面向中高压智能配电网的电力电子变压器研究

分析了电力电子变压器(power electronic transformer,PET)的国内外研究现状,以及面向中高压电网的已有PET拓扑的特点。在此基础上,基于模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC),提出了面向中高压智能配电网PET的一种新型拓扑。与传统的PET电路拓扑相比,新型拓扑的优势在于其可以减少电力电子开关器件的数量;更重要的是,可以显著减少高频变压器的数量,具有更好的体积及重量优势。同时,分析了该拓扑PET的工作机制及不同电能转换环节的控制策略设计方法。10 kV/380 V配电网用PET样机上的仿真及试验结果表明了所提拓扑及其控制策略的可行性。

电力电子变压器技术研究综述

随着智能电网、能源互联网等未来电网技术的快速发展,能实现变压、电气隔离、功率调节与控制、可再生能源接入等多种功能的电力电子变压器（也称为固态变压器、智能变压器等）,相关理论和技术的研究得到了越来越广泛的关注。但是,从总体而言,PET的大规模推广应用还有诸多问题需要解决。该文在分析PET发展历史的基础上,对PET涉及的关键技术,尤其是PET的电路拓扑、控制保护技术、高频变压器优化设计技术、功率电路紧凑化设计技术、高压宽禁带半导体在PET中的应用等进行了梳理和总结。最后对PET发展存在的关键制约因素以及发展的趋势进行了总结和展望。

中压配电网用10kVac-750Vdc/1MVA电力电子变压器功率密度影响因素研究

对面向10k V配电网的电力电子变压器(PET/SST)来说,其主要功能是在完成高低压侧电气隔离的前提下实现对电能/电功率的双向流动控制。为了提高功率密度,目前10k V配电网用PET/SST主要通过高频电力电子变换器+高频变压器的方案实现。本文结合研制的10k Vac-750Vdc/1MVA电力电子变压器样机实测数据,详细分析了影响中压配电网PET/SST功率密度的多种因素,指出了影响PET/SST功率密度提高的关键瓶颈问题——功率模块数量多是限制PET/SST功率密度提高的主要因素。而通过提高高频变压器工作频率的方法难以显著提高10k V配电网用PET/SST的功率密度。

一种高频链模块化电力电子变压器

电力电子变压器(PET)包含多级电能变换环节和大量元器件,制约了其效率、功率密度和可靠性的提升。基于模块化多电平矩阵变换器(M3C)的应用,本文提出一种高频链模块化PET电路拓扑。采用矩阵变换的方式可减少电能变换环节,并且所提拓扑可减少高频变压器与子模块的数量,具有体积和重量优势。针对该PET,分析了其工作特性与控制策略设计方法。仿真试验结果表明了所提拓扑及控制方法的可行性。

三相电力电子负载谐波分析与抑制

三相电力电子负载在系统不平衡或模拟不平衡负载、非线性负载的工况下,直流母线会包含丰富的谐波电压,这些谐波分量通过PWM调制过程和电压外环控制器会引入到并网指令电流中,导致馈网电流质量的下降。针对这一问题,根据瞬时功率理论,建立了三相电力电子负载功率平衡方程,推导出三相电力电子负载在不同工况下直流母线谐波电压的表达式,揭示了负载模拟变换器和并网变换器对直流母线电压的影响机理,并提出一种基于滞环控制的直流电压控制方案,以抑制直流母线谐波电压对并网输出电流的影响,改善馈网电流的质量。仿真和实验都验证了理论分析的准确性以及谐波抑制方法的有效性和可靠性。

面向交直流混合配电应用的10kV-3MV·A四端口电力电子变压器

;电力电子变压器是交直流混合配电系统中实现交直流电能变换与管控的核心设备,该文以应用于苏州同里交直流混合配电系统中10kV-3MV·A四端口电力电子变压器样机为对象,考虑示范工程中多电压等级的交直流设备接入需求,针对交直流混合配电接入的复杂应用场景,在电力电子变压器样机的电路拓扑设计和分布式控制技术方面开展研究,提出一种适用于多端口、直流真双极的电路拓扑及其端口协调控制策略。示范工程现场测试结果验证了该文中电力电子变压器样机设计能够满足交直流混合配电系统复杂应用需求,对于电力电子变压器在交直流混合配电网中推广应用及发展具有重要意义。

基于电力电子变压器的新型贯通式同相供电变流器

本文在对同相供电系统分类研究的基础上提出了一种基于单相-单相电力电子变压器(PET)的新型贯通式同相供电变流器电路拓扑。相对于传统的基于工频变压器的同相供电变流器方案,该拓扑可以取消工频变压器,并大幅减少低频滤波电感数量;相对于模块化多电平变流器(MMC)的方案,所提出的拓扑所需储能电容和低频滤波电感数量均可减少60%以上,而功率半导体数量几乎不变,可显著提升系统功率密度,降低系统造价。此外,当单台PET故障时系统可继续降额运行,而非系统全部停运,可靠性高。本文分析了所提出拓扑的工作原理并设计了控制策略。在所搭建的基于单相-单相PET的20MV·A贯通式牵引同相供电变流器模型上的仿真结果验证了该拓扑的正确性和有效性。

