度、易于实现软开关等优点,迎合了电力电子变压器中间级DC/DC变换器的控制需求,成为了中间级变换器的理想拓扑。在大功率应用场景的多模块串并联双有源桥变换器中,快速动态响应、模块间功率均衡、高模块化程度和高可靠性是重要的性能需求,但现有方法难以兼顾以上需求。而将具有高动态性能、多目标优化能力、无多环嵌套结构的模型预测控制应用到多模块双有源桥变换器中,可实现其控制性能的综合提升,本文以此为目标开展研究工作。首先,针对单模块双有源桥变换器现有连续集模型预测控制易受采样噪声影响的问题,本文从最优移相比的计算式中分析模型预测控制的采样噪声敏感性,提出了一种变预测离散步长的采样噪声抑制连续集模型预测控制方法,无需增加滤波设备或算法且实现简单。经仿真和实验验证,结果表明所提方法可有效抑制采样噪声引起的输出电压纹波增大和电感电流应力增加,提高了双有源桥变换器模型预测控制的适用性。其次,多模块串并联双有源桥变换器的各子模块会因实际参数不一致而功率不均衡。本文分析并对比了电压梯度控制、双环解耦控制和主从独立控制三种经典功率均衡策略的原理和优缺点,针对主从独立控制动态性能差的问题,提出了一种多模块双有源桥变换器功率均衡连续集模型预测控制方法,兼具高动态性能、高模块化程度和高控制精度。经仿真验证,结果表明所提方法的功率均衡控制效果良好,动态响应速度有很大提升,克服了传统主从独立控制的缺陷。最后,为了进一步提高系统的模块化程度和响应速度,本文将易于实现多目标优化的滑动离散集模型预测控制应用到多模块串并联变换器,提出了一种多模块双有源桥变换器功率均衡滑动离散集模型预测控制方法。所提方法将输出电压控制和输入电压均衡控制两个目标集中在同一模型预测控制器中实现,具备更高动态性能的同时,实现了子模块控制器的标准化,提升了系统的易拓展性和可靠性。经仿真验证,结果表明所提方法实现了输出电压控制和功率均衡控制响应速度的进一步提高,且模块化程度更高。

关键词： 电力电子   课程思政   教案设计  

摘要： 为了高质量地培养符合社会主义现代化建设的德才兼备技术技能型人才，文章以新能源行业关键技术之一的电力电子技术涉及的《电力电子技术》课程为研究对象，采用项目化和理实一体化教学方法，探索将思政元素有机融入教学之中的课程思政教案设计。通过构建五个项目和十个任务将思政元素融合教学，并以实训任务为例进行了教学实施。结果表明该教案设计可以实现对学生的思政教育，有利于培养德智体美劳全面发展的社会主义接班人。

摘要： 电磁兼容性是电力电子系统安全、稳定工作的基础,是现代电力电子设备实现高效、高频、大容量与高功率密度的关键技术约束和有力保证。随着新一代宽禁带半导体功率器件(WBG)的快速发展,电力电子系统的电磁兼容分析、预测理论和设计方法面临着新挑战和机遇,需要开展创新性研究。

关键词： 电力电子变压器   模块化多电平换流器   均压控制   控制策略   不平衡负载  

摘要： 随着智能电网概念的提出,电力系统发生了许多新的变化,具有单一功能的传统电力变压器已经不能满足新型电力系统的要求。电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)是高频变压器和电力电子变换器的结合,不仅具有传统电力变压器的功能,还可以实现对电能质量的灵活调节,为分布式能源提供并网接口。模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)高度模块化并且具有高压直流母线,以MMC作为输入级的电力电子变压器可以提供多种交直流端口,对智能电网的发展具有重要意义。本文对MMC型PET各级的控制策略进行研究,主要研究内容概括如下:(1)根据MMC型PET的三级式结构,分别对输入级、隔离级和输出级的工作原理进行了分析。输入级是MMC,基于其拓扑结构和子模块的工作状态,分别建立了交流侧和直流侧的等效模型,根据常用调制策略的特点选择了合适的调制方式。隔离级是输入串联输出并联的双向有源桥(ISOP-DAB),基于DAB的拓扑结构分析了单移相控制的工作原理,简要介绍了ISOP-DAB的拓扑和基本原理。输出级是三相电压源型逆变器,基于其拓扑结构分析了工作原理,并介绍了适用于该逆变器的SVPWM调制方式。(2)以电压电流双闭环控制为基础,对输入级MMC的控制策略分别从电容电压均衡控制和环流抑制两个方面进行研究。介绍了采用载波移相的传统均压控制策略,针对传统策略存在直流母线电压波动较大和电容电压一致性较差的问题,提出了一种基于电容电压平均值前馈控制的改进均压控制策略,降低直流母线电压波动的同时也提高了电容电压的一致性。对环流中交流分量的成分进行了分析,建立了负序二倍频环流的数学模型,基于此模型设计了负序二倍频环流抑制控制器。基于上述研究最终得出了MMC的整体控制策略。(3)分别对隔离级和输出级的控制策略进行研究。为了实现对ISOP-DAB的功率均衡控制,基于共同移相比控制提出采用输入均压的电压双环控制。为了实现对不平衡负载下三相电压源型逆变器的控制,首先研究了传统控制策略,针对传统策略存在不平衡负载下输出电压不平衡的问题,提出了一种基于延迟相消技术的改进双环控制策略,在不平衡负载下能够维持三相输出电压的平衡。最后根据每一级的控制策略搭建各级仿真模型,并通过对比仿真分析验证了各级所采用控制策略的有效性,对MMC型PET进行了整体仿真,验证了各级模型的正确性。

