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摘要： 2023年11月10日-13日广州征文通知Call for Papers名誉主席李泽元徐德鸿大会主席刘进军指导委员会主席罗安邓建军指导委员会委员章进法阮新波马皓袁小明周桃园杜雄技术程序委员会主席李武华涂春鸣王高林陈阿莲工业报告委员会主席章进法张军明孙耀杰专题讲座委员会主席阮新波张品佳王懿杰组织委员会主席马皓高峰论坛委员会主席袁小明专题活动委员会主席杜雄

关键词： 级联电力电子变压器   级间功率差   协调控制   无电流传感器均流   功率均衡  

摘要： 全球能源转型趋势明显,其中清洁能源如风能、太阳能等在电力系统中的比重不断增加。新能源的大规模接入导致新能源发电结构中的风力发电站和光伏电站具有不稳定性和间歇性。为解决以上问题,以及推进电力系统向智能化和数字化转型,采用级联电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)来代替工频变压器。PET作为电力变换设备,用于电能变换和调节,以满足电力系统中不同电压等级的需求。PET的研究与智能电网、大数据分析等紧密相关。它可以实现精确的电能管理和优化控制,提高电网的稳定性和韧性,但电力系统中往往出现异常工况和电力质量问题,如电压波动、谐波扰动等。为使PET适应复杂的工作环境,保障电力系统的稳定运行和供电质量,需要对级联型PET的协调控制策略进行研究。 针对系统功率不平衡形成原因进行研究,对两级级联结构拓扑进行分析。首先分析在传统控制策略下的功率变化,建立各级数学模型。其次为电压电流双闭环设计控制参数,控制直流侧电容电压均衡。在隔离级分析单移相控制下DAB变换器的运行特性,讨论单移相控制下的电感电流的表达式,对隔离级功率平衡控制方法进行研究,使输出直流电压能更好的跟踪目标值。 为了实现各单元协调控制目标,对电压跟随控制、功率前馈平衡控制策略、虚拟功率均衡控制以及功率反馈平衡控制策略进行综合分析。根据分析结果,提出在整流级采用公共占空比控制,结合DAB反馈协调控制和电压均衡控制的方法;DAB级采用电压均衡控制,结合整流级反馈协调控制,充分考虑模块参数不匹配问题。该控制方法是将级联整流级的占空比有功分量反馈给DAB级,微调DAB模块的移相比。同时,将生成的移相比反馈给整流级,生成整流级的有功电流,从而实现功率均衡。通过Matlab/Simulink搭建仿真模型验证控制方法,仿真中在电感不一致的情况下,两桥仍能保证稳定6.5A左右。仿真结果表明该控制可以在漏感不一致的情况下实现功率均衡控制。 最后,搭建单相PET实验平台,对PET相关硬件参数和各级软件控制进行设计,主要包括:主电路、驱动电路、控制器、采样电路、软件主程序和中断子程序。通过实验验证所提协调控制的有效性。

关键词： 电力电子化电力系统稳定   电力系统振荡   动静态网络   功率传输特性   动态特性  

摘要： “双碳”目标下,以风能、太阳能为主的新能源的需求快速提升,大量电力电子设备接入电网,电力系统的动态行为发生了本质变化。以同步发电机为主的传统电力系统发生低频振荡时,通常采用机电暂态模型来分析与计算,网络使用准稳态模型,潮流关系满足代数方程。但对于其次同步振荡或者电力电子化电力系统宽频振荡时,通常采用电磁暂态模型来分析与计算,网络使用动态模型,潮流关系满足微分方程。这些振荡发生时,在功率上都能观察到相应频率的交流分量,同时当振荡频率由低到高变化时,电力系统分析和计算对网络模型的要求也由静态提高到动态。针对这些变化,目前的研究缺少一般化结果,只有一些工程经验的结论。本文将发电设备的外部特性限制在一般化振荡形式下,推导网络传输功率与电压的动态关系,揭示电力系统小扰动失稳下的功率传输特性。主要工作内容与结论如下:1)建立了以传统电力系统中的同步发电机和电力电子化电力系统中的电压源型变换器为代表的发电设备外部特性的统一描述形式。介绍了不同参考坐标系下的电力网络模型,并对比各种模型的应用场景。推导了动、静态网络模型,阐述了基于动态相量的网络模型。2)推导了动态和静态网络描述的功率特性方程,建立了功率与振荡频率依赖关系的物理图像,发现其可被划分为低频区(10 Hz以下)、谐振区(10 Hz到200 Hz)和高频区(200 Hz以上),证明了低频振荡时静态网络描述的适用性,而对于次同步振荡和高频振荡,网络则须使用详细的电磁暂态模型。总结了振荡频率达到1 k Hz后电流及功率各分量的规律。推广了多机系统下动、静态网络的功率传输特性。3)对两机系统进行仿真,验证了理论分析的物理图像。还对三机九节点系统仿真,对比了网络的动态模型、静态模型以及考虑不同阶数的动态相量模型。

