用于IGBT模块温度观测的3-D降阶混合型热模型

IGBT模块温度在线监测是提高大容量变流器可靠性的关键技术。在IGBT模块在线温度监测方法中,热阻模型法可对IGBT模块内部的温度分布进行估计,因而受到关注。结合了传感器数据的温度观测器可基于热阻模型,实时修正材料老化、参数温度依赖性和功率损耗计算误差等不确定因素对温度估计造成的影响。然而现有热模型无法同时兼顾系统可观性和建模准确性,且阶数相对较高,难以应用于温度观测器的在线运行。因此,该文提出了一种适用于风冷散热多芯片IGBT模块3-D温度观测器,同时满足可观性、准确性和实时性要求的混合型降阶热模型。首先,分析了热阻模型的拓扑结构及其参数辨识的方法,并探究了模型的状态空间生成规律;然后,基于非线性优化算法对该模型的参数进行修正,以减小因计算流体力学(CFD)仿真模型参数与实际参数不一致所引入的热阻模型与实验物理对象间的误差;随后,使用平衡截断法对热阻模型降阶,相对于现有集总参数热阻模型,进一步提高了实时求解效率;最后,通过仿真和实验验证了所提模型的准确性。

高压大功率器件应用特性测评现状与挑战

高压大功率器件目前已广泛应用于各类大容量电力换流和控制装备中,在运行过程中面临复杂的电-磁-热-机应力,具有功率密度大、工况态势复杂的特点,开展高压大功率器件的特性测试有利于准确评估功率器件的可靠性,并指导变流器的优化设计。该文紧密围绕基于双脉冲的准在线测试方法,系统综述准在线测试在结温提取、老化表征、运行轨迹刻画、电磁云图分布等方面的应用情况和发展现状,梳理不同特性表征方法的优缺点及适用性,并进一步探讨在线运行工况下功率器件的实时状态监测和寿命评估方法。同时,面向第三代碳化硅半导体器件,深入讨论基于宽禁带材料电致发光原理的测评新方法,为后续高压大功率器件的可靠性评估提供指导和参考。

模块化多电平中压直流变换器的高可靠自供电架构研究

随着大容量中压直流配电技术的迅速发展,模块化多电平直流变换器受到工业界和学术界的广泛关注。然而,实现高可靠的辅助供电是实现直流变换器在中压直流配电场景中应用的关键技术瓶颈之一。为此,提出一种面向模块化多电平中压直流变换器的高可靠自供电系统架构。该架构实现主控制器、子模块等辅电系统的中压直联馈电,从而无需额外低压直流电源,并且大幅提升系统启动速度。基于此架构设计,模块化多电平直流变换器的子模块控制器和旁路开关辅助供电均实现3倍冗余,提高系统容错运行的能力。在子模块电容预充电阶段,提出一种基于辅助电源自主控制的子模块电容均压方法,保证模块化多电平直流变换器可靠预充电。最终通过实验验证所提辅助供电系统架构的可行性。

近现代工程:工程教育的历史观与价值观(下)

文章从工程的由未与阶段划分的角度叙述工程的历史发展,以不同时代政治经济形势发展状况为基础,简要回顾工程的起源与古代工程阶段,重点讨论近代和现代工程的特点与历史演化,高等工程教育的发展脉络,工程师群体与工程师文化的形成以及工程教育的历史观与价值观。文章分为上、下两篇,上篇简述了原始工程与古代工程的特点以及向近代工程的演化,分析了近代工程、近代工程师、高等工程教育的产生与发展,并以电气工程为例回顾了中国高等工程教育的初期发展。下篇分析了近代工程向现代工程的演变,探讨了现代工程对高等工程教育的影响,最后从整个工程历史发展的角度总结工程教育的历史观与价值观。

近现代工程:工程教育的历史观与价值观(上)

文章从工程的由来与阶段划分的角度叙述工程的历史发展,以不同时代政治经济形势发展状况为基础,简要回顾工程的起源与古代工程阶段,重点讨论近代和现代工程的特点与历史演化,高等工程教育的发展脉络,工程师群体与工程师文化的形成以及工程教育的历史观与价值观。文章分为上、下两篇,上篇简述了原始工程与古代工程的特点以及向近代工程的演化,分析了近代工程、近代工程师、高等工程教育的产生与发展,并以电气工程为例回顾了中国高等工程教育的初期发展。下篇分析了近代工程向现代工程的演变,探讨了现代工程对高等工程教育的影响,最后从整个工程历史发展的角度总结工程教育的历史观与价值观。