三相级联H桥型电力电子变压器电容值设计方法

针对三相级联H桥型电力电子变压器(PET),分析了输入侧瞬时功率波动特性,建立了其直流侧电容电压及中间级高频变压器原、副边电流的时域解析模型,并基于该模型提出一种PET电容值设计方法。基于MATLAB/Simulink仿真平台搭建三相级联H桥型PET仿真模型,并在功率模块测试平台进行实验验证。仿真及实验结果表明该解析模型可以准确地描述电容电压及变压器高频电流的波动特性,进而为主电路参数设计与控制系统设计提供研究基础。

电力电子非线性负载数字化实现方法

针对电力电子负载模拟非线性负载算法中存在的计算繁琐、准确度不高的问题,提出一种数字化实现方法。该方法是依据三相不控整流桥输入电压瞬时值与直流侧电压的数学关系以及二极管的导通条件,获得其七个工作阶段的判定条件,再利用后向差分法数字求解不同工作阶段的电路微分方程。得到三相不控整流桥的输入电流,作为负载模拟变换器电流环的控制指令信号,并在αβ坐标系下采用比例谐振控制器跟踪交流参考电流。仿真及实验结果表明了所提出的方法具有计算简洁,准确度高,响应迅速等特点。

级联H桥型电力电子变压器隔离级高频电流波动抑制策略

串联谐振型双有源桥变换器(DABSRC)由于具有控制简单及软开关范围宽的特点,可用在级联H桥型电力电子变压器隔离级DC-DC电能变换环节中。考虑电力电子变压器各相单元存在二倍电网工频瞬时功率波动,导致隔离级DABSRC高频电流幅值呈现相同波动,且过大波动将会增加隔离级开关器件导通损耗和电流应力。为解决该问题,文中以优化高频电流有效值为目标,提出一种零序电压注入控制策略,通过在交流侧级联H桥变换器中注入零序电压,降低了隔离级DABSRC开关器件电流应力。最后,利用苏州同里10 kV交流/750 V直流3 MVA级联H桥型电力电子变压器工程示范样机进行验证,仿真及样机测试结果证明了控制方法的有效性。

串联谐振间接矩阵型电力电子变压器高频电流特性分析及开关频率设计

串联谐振间接矩阵型电力电子变压器(PET)通过高频开关并减小直流电容容值可实现高功率密度。然而,小直流电容会改变谐振回路等效电容,并影响高频谐振电流特性,进而影响零电流软开关(ZCS)的实现。该文建立小直流电容下串联谐振间接矩阵型PET等效电路,推导高频电流时域解析表达式,并对ZCS条件下的开关频率进行设计,揭示直流电容和死区时间对开关频率的影响规律。仿真和实验结果验证了该文理论分析的正确性。

单相电力电子变压器中串联谐振型双有源桥电流特性分析

三级式电力电子变压器(PET)因其良好的控制特性,受到了广泛关注和应用。三级式PET由输入级、隔离级和输出级构成,各级之间通过储能电容相连。由于功率半导体器件的耐压水平有限,一般此类PET由多个功率模块级联构成。各功率模块的中间环节通常采用串联谐振型双有源桥(DAB)变换器来实现不同直流电压等级之间的电能变换与电气隔离。本文在考虑PET交流输入侧、直流输出侧瞬时功率分布规律的基础上,建立了单相PET功率模块的动态等效电路模型,推导了其中串联谐振型DAB的电流时域解析表达式及其简化模型。通过所搭建的Matlab/Simulink仿真模型和电力电子变压器功率模块测试平台验证了该模型的正确性。

级联式有源电力滤波器控制策略及实验研究

针对由级联式多电平变换器为主电路的有源电力滤波器,其主电路中直流电容相互独立,如果没有有效控制措施,这些独立的电容电压会产生不平衡,严重威胁装置的安全、稳定运行。本论文提出一种有效控制策略,不仅具有良好的补偿效果,而且保证了主电路中各级联单元直流侧电容电压恒定和均衡。为了验证所提控制方法和控制策略,本文搭建了两级级联式有源电力滤波器,实验结果表明,该系统具有良好的滤波性能,同时也保证了各级联单元直流侧电容电压恒定和均衡,进一步表明本文所提方法的有效性和正确性。

级联矩阵型交直流电力电子变压器预充电策略

与现有四级型交直流电力电子变压器(PET)相比,级联矩阵型PET具有电能变换单元少及功率密度高等特点。级联矩阵型PET内部输入级经高频变压器后直接与输出级耦合,在预充电过程中,若采用传统高压交流侧或低压直流侧充电方式,则需增加相关辅助充电设备或实施复杂的开环充电策略。为解决该问题,本文针对级联矩阵型交直流PET,提出一种简单的开环充电策略。在充电过程中,高低压侧H桥变换器同时解锁,利用辅助充电设备,高压侧级联H桥变换器以固定数量循环轮换投切以产生50%占空比高频方波电压,低压侧H桥变换器持续输出同频同相的方波电压。所提出的充电方法操作简单,无需增加相关辅助充电电路,且充电过程中无电流冲击,实验验证了所提充电策略的有效性和可行性。

