新能源发电串联分布式高能效变换系统

针对光伏组件、热电发电机等新能源发电模块输出电压低的特点,以系统发电功率最大化为控制目标,研究模块串联分布式新能源发电系统中的高能效模块集成变换器拓扑及其控制策略。分析不同变换器类型对系统性能和发电设备输出特性的影响;综合考虑变换器变换效率和最大功率跟踪效率,提出引入直通工作模式实现变换器全电压范围最大功率输出的控制策略和实现方法;并提出具有直通模式的改进型升降压变换器拓扑,详细分析工作模式和设计实现。搭建由13个250W模块组成的串联分布式实验系统,验证了理论分析的正确性。

构网型储能变换器在新能源接入场景下并网稳定性分析及提升策略

构网型储能变换器因具备解决新能源消纳、提升系统转动惯量等能力,被视作构建新型电力系统的关键设备。文中围绕构网型储能接入对新能源场站并网稳定性的影响开展研究工作。首先建立构网型与跟网型储能变换器特征阻抗模型,分析构网型与跟网型储能接入对于新能源场站并网稳定性的影响,研究结果表明,储能以构网形式接入更有利于提升新能源场站并网稳定性。在此基础上,探究构网型储能变换器对于新能源场站阻抗特性的影响规律,针对其弱主导频段中新能源机组负阻特性凸显问题,提出一种提升构网型储能变换器阻抗主导能力的自主阻抗适配控制,在系统谐振频率的实时检测基础之上,实现不同电网工况下自适应阻抗适配,有效提升了新能源场站并网系统稳定性。最后,通过RT-LAB控制硬件在环完成相关频率特性及其自主阻抗适配控制方法有效性的实验验证。

一种基于三端口变换器的航天器分布式供电系统

提出一种以三端口变换器(three-port converter,TPC)为基本单元构成的航天器分布式供电系统架构及其功率控制方法。该系统包含多个独立的分布式输入源,分别连接各TPC模块的输入端;而集中式输出母线和储能母线则分别由各TPC模块的储能端和输出端并联连接得到。由于多个输入源之间功率存在差异且单个TPC含有3条功率路径,系统中各条传输路径上的功率难以确定。为了实现每条功率路径可控,提出"在储能装置处于放电状态时平均分配放电电流、在储能装置处于充电状态时按输入功率分配输出端功率"的新型功率控制方法,以保证系统所有工况下均能稳定运行并能够自然切换。实验结果表明了所提出分布式供电系统及其功率控制方法的可行性。

一种新颖的ZVS全桥变换器寄生振荡抑制方法

在对整流二极管寄生振荡产生机理深入解析的基础上,提出基于超前换流的电压振荡抑制新对策,进而推出一种原边加换流电容和LC辅助电路的新型零电压开关(zerovoltage switching,ZVS)脉宽调制(pulse width modulation,PWM)移相全桥变换器,很好地抑制了副边整流二极管的寄生振荡,没有占空比的丢失,实现宽负载范围开关管的零电压开关。阐述该变换器的工作原理,给出关键参数的设计原则,并通过一台650W/28V、开关频率为100kHz的原理样机验证该变换器的优点。

新型对称控制方式三相三电平直流变换器

半桥三电平变换器具有开关管电压应力低、易于实现软开关等优点,适用于高输入电压场合。但随着输出功率的提高,开关管的电流应力也随之增加。为降低开关管的电流应力,提出一种新型三相三电平直流变换器,与已有三相三电平变换器相比,该变换器开关管数量大幅减少。采用对称控制方式,所有开关管的电压应力均为输入电压的一半;采用三相电路结构,可降低开关管的电流应力,同时可有效提高输入输出电流脉动频率,进而减小滤波器。制作一台600 V输入、48 V/20 A输出的原理样机,实验结果验证了理论分析的有效性和正确性。