关键词： 瞬态电流测量   压接型IGBT   PCB罗氏线圈   互感参数修正   邻近载流导体  

摘要： 电力电子器件是新型电力系统的重要组成部分,准确测量电力电子器件的瞬态电流对其工作状态和工作性能的评估尤为重要。本文针对压接型IGBT双脉冲测试平台,基于PCB罗氏线圈开展IGBT瞬态电流测量的研究,主要工作内容如下: 首先,本文基于罗氏线圈的工作原理,利用PEEC建模方法和Ansys/Q3D有限元方法同时实现了线圈与载流导体间的互感参数提取,并将两者提取结果进行对比,对后者的计算准确性进行了验证,为本文中互感参数的影响因素分析及修正奠定了基础。 其次,本文针对压接型IGBT双脉冲测试平台,从积分方式、线圈走线方式、结构参数方面讨论并制定了定制化PCB罗氏线圈的设计方案。方案中采用回绕线结构实现线圈对垂直于线圈平面的外界磁场的抑制作用,同时采取拼接式组装以便实现线圈与IGBT同轴。 最后,本文通过对比电流均匀和非均匀分布假设下的互感参数提取结果,分析了互感参数的影响因素并对其进行了修正,同时针对邻近载流导体对瞬态电流测量的干扰,对电流积分计算公式进行修正,减小了邻近载流导体对瞬态电流测量的影响,修正后的电流计算误差最多可减小21.44%。本文结合测试平台及被测IGBT的结构和尺寸完成了定制化PCB罗氏线圈的实物制作,并通过瞬态电流测量实验验证了在所研制罗氏线圈中采用修正后的互感参数进行积分的必要性。

关键词： 虚拟惯性控制   快速频率响应   静止同步补偿器   超级电容储能   直驱风机  

摘要： 随着能源低碳化转型加快,风电、光伏等电力电子接口能源大规模接入电网,替代了部分同步发电机,电网惯量不断降低。当系统发生有功扰动时,很容易发生由于频率失稳导致的大范围停电事故。因此,研究电力电子接口能源的惯性响应控制,进一步提高其快速频率响应能力,对于改善系统的频率稳定性具有十分重要的意义。本文针对VSC电压源型变流器,对比研究了基于跟网型控制和构网型控制的变流器惯性响应特性,并进一步提出了一种基于锁相环前馈控制实现虚拟调相机的方法和一种基于锁相环前馈控制和超级电容储能的直驱风机惯性响应和一次调频控制方法。本文主要研究内容如下: 从同步发电机的自然惯性响应出发,理论分析了基于跟网型控制技术和构网型控制技术的电力电子接口能源的控制原理,对比了两种控制下变流器的虚拟惯性控制方法和惯性响应特性,仿真研究了虚拟惯性控制系数和下垂系数的设置对于系统频率响应特性的影响,为下文更好地设计惯性控制器做了铺垫。 针对跟网型静止同步补偿器(STATCOM),提出了一种基于锁相环前馈控制实现虚拟调相机的方法。将锁相环动态引入直流电压控制回路,推导了STATCOM内电势幅-相运动方程,使得STATCOM如同虚拟调相机,提供无功补偿的同时可以提供自然惯性响应。对直流电容提供惯量功率的可行性进行了分析并对直流电容大小进行了设计,验证了加入控制后的小扰动稳定性。与基于构网型控制的STATCOM、同步发电机的惯性响应和无功补偿性能进行了比较,从理论和仿真上证明了所提出STATCOM实现虚拟调相机的有效性。 提出了一种基于锁相环前馈控制和超级电容储能的直驱风机惯性响应和一次调频控制方法。在单台直驱风机附加超级电容储能,利用锁相环前馈控制后风机直流侧电压和频率之间的关系实现了风储系统的惯性响应和一次调频。采用超级电容储能提高直驱风机一次调频性能的同时保证了低电压穿越能力。通过仿真验证了理论分析的正确性和控制方法的可行性。