定子无铁心永磁无刷直流电机驱动拓扑设计方案及对比

单级三相全桥驱动拓扑无法保证力矩控制模式的定子无铁心永磁无刷直流电机在全电流指令范围内电枢电流连续。采用增加电枢回路等效电气时间常数的思路,选取Buck+半桥、全桥串联电感、Buck+全桥三种驱动拓扑,对三种驱动拓扑保证电机正常运行的条件以及不同驱动拓扑的固有属性进行理论分析、说明和对比。在基于数字控制器的三种驱动平台上,使用同一台电机进行实验验证。实验结果表明,三种驱动拓扑均能保证电机的正常运行,实测电流波形证明了关于拓扑特点的理论分析的合理性。对三种驱动拓扑实测稳态运行性能进行了详细的数学分析,为小功率无铁心永磁无刷直流电机的工程应用提供了参考依据。

变长分段直线感应电机数学建模

变长分段直线感应电机参数具有不连续、快速时变及强耦合特性,这给电磁暂态建模带来挑战。该文引入3种时变因子推导出具有参数时变特性的变长分段直线感应电机数学表达式。通过分析变长分段直线感应电机定子与动子的电磁耦合特性及时变因子与状态变量之间的耦合关系,建立定子、动子及时变因子相互解耦的数学模型。仿真结果表明,该数学模型计算的电压、电流和速度与有限元计算结果差别小于6%,验证了数学模型的准确性。硬件在环实验结果表明,在高速工况下数学模型可以准确模拟系统的电磁暂态特性,验证了数学模型的解耦能力及数值运算稳定性。

感应电能传输系统多并联拾取模块电流和输出功率均衡方法

大功率感应电能传输系统通常采用多并联拾取模块结构。然而,多并联拾取模块参数不一致,会导致各个拾取模块的电流和输出功率不均衡,从而降低系统效率,严重时会因模块过流而造成系统故障。为解决该问题,文中提出一种基于并联拾取模块补偿电容器的多并联拾取模块电流和输出功率均衡方法。首先,介绍了传统感应电能传输系统与所提出的感应电能传输系统拓扑的特性。然后,分别分析了互感、拾取线圈自感及内阻对电流分布和系统效率的影响。最后,通过4个并联拾取模块的感应电能传输系统实验平台验证了所提方法的有效性。实验结果表明,采用所提方法时多并联拾取模块的电流和输出功率基本一致,并且相比传统感应电能传输系统,系统效率最高提升了2.21%。

基于谐波注入分段供电永磁直线同步电机变流器开路推力波动抑制

该文提出一种电流谐波注入的方法,减小长定子分段并联供电永磁直线同步电机系统的驱动变流器发生单相开路故障下电机推力波动。首先,根据动子在定子段的位置,推导出分段单元电机的电压方程,得到各个单元电机的推力表达式和系统总推力。然后,依据变流器单相开路前后的全耦合状态下单元电机基波磁动势不变的原则,构造降阶坐标变换矩阵,得到电机的电压方程和推力表达式。采用注入谐波电流、优化故障后直线电机的输出推力的方式,消除变流器单相开路故障产生的4次和6次推力谐波并消除耦合因数变化对电机推力影响;通过多变流器协同控制多单元电机,有效降低变流器单相开路故障后的推力波动,提高电机的最大输出推力。仿真和实验验证该方法的有效性。

电磁轨道发射器能量转换过程

为提高电磁轨道炮发射效率,探讨电磁轨道发射器的能量转换过程及规律,依据电路和电动力学理论,构建了由动生阻抗、轨道电感、轨道电阻和枢轨接触电阻等组成的发射器非线性数学模型,搭建了耦合结构力、速度、位移等因素的发射器仿真模型,在分析动生阻抗、轨道电感、轨道电阻和枢轨接触电阻特性的基础上,揭示了发射器的脉冲电源激励、脉冲电源和轨道电感共同激励、轨道电感主激励三阶段能量转换规律,得到某次试验发射器能量转换过程和各负载消耗能量占比,其中轨道电阻消耗能量占比52.73%最高,降低轨道电阻、轨道电阻梯度和摩擦系数等仿真参数后,发射器效率由27.27%提升至60.87%。

电驱动乘用车制动能量回收技术发展现状与展望

制动能量回收技术能大幅提高整车能量经济性,已成为电驱动车辆的一项关键技术和核心竞争力的重要因素之一。本文中总结了电驱动乘用车制动能量回收系统的组成与分类,综述了国内外电驱动乘用车制动能量回收系统产品研发的最新进展,分别从液压执行机构、系统控制和系统评价3个方面对制动能量回收系统的关键技术进行分析,最后对制动能量回收技术的发展趋势进行了展望。