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关键词： 电力电子变压器   局部放电   Sagnac干涉   灵敏度   脉冲电压  

摘要： 电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)具有调节电能质量、可接入分布式能源、高效灵活输出等显著优势,有望成为电网智能化发展中的核心装备。随着传输能量的增加,PET电压水平持续升高且运行工况复杂,其内部绝缘材料承受电应力较大,易引发绝缘缺陷。现有研究大都针对PET拓扑结构改进、传输功率提升和控制策略优化,绝缘状态的检测和评估亟待关注。局部放电是绝缘劣化的早期征兆,光学超声传感技术具有抗电磁干扰能力强、布置方式灵活、灵敏度高等诸多优势,本文基于Sagnac光学干涉结构开展适用于PET的局部放电光学超声传感研究。 首先,研究了适用于局部放电快速检测的光学干涉拓扑及信号解调技术。分析了局部放电引发超声信号对光纤光学参量的关联关系,提出了基于3×3耦合器的Sagnac光纤干涉拓扑及解调方法,解决了直接检测方法中存在的“二倍频”和信号衰落问题,为进一步评估光纤传感器幅频响应特性,搭建了光纤超声传感器灵敏度自动测试系统。 其次,提出了涉及偏振态控制、光纤传感探头优化和响应频率调控三方面的传感系统增敏方案。在Sagnac干涉环中引入偏振控制器确保干涉光偏振态一致,将光纤传感器灵敏度提升6.6 d B;建立光纤传感探头几何参数综合数学模型并进行优化,传感器在局部放电超声信号频率范围内(20 k Hz～300 k Hz)平均检测灵敏度可达-72.09 d B re 1V/μbar,比商用超声波传感器PZT-R3α高5.0 d B;进一步通过延迟光纤长度调控优化传感器最佳响应频率分布区间,获得了油、气两种绝缘条件下的最佳延迟光纤长度。经优化后光纤传感器在气体绝缘下检测幅值可达PZT-R3α的5.85倍,在油绝缘下检测幅值可达PZT-R3α的12.68倍。 进一步地,研究了基于光纤干涉传感器的脉冲电压下局部放电超声信号检测和提取方法。分析了不同频率(0～20 k Hz)、电压、上升时间(50 ns～8μs)脉冲电压下的超声干扰特性,结果表明干扰信号幅值可达放电信号的5～10倍,频率主要分布区间为20 k Hz～100 k Hz,与局部放电信号频率分布重叠,从而提出了基于不相关系数的局部放电评估方法,有效提取到脉冲电压下局部放电超声信号。 最后,研究了面向电力电子变压器运行工况的不同频率及上升时间下局部放电特性。结果表明在高频及短上升时间下,局部放电行为更加强烈,当上升时间由1000 ns缩小至50 ns,局部放电强度将增加3.5倍;针对一台高频变压器样机开展了局部放电检测试验,在12 k V脉冲电压下通过光纤传感器成功检测到了局部放电信号,表明所研制的Sagnac光学超声传感系统有望为未来电力电子化的大功率、高电压电气装备提供绝缘缺陷检测方案。