关键词： 能源互联网   双有源桥变换器   扩张状态观测器   动态性能   电流应力  

摘要： 新能源发电以及分布式电源的快速发展,使得能源互联网成为了近年来研究的热点。而电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)作为其关键环节,受到了广泛关注。因此,本文以PET为应用背景,将其核心组成部分双有源桥(Dual-Active-Bridge,DAB)变换器作为研究对象,为提升其效率与动态性能,进行分析与研究,主要做了以下工作:首先,研究了DAB变换器的结构特点、开关函数及微分方程,在此基础上分析了单移相(Single-Phase-Shift,SPS)调制和拓展移相(Extended-phas-shift,EPS)调制的工作原理,进一步推导了两种调制方式下DAB变换器的传输功率、电流应力表达式,并分别进行了对比。其次,针对单个DAB变换器,建立了SPS调制下输出电压的离散模型,给出了一种基于SPS调制的预测前馈控制算法以优化变换器的动态性能。同时,完成了预测前馈控制器对于变换器电路参数的敏感性分析。随后,针对预测前馈控制算法受电路参数影响较大的问题,将扩张状态观测器(Extend State Observer,ESO)引入预测前馈控制算法,提出一种基于ESO的预测前馈控制算法,并通过仿真证明了该算法对电路参数依赖较小、能够有效提高变换器动态响应能力。最后,为同时优化DAB变换器的电流应力与动态性能,提出了一种基于ESO的电流应力优化预测前馈控制算法。考虑了EPS调制的两种工作模态,利用拉格朗日乘数法对最优移相比进行求解,来获得全局最小电流应力,紧接着将电流应力优化方法与EPS调制下基于ESO的预测前馈控制相结合,提出了基于ESO的电流应力优化预测前馈控制算法,以实现变换器动态性能及电流应力的同时优化。通过仿真验证了该算法的适用性及有效性。

关键词： 电力电子变换器   散热器建模   散热器优化设计   对流换热  

摘要： 电力电子变换器是电气化交通、交直流输配电、大型数据中心和国防军事装备等国家重点发展领域中实现电能转换与高效利用的基础与核心装备。随着工业界不断提高电力电子变换器功率密度,其对电力电子变换器的散热系统设计提出了更高要求。变换器散热系统的性能不仅是决定变换器功率密度的关键,而且也决定着电力电子变换器的可靠性和稳定性。因此,电力电子变换器的散热系统建模和优化研究成为当前研究热点。本文深入研究了翅片式散热器的自然对流换热、强制风冷换热对应的全热路径热阻模型以及散热器参数优化方法,为电力电子变换器整体优化设计提供了优化方法支持。 首先,本文分析了强制散热器的多热源传热等效热路以及各部分热阻影响因素,并且推导出散热器翅片上热量传递方程和温度分布方程。基于散热器基板的热扩散角,本文提出了计及芯片面积的强制风冷散热器热阻模型,并且分析了多工况对热扩散角的影响。本文进一步计及功率器件的分布方向与散热器通道内空气流动方向,建立了散热器通道内空气温升模型。本文通过有限元仿真模型验证了散热器热阻模型和通道内空气温升模型的可行性和有效性,并根据恒流电子负载原理搭建了热测试平台,验证了强制风冷散热器的热阻模型和散热器通道内空气温升模型的准确性。 其次,本文分析了强制风冷散热器翅片的结构参数对散热器热阻和散热系统实际工作点的影响,并且建立了强迫风冷散热器优化设计流程,最后以散热器最小质量为目标同时满足热阻限制提出了散热器优化设计方法。本文通过有限元仿真给出了优化前后散热器温度云图,优化后的散热器温度相较优化前的温度降低了15.99%。本文在原有的散热器性能评价指标基础上推导出以质量和热阻为表征的散热器性能评价指标CSPI(m),优化前后的CSPI(m)对比结果表明优化后的散热器性能好于优化前的散热器性能。 最后,本文进一步研究了自然对流下散热器传热模型和优化设计方法。本文推导出散热器翅片朝上放置时的平均对流换热系数,并且通过自然对流的原则性准则方程验证了平均对流换热系数表达式的可行性和有效性。在此基础上,本文分析了散热器翅片结构参数对平均对流换热系数和散热器换热量的影响,并且建立自然对流的散热器优化设计流程,同时以散热器最大换热量为目标给出了散热器优化设计点,通过有限元仿真验证了优化设计方法的可行性和有效性。