关键词： 强迫风冷散热器   稳态热模型   动态热模型   高功率密度电力电子装置   热优化方法  

摘要： 近年来,以新能源为主体的新型电力系统、交通电气化、数据中心电源的快速发展对电力电子装置的功率密度提出了更高的要求。散热系统在电力电子装置中占据着较大的体积和重量,提高热模型的准确性、优化热设计方法以降低散热系统的体积和重量是进一步提升电力电子装置功率密度的重要途径。本文以提升电力电子装置功率密度为目的,对强迫风冷散热器进行散热建模并对其优化方法进行了研究。首先,本文基于流体力学和传热学对强迫风冷散热系统进行稳态热建模,稳态热建模的关键是得到强迫风冷散热系统的热阻。经典热模型对散热器流体状态描述不准确,未考虑散热器表面温度分布问题,模型误差较大。由此,本文对散热器流体状态进行分析,指出常见散热系统的流体状态应为入口段层流,根据入口段流动和换热的特点提出了基于截面积平方根为无量纲特征长度的稳态热模型;针对多功率器件散热的强迫风冷散热器表面温度分布不均的特点,进一步引入流体热阻和扩散热阻以提高稳态热模型的精度。智能风冷中常通过调节轴流风机的转速以提升系统的轻载效率,本文利用流体力学中的相似原理对轴流风扇进行建模,得到轴流风机转速变化下的稳态热模型。其次,本文对强迫风冷散热系统进行了动态热建模,动态热建模的关键是求解强迫风冷散热系统的时间常数,其由系统的热阻和热容相乘得到。经典动态热模型未考虑扩散效应,仅利用散热器的重量计算热容,因此其准确性较低。在基于计及入口段流动和换热特性的稳态热模型获取准确的散热系统热阻基础之上,本文基于Cauer热网络和扩散原理对强迫风冷散热器进行动态热建模,建立了考虑储热效率的散热器等效热容模型。基于所提出的动态热模型可以快速准确地预测短时过载、间断工作和周期工作等动态工况下散热器表面的最高温度。再次,本文对强迫风冷散热器优化方法进行研究并举出实例进行分析,所提出的优化方法弥补了经典的热设计方法(如经验设计法、有限元分析法等)无法兼顾设计效率与结果准确性的不足。所提出的基于强迫风冷散热器简化模型的概要设计方法,只需初选风机并结合功率器件布局,仅一次计算即可得到相对准确的结果,可应用于对体积、重量不敏感的强迫风冷散热器设计。所提出的基于稳态热模型的优化方法,以降低散热系统体积为优化目标,可对散热器和风扇同时进行优化,具有准确性高、效率高的优点,可应用于绝大部分仅工作在稳态工况下的电力电子装置强迫风冷散热器的优化。由于采用基于稳态热模型的优化方法对运行在特殊动态工况的电力电子散热器进行设计会导致散热器的体积和重量过大,对此本文提出了一种基于动态热模型的优化方法,可对具有短时过载、间断工作和周期工作等特殊动态工况的电力电子装置强迫风冷散热器体积和重量进行进一步优化。最后,本文将所提出的散热器模型与优化方法应用于电力电子装置的优化中,提出了一种考虑散热器和滤波器协同设计的电力电子装置的优化方法,提高了电力电子装置的设计效率和准确性。据此优化方法,本文对一高功率密度380V/50k Var静止无功补偿器(Static Var Generator,SVG)进行优化研究。在研究中,本文分析了常见逆变器拓扑的损耗,指出Si C-MOSFET两电平具有更高的效率和更小的散热器体积,并提出了一种基于Si C-MOSFET的交错并联两电平的并网逆变器拓扑,该拓扑具有损耗小、输出纹波小、结构和控制简单的优点;对单电感滤波器、LCL型滤波器和电感进行建模和分析,指出在高频工作的Si C逆变器中,采用单电感滤波器具有滤波器结构简单、无高频谐振峰、体积更小等优点;提出了一种考虑散热器和滤波器的协同优化方法,基于所提出的热模型和滤波器模型,通过扫描开关频率得到在满足散热和滤波性能要求下,电力电子系统最优的开关频率及其对应的体积最小的散热器和滤波器组合。本文所提出的380V/50k Var高功率密度SVG采用Si C-MOSFET作为功率器件,优化后的体积为30.2L,功率密度为同功率等级的IGBT-SVG的2倍。实验证明所提出的高功率密度380V/50k Var SVG峰值效率为99.03%,满载效率为98.75%。