关键词： 电力电子化并网系统   振荡稳定约束   集群阻抗   控制环路优化   灵敏度协同  

摘要： 在新型电力系统建设目标下,新能源广泛接入各级电网,电网强度逐渐变弱,源网动态交互引发的振荡问题已经成为影响系统安全稳定运行、制约新能源接入容量提升的关键因素之一。针对场景多变、源网特性复杂的多馈入分布式新能源电力电子化并网系统,电网弱化演变将削弱网侧同步发电机的频率控制特性,基于固定频率点的阻抗建模方法与低调频容量极弱电网场景的适应性未知;同时,无功补偿及网络互联导致网侧特性更加复杂,理想固定工况设计的逆变器控制方案尚需拓展,且各集群并网点接入容量与台区新能源最大可接入容量的内在关联性尚不明确。面向振荡频发导致分布式新能源接入容量受限问题,本文以阻抗分析理论为基础,从电网弱化演变多场景阻抗模型、单馈入集群弱网运行能力优化提升、多馈入集群群间容量协同分配三方面展开研究。主要工作如下: (1)考虑不同新能源接入比例下的电网弱化及频率控制特征,建立多场景阻抗模型。面向无穷大电网串联感性阻抗的常规弱网场景,考虑并网逆变器交直流端口互联特性,建立单机逆变器三维阻抗模型,分析控制参数及并网工作点变化对振荡发生的影响;基于多机并联阻抗,分析接入容量提高下的源网阻抗变化特性及振荡约束特性。面向新能源占比极高的低调频容量极弱电网,考虑同步发电机频率控制弱化特性,提出含电压、电流、基频扰动的涵盖阻抗外特性与基频扰动特性的同步机-逆变器阻抗建模方法,揭示电网强度及频率控制特性弱化原因及低频振荡频率失稳机理。考虑弱网负荷侧的无功补偿电容,分析电容投切下网侧阻抗的本质变化及新能源接入容量的振荡约束特性。 (2)面向单馈入新能源集群,研究基于集群选址、控制参数优化、控制环路优化的容量提升方案。考虑不同接入节点的源网阻抗差异性,提出接入容量最大化的单馈入新能源集群选址方案。进一步研究基于交直流端口阻抗匹配的直流母线电容硬件优化方法;基于涵盖锁相环、网侧阻抗的特性方程及直流端口阻抗,提出交直流稳定双重约束的控制参数协同设计方法。面向感性弱网集群扩容场景,提出分布式阻尼重构的双重约束方案,兼顾振荡抑制及逆变器自身稳定;面向含无功补偿电容投切的弱网场景,提出容性高频特征抵消环路叠加阻尼重构环路的复合主动适配方案,提升复杂并网场景下集群振荡抑制能力。 (3)面向多馈入新能源集群接入容量协同最大化需求,提出了阻抗裕度灵敏度协同的集群容量优化分配方案。基于多角形-星形变换构建了复杂网络阻抗,结合逆变器模型,研究多馈入系统聚合模型及稳定裕度指标,分析集群容量等比例分配、差异比例分配下的新能源接入容量及不同容量分配下的阻抗裕度灵敏度协同特性。构建相位裕度关于各集群容量的极值函数,应用拉格朗日乘数法分析多馈入新能源集群接入容量极值条件,研究表明当各集群阻抗裕度灵敏度相同时,固定容量的系统具有最优稳定裕度。基于该高效分配机制,提出仅需简单数值迭代的阻抗裕度灵敏度协同的集群容量优化分配方案,实现多馈入局部电网新能源接入容量的最大化;并研究所提方案在预先规划高效求解、故障运行快速评估等场景中的应用。 最后,建立多机并联实验平台及数字实时仿真平台,验证上述研究内容的正确性。所研究的多场景阻抗、集群选址、软硬件参数优化、环路优化及灵敏度协同分配方法,对提高新能源接入容量、保障系统安全可靠运行具有积极意义。

ISBN: (纸本)9787564393793

摘要： 2023年11月10日-13日广州越秀国际会中心会议网址: ***2023年将迎来中国电源学会成立40周年，为传承历史、再创辉煌，学会将于2023年全年组织开展纪念中国电源学会成立四十周年会员服务系列活动。作为纪念活动的重要环节-中国电力电子与能量转换大会暨中国电源学会第二十六届学术年会及展览会(CPEEC & CPSSC 2023)将于2023年11月10日-13日，在广东省广州市-广州越秀国际会议中心举行。

关键词： 电力电子变压器   聚酰亚胺绝缘   空间电荷   载流子动态平衡   纳米复合材料  

摘要： 电力电子变压器是实现分布式能源可靠并网和交直流柔性互联的关键设备,其绝缘材料的可靠性一直是电力行业研究的热点。聚酰亚胺作为电力电子变压器的主要绝缘材料,长期承受高频电热应力作用,其内部易积累空间电荷并导致电场畸变,最终引发放电发展和过早失效等问题。因此,聚酰亚胺的空间电荷特性是描述电力电子变压器绝缘性能的重要指标。数值模拟是分析空间电荷的有效工具。目前,仿真模型主要采用双极性电荷传输(BCT)模型。该模型存在如下问题:(1)适用性较差,无法对电热耦合应力条件下的试验结果进行充分拟合;(2)准确性较差,对空间电荷传输数学模型,需要作进一步探讨。针对上述问题,本文主要完成了以下几个方面的工作: (1)基于高频电应力条件下的瞬变特征,分析了直流肖特基电荷注入原理在高频电应力下的适用性,并结合载流子动态平衡方程、跳跃电导模型等和交流电导模型,提出了一种考虑不均匀电导率的载流子动态平衡(NCCDE)模型,相对于常规BCT模型,NCCDE模型所得仿真结果与试验较为吻合,验证了该模型精度。 (2)为了深入研究各因素对电荷传输的影响,采用NCCDE模型构建二维平板聚酰亚胺模型,模拟了不同电压幅值、方波占空比、电压频率、电压波形、上升时间以及温度等参数下的空间电荷分布。还进一步分析不同应力条件对迁移率、电荷注入等因素的影响,探讨了产生这种现象的原因。 (3)基于杂质离子模型和漂移迁移率理论,构建了改进的杂质离子模型(MIT)。通过该模型分别讨论了陷阱密度、陷阱深度、相对介电常数等因素对电荷迁移的具体作用;建立电流密度计算方程,探究纳米填料中不同参数对于空间电荷积累抑制机理;最后,本论文还探讨非均匀填充对空间电荷传输特性的影响。