基于等效励磁电感的SiC串联器件型中压双有源桥变换器的软开关技术

基于SiC串联器件的双有源桥变换器因具有开关损耗小、功率密度高、能量控制简单等优势,有望成为中压变换场景中实现高频隔离的优选方案。为保证SiC串联器件的可靠均压,各器件上并联大容值缓冲电容,然而该设计使变换器在传输功率较低时难以实现零电压开通,严重影响变换器的整体效率和串联器件的可靠运行。该文通过构建SiC串联器件型中压双有源桥变换器多模态运行模型并深入分析其运行特性,提出一种基于等效励磁电感的无源软开关技术。所提技术可通过优化外接传输电感位置的方式实现中压侧等效励磁电感参数调节,从而在无额外控制前提下实现SiC串联器件的软开关范围扩展。最后,设计了4 kV/1 kV实验样机,实现了100 kW下运行。实验结果显示,所提出的软开关技术能显著地扩展变换器中SiC串联器件的软开关范围,在保证SiC串联器件均压稳定性的同时能够大幅降低变换器在轻载运行时的功耗。

低载波比下基于状态反馈和大林算法的永磁同步电机高性能电流控制策略

受到功率器件开关频率的限制,高速永磁同步电机驱动系统通常需要低载波比运行,此时系统延时相对很大,对电流环设计要求很高。常规在连续域设计的复矢量PI控制器由于离散化实现存在误差,dq轴解耦不完全,而且扰动传递函数包含电机自身低阻尼比极点,使系统抗干扰能力差,尤其是负基波频率附近的扰动。因此,文中提出状态反馈大林控制算法。首先,利用延时环节电压进行反馈来使系统完全解耦;然后,通过输出电流反馈提升系统阻尼来抑制扰动;最后,对解耦且阻尼后的系统设计大林控制器来提升稳定裕度。实验结果表明,相较于复矢量PI控制器,所提出的状态反馈大林控制器dq轴解耦性能好,电流超调小,系统振荡小,且抗扰能力显著提升。

基于换流–短路双回路解耦的SiC MOSFET功率器件抗短路封装构型设计

由于栅极氧化层可靠性差、短路电流密度大以及短路结温上升速率高,SiC MOSFET功率器件的短路耐受能力较弱,制约着其在电能变换领域的广泛应用。在此背景下,为了提升SiC MOSFET功率器件的短路耐受能力,文中基于换流–短路双回路解耦的思想,设计出具有抗短路能力的SiC MOSFET功率器件封装构型。该构型将半桥中的两个换流回路在功率器件内部解耦,两换流回路的中点各自连接一个交流功率端子(AC+、AC-)。与现有半桥封装构型相比,抗短路构型功率器件的换流电流路径和换流电感Lσ不变,而当发生桥臂直通短路故障时,短路电流因需要额外流经AC+和AC-交流功率端子而延长了短路路径,同时DC功率端子与AC功率端子之间的互感进一步增大了短路回路电感Lsc。基于34mm封装构型设计制造具有抗短路极限工况能力的650V/162A SiC MOSFET功率器件,其短路故障回路电感达到了115nH,是正常换流回路电感的3.6倍;并且,通过短路实验验证所设计的构型相比于现有设计,短路电流峰值降低了20.07%,发热功率降低了21.41%,短路过程中的总发热量降低了30.04%,验证了所设计封装构型具有一定的抗短路性能。

直流变换器阻抗分析教学改革探索与实践

致力于理论与实践相结合的新工科教育,当务之急是把工程实践的新知识与新内容引入课程教学。“电力电子技术”课程中变换器小信号建模与阻抗教学是关键与难点,引导学生通过实际操作,从变换器小信号模型、闭环控制影响与输出阻抗塑形等方面逐层掌握衍变规律与制约关系,提高面对复杂系统阻抗设计与匹配时的思维能力,从而实现培养创新型工程师与综合型人才的目标。

基于随机森林二分类器的模块化多电平换流器子模块开路故障检测方法

随着模块化多电平换流器(modularmultilevel converter,MMC)应用领域的日益扩展,其子模块的开路故障引起了更多关注。为了诊断子模块开路故障,该文提出一种基于机器学习(machinelearning,ML)的故障检测和定位策略。根据开路故障特性,文中选择子模块电容器电压作为故障检测的关键指标,然后引入一种从电压数据中提取时域特征的方法,以构造用于有监督学习分类器的样本。在对随机森林的分类器进行样本训练后,检测策略实时电压数据的特征量判断每个子模块的工作状态。所提出的策略可快速准确地定位故障子模块,而无需添加额外的传感器或构建电路的数学模型。最后,通过三相MMC实验平台验证所提出的开路故障检测策略的有效性。