基于航空交流电网的Boost/半桥组合式软开关谐振PFC变换器

研究一种采用Boost变换器和半桥变换器级联所构成的功率因数校正(power factor correction,PFC)变换器拓扑,其工作在电流连续模式(continue current mode,CCM)模式下,仅在半桥变换器输出端使用储能电容补偿瞬时输入输出功率的不平衡。半桥变换器桥臂电容作为Boost变换器输出端电容。通过适当的控制策略,降低了容值,无需高耐压等级的电解电容,提高了电路工作的可靠性。变压器漏感参与谐振,实现了半桥变换器功率管的软开关。分析PFC变换器的电路拓扑,给出前后级的控制逻辑关系,讨论软开关实现的条件以及减小电容规格的可行性,给出仿真及实验结果,证明该变换器具有良好的性能,满足GJB181A的要求。

一种适用于高压输入的高可靠性新型推挽正激变换器

提出了一种适用于高压输入的高可靠性推挽正激变换器。两个正激单元通过公共磁芯耦合,变压器磁芯双向磁化、提高了磁芯利用率;开关管和二极管串联构成开关桥臂,实现了开关管两端电压钳位,同时实现了变压器漏感能量回馈,而且从电路结构上消除了开关桥臂短路直通的隐患,具有开关器件电压应力低、效率高、可靠性高等优点。详细分析了变换器的工作原理和特性,并通过实验验证了理论分析的正确性。

混合励磁同步发电机–矩阵变换器发电系统两级式电压闭环控制策略

研究了一种基于混合励磁同步发电机与矩阵变换器组合的宽转速范围的变速恒频发电系统。在理论推导该新型发电系统数学模型的基础上,提出了一种将发电机端电压闭环控制与矩阵变换器输出电压的瞬时值闭环控制相结合的两级式电压闭环控制策略,并通过推导闭环系统传递函数对系统稳定性进行了分析。最后,通过实验验证了该发电系统及其控制策略的有效性。

三管推挽双向DC-DC变换器电流应力优化控制

为提高三管推挽双向全桥变换器运行效率,提出了一种峰值电流应力优化控制策略。首先,分析了TPBFC变换器扩展移相控制(Extended Phase-shift Control,EPS)下的基本运行模态,推导了系统传输功率与峰值电流应力表达式。进一步,采用拉格朗日函数构建了变换器传输功率与峰值电流应力的约束模型,推导了各运行模态下满足峰值电流应力最小的移相比组合。在搭建的500 W样机上的实验表明,采用所提出的方法使变换器峰值效率提升了2%。

基于阻抗视角的新能源发电系统宽频振荡抑制技术综述

随着新能源电力电子装置在电力系统中渗透率的不断提高,电力系统“源-网-荷”均呈现电力电子化的发展趋势,系统动态交互特性复杂,宽频稳定问题突出。近年来,阻抗分析方法在研究新型电力系统稳定性问题中受到了广泛的关注,由此演化出来的各类阻抗控制方法已成为解决宽频振荡问题的重要手段。为了深入研究该问题,首先简要回顾国内外典型振荡案例;其次,基于阻抗视角从设备、场站以及系统3个层面对现有振荡抑制方法及工程解决方案进行分类汇总,在此基础上,依据阻抗优化目标及实现方式对宽频振荡抑制方法进行归纳总结,揭示各类抑制方法的内在联系及作用规律;最后,总结现有电力电子化电力系统宽频振荡抑制存在的问题和挑战,对未来基于阻抗视角的宽频抑制方法研究方向进行展望。

LLC谐振变换器效率优化设计

由于LLC谐振变换器拓扑具有高效率和高功率密度的优势,广泛应用于DC-DC变换器场合。但是由于谐振过程分析的复杂性,关于谐振回路参数的选择,LLC变换器缺少一种明确的设计方法。在基于工作模态以及谐振腔电流分析的基础上,提出峰值增益配置的优化设计法。通过该方法,变换器可以在要求增益的范围内将导通损耗最小化。搭建一台400 W、400 V输出,25～38 V输入的LLC变换器。为验证本文优化设计方法的正确性,在减少谐振电容的同时采用搜寻的方法依据优化原则重新选择LLC的其他参数,实验结果表明,提出的优化设计法具有更好的性能,样机最高效率超过98%。