关键词： 配电网   电力电子变压器   无功调节   下垂控制   一次调频  

摘要： 基于电力电子的新能源发电在配电网中的占比越来越高,而这些新能源发电装置存在间歇性、波动大、惯量低等特点,对配电网的安全稳定运行提出了挑战。同时,随着电力电子变压器(Power Electronics Transformer,PET)的大量示范应用,其在配电网中的电能质量治理、柔性电能传输、故障隔离等优势逐渐显现,未来有望替代传统变压器。为了提升配电网的稳定性,本文提出利用配电网关键节点设备——电力电子变压器对配电网的电压和频率进行调节,针对电力电子变压器的拓扑、建模以及配电网稳定调节方法展开研究,主要研究内容如下: 1.介绍三级式PET的拓扑及基础控制方法。按照其三级式结构分别建立每级的数学模型,并根据其数学模型给出其基本控制方式。其中根据输入级数学模型给出了输入级的电压电流双闭环控制;根据隔离级的数学模型及要实现的控制目标给出了隔离级单电压闭环移相控制;根据输出级的数学模型并参考输入级的控制方式给出了输出级电压电流双闭环控制。 2.研究三级式PET输入级对母线电压进行调节的控制方法。首先分析配电网电压与无功功率之间的关系,类比静止同步补偿器研究了PET输入级在配电网中无功补偿的作用。其次针对输入级运行方式进行研究,通过输入级进行无功补偿稳定配电网母线电压,并设计了母线电压控制器。进一步研究了母线电压下垂控制方法,引入无功电流反馈,并根据反馈增益的正负分为正向下垂控制和反向下垂控制。综合了下垂控制和反向下垂控制方式,使母线电压在基准电压的基础上略升高,提高了电压质量。 3.研究三级式PET输出级参与一次调频的控制方法。分析电力系统中有功功率与频率的关系,建立频率响应模型。其次研究使用PET对其负载进行电压灵敏度检测,通过负载电压灵敏度精确控制PET的输出电压改变负载的有功功率。当系统频率发生波动时,通过有功功率的平衡实现对频率稳定的控制,支持系统一次调频,避免频率偏差过大引起的系统失稳。并研究了PET的在系统中的占比以及负载电压灵敏度对调节效果的影响。 通过Typhoon半实物仿真对基于配电网PET的调压调频控制方法进行实验验证。所提出的控制策略能够改善配电网电压和频率质量,有效地提升了配电网的稳定性,为智能配电网的发展提供了参考。