关键词： 级联型电力电子变压器   启动控制   限流电阻   比例控制   协调控制  

摘要： 随着智能电网和分布式能源技术的快速发展,电网的运行模式从过去的一种简单的交流电网逐渐演变成一种新型的交直流混合供配电网络。电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)是一种可通过双向传输功率的新型器件,PET可以从交流和直流等不同方向进行柔性组网,除了具备常规的绝缘、输电等基本功能之外,还在供电系统中拥有良好的节点自治功能和接口性能,因此电力电子变压器已被认为是构建新一代能源供电系统及柔性配网的关键装备。 基于级联H桥变换器(Cascaded H Bridge,CHB)和隔离型双向DC/DC变换器(Isolated Bidirectional DC/DC Converter,IBDC)的级联型PET作为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。 级联型PET的传统启动方案,启动过程中时间长且不固定,CHB和IBDC未充分利用其功率传输能力,同时,存在过流和超调等问题,无法满足目前分布式电网快速并网时,级联型PET稳定启动的需求。因此,本文针对级联型PET典型的拓扑,以提高双向启动过程中的速度和稳定性为目标,提出了新型分步式启动控制策略和新型同步式启动控制策略,并对所提出的控制策略的有效性和稳定性给予分析和仿真验证。 首先,基于级联型PET,提出了新型控制策略和参数选择方法。为了快速且稳定地完成启动过程,结合级联型PET的拓扑结构和充电特点搭建了级联型PET的拓扑和数学模型,绘制基于单移相控制的IBDC功率传输特性曲线,分析限流电阻值与电流峰值的关系,并对比例控制和比例积分控制在该拓扑的启动过程的应用进行对比分析。 其次,针对分步式启动和同步式启动,建立新型启动控制策略。分析了从直流侧启动和从交流侧启动的两种传统启动控制方式存在的问题。在新型分步式启动策略中,通过优化控制算法,更新判断逻辑使得级联型PET传统分步式启动控制策略的诸多问题得到解决,同时,针对两个方向的分步式启动过程进行分析。新型同步式启动策略在新型分步式启动策略基础上,提出将IBDC直流微网侧电压与直流链电压的控制由级联型系统的CHB与IBDC基于协调控制策略共同完成。其目的是减小启动过程中不断变化的充电功率导致的两级变换器出现功率不平衡,同时也提高了直流链电压的动态特性及稳定性。进一步,在IBDC上构建系统的平衡控制器,将其与上述协同控制方法相结合,形成具有功率均衡的级联型PET一体化控制方法。 最后,搭建交流侧并联直流侧串联的三相6模块级联型PET大功率启动仿真模型,并通过MATLAB/simulink仿真来检验所提出的启动控制策略的正确性和优越性。通过对模型进行了仿真分析,证明了该方法在不同方向起动时,可以获得更快的启动速度,以及更好的稳定性。

关键词： 电力电子变压器   直流微电网   模型预测控制   模块化多电平换流器   双有源桥DCDC变换器   直流母线电压信号  

摘要： 微电网将分布式能源、储能和负荷进行集成,被认为是解决分布式能源高渗透率问题的有效途径。直流微电网与交流微电网相比,省去了变流环节,且具有结构简单、可控性好、电能质量高等特点。电力电子变压器作为微电网能量接口和管理核心近年来受到广泛关注和研究。基于此,本文开展关于模块化多电平换流器型电力电子变压器的优化控制策略及直流微电网的协调控制研究。具体研究内容如下:首先,介绍了课题研究背景及意义,论述了当前电力电子变压器各部分研究现状、直流微电网协调控制研究现状。其次,针对模块化多电平换流器,研究其数学模型,设计电压、电流双闭环解耦控制器、子模块电容均压控制器、环流抑制器等控制结构。然后,分析双有源桥DCDC变换器的工作原理及数学模型,针对其存在的电流应力大、传统控制策略下动态响应能力有待提升等问题,提出了考虑电流应力优化和输出电压模型预测控制的综合优化控制策略。同时,基于单模块双有源桥DCDC变换器的综合优化控制策略,考虑输入侧均压,完善了输入串联输出并联型双有源桥DCDC变换器的整体控制。搭建了单模块双有源桥DCDC变换器及输入串联输出并联型双有源桥DCDC变换器仿真模型。仿真结果表明:综合优化控制策略有效降低了双有源桥DCDC变换器的电流应力、同时提升了其在输入电压及负载突变情况下的动态响应能力。最后,采用基于直流母线电压信号的直流微电网控制策略,将母线电压值分为三个区间,分别使双有源桥DCDC变换器单独工作控制母线电压、储能加入进行功率补偿以及通过模块化多电平换流器、输入串联输出并联型双有源桥DCDC变换器实现并网连接,使得微电网直流母线电压保持稳定,系统内功率无余缺。