关键词： 智能功率模块   分布式控制   高速通信   时钟同步   寄生电容   开关噪声  

摘要： 电力电子系统智能化的浪潮已经席卷全球,而智能化进程中不可避免地会要求各个分系统及总控制单元间要传递信息、感知态势和协同动作。该诉求尤其在近年来飞速发展的模块化多电平电路(Modular Multilevel Converter,MMC)中表现的尤为突出:控制单元要给所有子模块发送信息和指令;所有的子模块要感知对方的运行工况;投入运行的子模块和切出的子模块要在同一时刻精准地完成投切动作。同时,人们对于电力电子系统在功率密度和可靠性方面近乎苛刻的要求,使得集成功率元件、驱动电路、控制单元、乃至网络通信的新型智能模块成为满足设计需求的优选方案。 高集成度电力电子系统虽然具有巨大的优势,但是却对设计工作提出了艰巨的挑战,同时,对信道容量和同步精度的严苛要求,进一步增加了设计工作的难度。因此,分析和建立影响通信速率与同步时钟精度的机理并建立模型,则成为完成设计任务的关键。 本论文基于支持百兆带宽和理论时钟同步误差在20ns的Ether CAT协议,研究工作从时钟同步误差入手,相比传输延迟量和时钟初始偏移量,时钟偏移量很容易受到时钟信号源——晶体谐振器的影响。进而发现影响电力电子模块中时钟精度的原因在于晶体振荡器在空间紧凑、电磁环境恶劣的工况下,振荡频率易产生漂移,其机理在于寄生参数的引入和电磁噪声的注入——寄生参数影响晶振的基准频率、噪声注入会使得晶振在振荡过程出现相位和频率跳变。 在建立相应的电路模型后,详细分析了皮尔斯晶体振荡器的振荡过程。基于数字仿真的方法,给出了满足设计需求的一套参数体系;在该参数体系指导下,针对电池投切的MMC电路设计了集成网络通信的智能功率模块(Intelligent Power Module,IPM),并分析了模块中相应电路的电源完整性和信号完整性,从底层剔除对分析结果会造成影响的可能因素。为了验证上述理论分析,同时设计了未集成通信单元的IPM作为对照组,搭建了实验平台。最终的实验结果表明,网络通信的IPM同步效果相对差一些,但依旧能够满足分布式控制系统的控制要求,证明了分析结论的正确性。

关键词： 虚拟同步发电机   虚拟阻抗   低电压穿越   无功反馈系数   环流抑制  

摘要： 随着新型电力系统中新能源的大规模开发和集中式并网,传统发电机组对新型电力系统的电压和频率的支撑及调节能力被大幅削弱,以变流器为代表的电力电子设备正逐步的主导新型电力系统的网络特性。以低惯量性和低抗扰性为主要特征的电力电子设备并网不仅降低新型电力系统的频率和电压支撑能力,还使其自身的稳定问题变得日益突出。此外,随着电力电子设备的不断扩容,一旦发生脱网事故将严重影响电网的正常运行甚至导致系统解列。为此,本文以新能源机组并网变流器为研究对象,主要分析了基于虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)控制策略下的并网变流器的控制结构及功能,并在此基础上研究了并网变流器的故障穿越策略及环流抑制方法,以提高其并入弱同步电压支撑电网的稳定运行性能。具体研究内容与成果如下:首先,参考了同步机二阶数学模型,详细介绍了虚拟同步发电机的控制结构和其相应的功能,综合考虑了电压支撑能力及频率调节响应,设计了本文自同步电压源型变流器的控制结构并给出了控制框图。然后,针对电网电压跌落故障,借助了故障时VSG暂态特性的分析结果,利用了虚拟同步控制策略参数易调节的优势,综合考虑了功角稳定和故障电流限制两大要求,兼顾抑制暂态冲击电流和优化功率超调两大目标,提出了一种基于虚拟阻抗值设计的VSG故障穿越方法。该方法解决了传统VSG在大幅电压跌落工况下无法实现故障穿越的问题,充分发挥了故障期间VSG对电网电压的支撑能力,同时优化了故障发生和切除瞬间的暂态响应,提高了电网电压跌落故障下VSG的故障穿越能力与效果。同时,为了简化故障穿越控制措施,并利用电压控制环有静差这一特点,提出了一种基于功角动态补偿及无功反馈系数优化的VSG故障穿越方法。利用了传统能量平衡原理,构造了有功功率补偿量以补偿故障期间有功差额,达到有功功率平衡的目的,保证了功角的稳定。同时,利用了无功功率的反馈调节能力,综合考虑了逆变器电流阈值和电压跌落幅度,重新整定了无功反馈系数以实现故障期间对电网电压最大化的支撑效果。此外,该方法亦可应用于电网电压抬升场景。最后,在并联逆变器系统环流抑制方面,提出了一种基于无功反馈系数优化的环流抑制方法。采用了无功下垂控制型的电压控制环,利用了其无功反馈调节能力及无功反馈系数可灵活调节的特点,依据容量大小调节无功反馈系数,实现了并联逆变器输出功率的再分配以达到环流抑制的效果。