关键词： 直流变压器   输入串联输出并联   电压自平衡   死区效应模型   直流变压器协调控制   虚拟阻抗控制  

摘要： 直流输配电技术由于具有电缆截面利用率高、线路损耗小、变流方式灵活等特点,在轨道交通、新能源并网、舰船配电系统与智能电网等领域得到广泛地关注与研究。大功率的直流电力电子变压器也称直流变压器(Direct current transformer,DCT)承担着直流负荷、分布式电源和储能装置之间功率变换与调度的关键角色。因此,DCT的自身稳定性及其对系统的调节能力就成为影响其应用的关键因素。本文以带有储能的中压直流系统为研究背景,以双向DCT为研究对象,提出了一种电压自平衡型输入串联输出并联(Input series output parallel,ISOP)DCT拓扑结构,围绕模块均衡策略、提高建模精度、优化协调控制策略及增强系统稳定性等方面展开研究,主要工作如下: 为了解决ISOP DCT的模块均衡问题并改善DCT的运行特性,提出了一种混合直流模块拓扑结构和一种自平衡ISOPDCT拓扑结构,并分析了其工作原理和运行特性,作为全文DCT分析的基础。将串联谐振和双有源桥式并联形成混合支流模块,研究了混合模块的软开关范围和运行特性,证明混合模块在合理的电流阈值下可以提升模块整体功率能力和低载效率。同时,增加开关谐振支路连接各模块的输入侧电容,研究了该谐振支路实现不平衡能量转移的机理,证明了该拓扑实现输入侧电压自平衡的能力。基于该自平衡拓扑,分析了开关谐振支路的电流与电压应力,并计算了谐振支路产生损耗的因素,同时与传统的模块均衡方式进行对比,证明了自平衡拓扑在器件成本和开关损耗方面的优势。构建实验样机验证,在15%的模块参数公差下,自平衡拓扑的的输入侧电压不平衡度小于0.54%。 为了精确地描述DCT参数与端口电压的波动特性之间的关系,对双有源桥式变换器模块的死区效应进行了深入研究,给出了其精确静态工作点的计算方法,并基于该精确静态工作点建立了自平衡DCT的精细化小信号模型。通过分析双有源桥式变换器死区时间内波形畸变的原因,确定了开关寄生电容的谐振过程对波形畸变的影响,并建立精确的死区分析模型。以该死区模型为基础,推导了不同工况下双有源桥式变换器移相率与输出电流的精确函数关系表达式,从而得到了模块的精确静态工作点计算方法,进而推导出精确的双有源桥式变换器小信号模型。通过对比不同精度小信号模型在相同控制器参数下的稳定性差异,验证了小信号模型精度确实对系统闭环控制参数设计产生影响,进而建立了自平衡DCT的精细化全阶连续小信号模型。 为了满足DCT自身及中压直流系统的控制需求,对DCT的协调控制策略进行了研究,提出了模块故障处理方法和母线电压协调控制策略。为了完善自平衡DCT的内部控制,以传统均压控制解耦方法做对比,探讨了自平衡策略的优势,并给出了开关谐振支路拓扑的故障切除与恢复策略,提升了自平衡DCT的适用性。针对中压直流系统在并网与孤岛两种不同的运行模式,分析了系统中各部分设备的控制方式,研究了自平衡型DCT在不同模式下的恒压控制方法,验证了DCT在系统中所承担的协调控制功能。构建仿真与实验样机证明了自平衡型DCT功率正/反双向的传输情况下端口电压控制策略的可行性及协调控制策略的有效性。 为了抑制带有高比例可再生能源和高比例电力电子设备带来的稳定性风险,研究了自平衡型DCT的宽频震荡抑制策略,增强了中压直流系统的稳定性。针对中压直流级联系统稳定性问题,采用阻抗稳定性判据,建立了电压源变换器的输出阻抗模型、线路阻抗模型以及自平衡型DCT输入阻抗模型,证明了高线路阻抗是导致系统宽频振荡的主要原因。为了解决系统宽频振荡问题,设计了一个自平衡DCT的虚拟阻抗控制策略,增加了其中压直流母线侧的输入阻抗,实现了对中压直流系统的宽频振荡抑制。搭建中压直流系统仿真平台,验证了宽频振荡策略的有效性。

关键词： 电力电子技术   课程思政   新工科   教学改革  

摘要： 电力电子技术课程是电子信息工程专业的一门专业必修课。传统的教学过程仅注重对学生知识能力的培养，缺乏对学生个人思想品德和政治素养的引导。为了进一步落实立德树人的根本任务，辽宁工业大学从教学内容、教学方法、考核机制等方面，深入挖掘课程中蕴含的思政元素，探索思政教育的融入方法，建立课程教学与思政教育良好的映射关系，从而培养学生的科学思维和爱国主义情怀。