关键词： 交直流混合配电网   故障检测   电力电子换流器  

摘要： 随着以风电、光伏为代表的新能源发电占比不断提升，大量分布式电源接入电力系统中，传统配电网在稳定性和经济性等方面都受到了一定的影响，交直流混合配电网凭借其可以灵活接入分布式电源的特性逐渐进入大众视野。在接入分布式电源后，交直流混合配电网虽然能够满足日益增长的能源需求、利于能源安全和环境保护，却因其设备众多，线路连接关系复杂，更加容易受到各种外界环境和自身问题的影响，在一定程度上加剧了故障的复杂程度。因此迅速判断配电网的故障类型并进行故障定位，对于交直流混合配电网的发展而言具有重要意义。与此同时，基于电力电子设备检测故障的思想已经在交直流混合配电网领域得到了有益探索，若能够充分挖掘交直流混合配电网中换流器强大的信号调控能力，或将能够为交直流混合配电网的故障探测技术提供新的研究思路。本文基于电力电子换流器，提出了一种检测交直流混合配电网故障的新方法，主要研究内容如下:　　(1)针对交直流混合配电网的运行特性，提出了交直流混合配电网中核心器件换流器以及线路故障特征的分析方法。首先研究了交直流混合配电网的基本特征，并建立了其基本拓扑结构;然后分别对AC/DC换流器和DC/DC换流器进行了数学建模;最后分别对交流配电网中的接地故障、相间故障以及直流配电网中常见的接地故障、线间故障的特征进行了分析，为后续的故障类型判断与定位技术研究奠定了基础。　　(2)针对交直流混合配电网的故障特征，基于换流器的工作特点，提出了一种交直流混合配电网故障类型判断方法。首先根据换流器的工作特点计算出其输出阻抗，并分别对AC/DC换流器和DC/DC换流器中的电力电子器件进行了故障类型判断;然后根据交直流混合配电网中线路故障时引起的信号特征，通过换流器检测故障并识别线路的故障类型;最后通过仿真实验验证了所提技术的可行性。　　(3)针对交直流混合配电网在故障定位领域所存在的不足，提出了一种基于电力电子换流器主动注入检测信号的故障定位新方法。该方法能够在线路故障后，迅速完成故障类型的判断，并通过快速傅里叶变换来进行故障信号分解，得到一系列电压、电流在故障谐波下的信号频谱，进而便能得到谐波阻抗，最终通过计算谐波阻抗得到故障距离。通过仿真实验对所提出的定位技术进行了验证，确定了该技术的可行性与优越性。

关键词： 主动式磁悬浮轴承   电力电子控制器   开关器件   断路故障   容错控制  

摘要： 磁悬浮轴承广泛用于高速旋转设备的支承装置中,其零摩擦的特点使其在飞轮储能领域发挥了重要作用,在电源系统、能量循环、分布式电网调频等领域也得到了广泛应用。同时磁悬浮轴承为旋转机械超高转速运行提供了可能,在提升系统效率,降低能量损耗等方面优势显著。此外在航空航天、真空洁净空间、精密机械等特种应用场合也发挥了不可替代的作用。其中功率放大器是磁悬浮轴承的核心部件,其利用电力电子器件实现对应磁悬浮轴承绕组的控制,进而控制电磁力实现对转子的主动支撑。 本文针对磁悬浮轴承系统的电力电子控制器的安全性和可靠性问题进行研究,提出了单自由度与多自由度磁悬浮轴承容错控制方法。首先对磁悬浮轴承本体、电力电子控制器及控制系统进行建模,并对电力电子器件失效后转子跌落动力学特性进行建模分析。 其次针对单自由度磁悬浮轴承,提出单自由度电力电子容错控制拓扑及其控制策略,通过控制每个桥臂的占空比指令值对故障进行诊断,保证任意电力电子器件发生断路故障后均能准确诊断故障并定位故障位置,迅速切换至容错工作模式,保证转子在全过程中不会与保护轴承进行碰撞。 此外,本文将拓扑结构拓展至多自由度,在反向共桥臂拓扑的基础上对开关器件进行全桥化配置,从绕组电流中提取故障信息进而对器件断路故障进行检测以及容错拓扑切换。同时优化容错控制策略,从每个桥臂的占空比指令值提取故障信息,实现了全部开关器件的断路故障定位与容错拓扑切换。并以两自由度五桥臂拓扑为例,通过悬浮与旋转情况下的仿真实验,验证了容错控制方法的有效性。 在以上研究基础上,完成了四轴磁悬浮轴承高速电机实验平台的搭建,兼容使用单自由度与多自由度电力电子控制器,通过实验验证了所提容错控制拓扑与控制策略的可行性和有效性。