三相变流器LCL滤波器参数优化新方法

LCL滤波器体积较小,对高频电流谐波有着显著的抑制作用,广泛应用于大功率三相AC/DC变流器中。LCL滤波器的参数设计大多考虑开关频率处的谐波,以LCL滤波器输入输出端的谐波电流衰减作为优化目标,往往会导致参数设计大于实际要求,增大滤波器体积与成本,且不易理论验证是否满足总谐波失真(total harmonic distortion,THD)要求。提出一种基于THD估算的LCL滤波器设计优化方法,将THD估算模型代替实际LCL滤波器模型进行试验设计,以IEEE Std 1547.2-2008规定的并网标准中总谐波畸变率为优化目标,滤波器谐振频率为约束条件,单次谐波畸变率为修正因子,通过简化梯度算法进行LCL滤波器参数的优化,并讨论闭环系统的稳定性和电流环PI控制器的影响。最后通过仿真和实验验证了设计的合理性。

高效率高增益Boost-Flyback直流变换器

提出一种基于Boost拓扑与反激拓扑有机组合思想的Boost-Flyback变换器,Boost环节与反激环节共用输入支路,使电感–变压器的漏感能量得以利用,消除了漏感损耗,并实现了开关管电压钳位,减小了开关管电压应力;Boost与反激环节的输出支路串联,实现了高电压增益;Boost-Flyback变换器输入并联输出串联,进一步提高了变换器的电压增益,同时减小了输入输出电压及电流纹波。提出新拓扑的DCM-ZVS工作模式控制方法,并在开环方式下实现了输出功率的控制。详细分析拓扑的工作原理、电压增益特性及控制方法。通过230 W 30 V/380 V的实验样机验证理论分析的有效性。

变速风力发电机组的模糊-单神经元PID控制

对风力发电机组的数学模型及常规PID控制器进行了分析设计,由于变速风力发电机组的转速变化范围很宽,表现出高度的非线性性和时变性,常规的PID控制器难以在全范围内得到理想的控制性能。为此,提出采用单神经元智能控制器来替代常规的PID控制器,以改善机组控制性能。在分析单神经元控制器的结构和控制原理基础上,为了进一步提高单神经元控制器的动静态性能,引入了模糊控技术,实现了单神经元控制器输出增益的参数自整定。在仿真基础上,建立了一套完整的实验系统,对几种控制方法进行了实验研究。仿真和实验结果表明,基于模糊自整定的单神经元控制器可有效地改善风力发电机组的控制性能,具有较强的自适应能力和鲁棒性。

基于功率变化和模糊控制的风力发电机组变速变桨距控制

由于风速测量的不准确性以及很难获得风力发电系统的精确模型,故采用传统的PID控制器难以在风速快速变化的情况下实现良好的控制效果。文中提出将风力发电机组输出功率变化情况作为变桨距执行机构工作的判断依据和控制策略,并根据该策略,进一步提出了基于模糊控制的变速变桨运行控制方法。通过构建仿真模型,按照基于功率变化判断的控制策略分别对变速变桨与工程上常规的匀速变桨进行了仿真比较研究。仿真结果表明,所提出的不依赖于风速测量和精确系统数学模型的控制策略,可以很好地稳定风电机组输出功率,且相对于匀速变桨控制,变速变桨控制方法一方面更好地将机组输出功率稳定在额定值,另一方面可以减轻变桨距执行机构的疲劳度,减少部件间的磨损,这对于延长变桨执行机构的工作寿命、降低其故障发生率以及维持整个风电机组安全稳定运行具有重要意义。