三电平单元电力电子变压器容错运行技术

基于三电平单元的电力电子变压器具有功率模块少、功率密度高等优点,在数据中心不间断电源、铁路配电系统、超级充电站等场景中应用前景广阔。然而,电力电子变压器中开关器件多,器件故障引发的故障模块切除动作将导致系统容量损失,易引发系统失稳、故障越界等问题。针对该问题,文中提出了一种基于故障模块、故障相与非故障相协同的三电平容错运行技术。首先,采用开关组合列举法分析了不同故障类型下三电平单元H桥的共性故障结果,并基于部分器件旁路实现了故障模块重构和容错运行。其次,提出了相内协同控制策略,实现了故障模块电容电压的稳定与均压控制,并通过相间协同控制实现线电压平衡,共同保障电路正常运行。最后,针对不同故障结果提出具体的容错控制方法,并通过仿真验证了所提容错方法的有效性。仿真结果证明了容错控制下电力电子变压器能稳定运行。

高压非穿通P-i-N二极管等离子体抽取渡越振荡集总电路模型及封装抑制方法研究

高压非穿通P-i-N二极管反向恢复阶段产生等离子抽取渡越时间(plasma extraction transit time,PETT)振荡,对功率模块的驱动电路和设备EMC性能造成严重干扰。文中根据二极管PETT振荡阶段载流子运行特征将器件内部分为等离子区、漂移区和无源区3个区域并将各区域等效成电阻、电感和电容等集总电路参数,利用二极管等效电路与外围电路参数构建了PETT振荡集总电路模型。该模型可计算得到振荡阶段回路各阻抗的动态变化,复现PETT振荡失稳–自稳振荡现象。该集总电路模型表明PETT振荡出现根本原因是回路出现负阻,而负阻出现的原因是空穴渡越角位于π~2π之间,基于该模型解析得到回路寄生电感的优化范围,通过优化封装布局的方式可将空穴渡越角移出负阻出现的区间。最后,在模块内部通过优化绑定线布局将回路寄生电感调整至优化范围内,从而避免回路负阻以抑制PETT振荡的出现,实验证明了该封装抑制方法的有效性。

基于特征值规范型矩阵的内嵌式永磁同步电机低载波比建模方法

受到功率器件开关频率的限制,大容量或高转速电机的驱动系统通常要求低载波比运行。内嵌式永磁同步电机dq轴参数不对称,数学模型复杂,在低载波比下,电流环反馈解耦不彻底,控制器优化困难。因此,文中提出一种基于特征值规范型矩阵的建模方法,通过非奇异线性变换,将非对称系统等价转化为对称系统,并利用复矢量建模简化为单输入单输出系统,便于控制器优化设计。此外,基于特征值规范型建模方法,推导出适用于非对称系统的复数PI控制器。仿真与实验结果表明,所提出的建模方法不会引入额外的建模误差。相较于经典PI控制器,所推导的复数PI控制器可实现dq轴解耦控制,动态响应快,相位裕度大幅提升。

新能源直流微网的控制架构与层次划分

以新能源直流微网为研究对象,融合集中控制和分散控制特点,提出一种直流微网层次控制架构。根据直流微网的物理特性,将控制框架划分为变流器控制层、母线控制层和调度管理层。在变流器控制层,将各类变流器统一为终端控制型和母线控制型;在母线控制层,根据母线电压划分3种运行模式,以实现系统中各单元的自适应模式切换;在调度管理层,中央控制单元通过自上而下的决策仲裁机制,实现系统的整体优化。位于底层的变流器控制层通过分散自治控制保证系统的可靠性;处于顶部的调度管理层通过集中控制提升系统的灵活性;处于中间的母线电压控制层作为重要衔接,实现系统的能量流动和信息交互。最后,通过理论分析和实验测试,验证了所述控制策略的有效性。

虚拟同步发电机的功率动态耦合机理及同步频率谐振抑制策略

随着新能源并网的增加,现有并网逆变器采用的直接电流控制无法有效跟踪电网电压。虚拟同步发电机(virtual synchronous generators,VSG)技术通过模拟同步发电机运行机制,改善了系统稳定性,成为解决分布式电源高渗透率问题的有效方案之一。然而,虚拟同步发电机存在同步频率谐振现象,容易引发功率振荡,导致系统不稳定。该文分析电磁磁链的动态过程;通过建立虚拟同步发电机的宽频域功率动态耦合模型,发现有功–无功的功率耦合效应会加剧同步频率谐振;基于同步频率谐振的产生机理,采用有源阻尼控制的策略能有效抑制该谐振问题。最后,通过搭建实验平台,验证虚拟同步发电机中的同步频率谐振现象、有功–无功动态耦合效应正确性及阻尼抑制策略的有效性。