关键词： 电力电子变压器   电压跟随型变换器   电压支撑型变换器   阻抗建模   稳定性分析   稳定控制策略  

摘要： 在“双高”背景下,电力系统中的潮流流动日益复杂,其安全风险增加,需要采取一定措施来改善其稳定性。其中一种措施是在配电网中加入电力电子变压器(Solidstate Transformer,SST),通过SST来抑制谐振频率,控制功率流动。SST不仅能提供隔离保护、电压等级变换等功能,还拥有支撑电网电压、改善功率质量等作用有效提升配电网的可靠性以及对其管理能力。虽然SST能解决系统层面的问题,但是其与新能源发电侧并网逆变器的交互会引发宽频振荡,有必要对此展开建模和稳定性分析。 基于小信号阻抗建模方法,本文提出了不同类型变换器的通用建模方法并将其运用至电压跟随型变换器(Grid-follor7h333ywing Converter,GFW)、电压支撑型变换器(Grid-forming Converter,GFM)以及SST的阻抗建模。为了验证阻抗模型的正确性,本文利用基于扫频法的d-q阻抗测量方法在主电路中注入扰动电压,测量变换器输出阻抗。 基于三类变换器的阻抗模型,本文利用阻抗分析法研究了短路比(Short-circuit Ratio,SCR)和控制参数对传统配电网的稳定性影响,并利用参数敏感性分析研究了并网变换器的控制参数对传统配电网稳定性的影响强弱。经过研究发现,一旦变换器阻抗确定,电网阻抗的变化会对系统稳定性产生影响。解决这个问题的一种方法是利用SST来重塑电网阻抗,减弱电网阻抗与变换器之间的耦合。因此,有必要对基于SST的有源配电网稳定性展开研究。在阻抗模型的基础上,本文建立了基于有源配电网的等效电路,并依据阻抗分析法研究了有源配电网的稳定性分析方法。然后,本文分析了SST和变换器的控制参数对有源配电网稳定性的影响以及利用参数敏感性分析了控制参数对有源配电网稳定性的影响强弱。 为解决SST与并网逆变器之间的交互作用所引发的宽频振荡问题,本文从并网变换器和SST两方面出发,提高系统稳定裕度。对于并网变换器,本文以锁相环(Phaselocked Loop,PLL)阻抗为起点,研究了锁相环与电流环之间的耦合作用,揭示GFW深层次的失稳机理,并据此提出了一种基于数字滤波器的稳定性控制策略,三种不同类型的滤波器被用于改善并网变换器稳定性,提高配电网稳定裕度。对于SST,本文从系统阻抗比矩阵的特征根入手,采用基于滤波器的有源阻尼控制策略,提出了一种不对称的谐振滤波器提高系统稳定性。对于所提出的两种控制方案,本文给出了控制策略具体的实现方式以及参数设计方法。 为验证前面理论分析的正确性以及稳定性控制策略的有效性,本文搭建了硬件在环(Hardware-in-the-Loop,Hi L)实验平台和配电网实验平台。实验结果显示参数对配电网的影响与理论分析保持一致以及所提出的两种控制策略能有效提高配电网稳定性。

关键词： 电力电子变压器(PET)   电磁暂态(EMT)   等效建模   仿真步长选取   并行仿真  

摘要： 电力电子变压器(power electronic transformer,PET),也称固态变压器(solid-state transformer,SST),因兼具多端 口电能汇集和综合功率调控等功能,己逐渐成为大规模交直流混联和新能源并网的关键设备。然而,由于其节点多、频率高、仿真步长小的特点,基于PSCAD/EMTDC分立元件搭建的PET详细电磁暂态仿真(electromagenetic transient,EMT)效率极其低下,严重影响了科研人员的研究效率,因此建立高效的PET电磁暂态等效模型及高效仿真方法具有重要的工程意义。针对上述问题,论文的主要研究工作如下:首先,针对PET中经典拓扑——级联H桥(cascaded H-bridge,CHB)型PET,提出一种采用导纳单元预存的高效建模方法。以导纳是否可定为标准,将功率模块划分为不同导纳单元电路的组合,针对导纳时变的H桥,从有载二端口的角度,推导出其对外仅含2种等效导纳。将各导纳单元的导纳参数预存,利用叠加定理求取端口短路电流,即可快速获取功率模块等效电路参数,进而聚合形成PET等效模型。在PSCAD/EMTDC中,与分立元件搭建的详细模型进行对比仿真测试,验证所提等效模型的精度与提速效果。其次,为了优化模型仿真精度,从时域与频域两个角度,开展PET电磁暂态仿真误差分析与步长优化选取研究。通过仿真验证了步长选取不当会造成仿真误差变大,并从数值积分的角度分析了仿真误差的影响机理。从时域角度,以截断误差表征系统局部误差特性,在此基础上给出了基于相对均方根误差的最大仿真步长求取方法。考虑到谐振型变换器系统的特殊性,提出了基于复频域离散导纳相对误差的仿真步长选取方法。综合考虑时域、频域仿真误差和控制系统共同约束后,给出PET仿真步长的优化选取方案。最后,为进一步提高仿真效率与CPU利用率,提出一种PET多线程并行仿真框架,并为所提等效算法的适用性推广提供了思路。对采用导纳单元预存的PET高效算法流程进行可并行性分析,调用OpenMP并行计算接口,实现各模块独立子函数并行运算,并对并行效果的影响因素进行了理论分析。通过PSCAD/EMTDC仿真验证,所提并行仿真方法对于原有等效算法的精度完全保留,且可以实现对原有等效模型2～3倍的二次提速。