大容量电力电子器件结温提取原理综述及展望

电力生产、传输和消费方式的变革对大容量电力电子装备的可靠性提出了更高的要求。温度诱发的器件失效是电力电子系统失效的主要原因。因此,对器件结温的精确提取是大功率电力变换装备的寿命预测、健康管理和可靠性评估的基础。该文概述大容量电力电子器件结温提取原理和相关技术的最新进展,梳理现有器件结温检测技术的分类方法和主要特点,特别是对热敏感电参数提取方法的工作原理、典型特征进行总结和归纳,并从线性度、灵敏度、泛化度等指标对结温提取方法进行初步评估。在此基础上展望大容量电力电子器件结温提取的未来研究方向。

直流微网系统中混合储能分频协调控制策略

针对直流微网架构的特点,设计了一种分频段响应的控制策略。通过母线电压的反馈来提取功率波动,利用直流母线电压环和超级电容电压环设置高通滤波器、带通滤波器和低通滤波器这三个"隐形"滤波器。其中母线功率波动的高中低频分量依次由母线电容、超级电容和蓄电池响应,从而充分利用了蓄电池能量密度大和超级电容功率密度大、循环使用寿命长的优点,有效提升了储能系统的性能。而且,隐形滤波器的实现完全由软件控制完成,具有很好的灵活性和适应性,且无需增加额外的硬件成本。最后,通过实验验证了所提出的混合储能控制策略的有效性。

隔离型三绕组耦合电感交错式DC/DC变换器

讨论了四种隔离型交错式DC/DC变换器结构的特点,并在交错式Flyback变换器的基础上,引入三绕组耦合电感概念,实现了Flyback型变换器到Boost型或Buck型变换器的转换。然后,在三绕组耦合电感演绎出的一次侧并联/二次侧串联Flyback-Boost变换器上,采用有源钳位软开关电路,不仅实现了主开关管和辅助开关管的零电压软开关特性,而且只需要一组钳位软开关电路就无损地吸收了两相交错电路的漏感能量、抑制了主开关管的关断电压尖峰。三绕组耦合电感的漏感限制了输出二极管关断电流的下降速率,有效地抑制了二极管的反向恢复电流。最后,设计了一台40V输入、760V输出1kW的三绕组耦合电感实现的一次侧并联/二次侧串联交错式有源钳位软开关Flyback-Boost变换器的试验样机。实验结果验证了理论分析的正确性。

实时三维经食管超声心动图在经皮封堵人工瓣膜瓣周漏中的应用价值

目的探讨实时三维经食管超声心动图(RT3D-TEE)在经皮封堵人工瓣膜瓣周漏中的应用价值。方法选取2015年12月至2017年2月在首都医科大学附属北京安贞医院经超声心动图检查诊断为人工瓣膜置换术后瓣周漏并同意经皮介入封堵术治疗的患者10例(共10个瓣周漏)。术前应用RT 3D-TEE及二维经胸超声心动图(2D-TTE)检查;术后即刻观察反流程度,术后3个月应用2D-TTE进行随访,观察短期内手术成功率及各项心脏超声指标变化情况。结果 RT 3D-TEE定位瓣周漏:5例位于9～12点位(前壁方向)内,4例位于3～6点位(后壁方向),1例位于6～9点位(侧壁方向)。2D-TTE对瓣周漏缺损最长径的测量值为(5.0±1.6)mm,与RT3D-TEE的测量值(9.4±3.3)mm比较,差异有统计学意义(P=0.001)。所有患者术后反流程度较术前明显减轻[(1.7±1.2)cm^2比(7.3±2.8)cm^2](P=0.019)。所有患者术后3个月左心室舒张末期内径、左心房直径、纽约心脏病协会心功能分级Ⅲ级比例均较术前明显降低[(57±8)mm比(58±8)mm、(55±17)mm比(57±17)mm、1/9比7/10](均P<0.05)。结论超声心动图是评估瓣周漏的重要方法,RT3D-TEE在评估瓣周漏形态、大小及指导选择封堵器上明显优于2D-TTE,可以为该类患者封堵器的选取提供必要信息。

差压式流量计的标定及其误差分析

差压式流量计在流量测量领域中广泛使用。采用高精度的标定系统,对差压式流量计进行标定,获得了流量计的流出系数,并采用科学的分析方法,对流出系数进行误差分析,得出了标定结果及实验误差。通过分析结果可以确定,流量计的测量误差符合标准,可用于现场实际测量中。