表贴式永磁同步电机无位置传感器起动新方法

针对表贴式永磁同步电机(surface mounted permanent magnet synchronous machines,SPMSM),该文提出一种脉振高频信号注入法结合载波频率成分法的无位置传感器起动控制新方法。该方法首先向SPMSM的d轴注入脉振高频信号,使得SPMSM呈现"饱和凸极性";然后引入载波频率成分法进行转子磁极极性判断,即提取三相载波正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation,SPWM)逆变器中的三相载波频率成分信号,解析其饱和分量幅值的正负,实现对SPMSM转子磁极极性的判别。与传统的通过二次注入其他形式的信号来判断转子磁极的方法相比,该方法有效改善了现有无位置传感器起动方法中存在的算法执行时间长、实施过程复杂等缺点。实验结果表明,所提方法能够准确、快速地检测出SPMSM的初始位置,保证电机顺利平稳起动,具有良好的位置估计精度。

一种高增益交错耦合电感直流变换器

提出一种高增益交错耦合电感直流-直流升压变换器,适用于低输入电压、高输入电流的低压可再生能源发电系统应用场合,如光伏/燃料电池发电系统。该变换器在输入端把两个耦合电感的原边电流进行交错并联,减小了输入电流和输出电压纹波;两个耦合电感的副边串联后再与一电容相结合组成倍压单元,进一步提高变换器的电压增益。该电路结构中,使用两个交错串联的输出电容,它们既能回收利用耦合电感的漏感能量,又能钳位开关管的漏源电压,减小开关管电压应力,因此,有利于选择低导通电阻、高性能的开关器件以进一步减小功率管的开关和导通损耗。另外,耦合电感的漏感可使主开关管零电流开通,同时漏感也能控制二极管关断电流的下降率,大大减轻二极管的反向恢复问题。论文详细分析所提变换器的工作原理和稳态特性,最后通过一台实验样机验证了理论分析的正确性。

一种高增益低开关应力改进交错型Boost变换器

提出了一种输入输出全交错型Boost变换器,该变换器的两个电感电流在输入端进行交错并联,可以减小输入电流纹波;输出端的两个分压电容可以被交错并联充电和串联放电,这样既提高了变换器的电压增益,又减小了输出电压纹波。另外,该结构能够减小功率管的电压应力,因此有利于选择低功率等级、高性能的开关器件,以进一步减小功率管的开关和导通损耗。详细分析了所提变换器的工作模式和稳态特性,建立了变换器的数学模型。给出了相应隔离型全交错变换器的电路结构。最后通过一台实验样机验证了所提变换器的有效性。

多单元开关电感/开关电容有源网络变换器

高增益DC/DC变换器被广泛的应用于绿色能源发电、不间断电源(uninterrupted power supply,UPS)等工业场合。讨论常见高增益电路中开关电感、开关电容单元各自的优缺点,对有源网络升压变换器及传统Boost电路进行一系列性能对比,并在这些基础上衍生出多单元开关电感/开关电容有源网络升压变换器。该变换器结合了开关电感、开关电容单元以及有源网络结构各自的优点,与现有的高增益变换器相比,此变换器升压能力更高,功率器件电压/电流应力更小。在理论研究的基础上,实验结果验证了多单元开关电感/开关电容有源网络升压变换器的优点。

模块化双向AC/DC变换器并联系统无缝切换控制

研究模块化双向AC/DC变换器并联运行系统,分析指出现有单模块双向运行控制方法引起各并联模块的功率流向不一致的问题;研究系统功率流与直流母线电压变化趋势的内在联系,提出一种模块化AC/DC变换器的双向运行控制方法,分别采用正向和负向电压调节器以保证各并联模块的功率流向一致;整流和逆变状态以不同的直流母线电压运行、自然区分两种功率流向。提出的控制方法可以实现各并联模块整流与逆变之间的无缝切换。详细分析系统稳定性,并指出多模块并联对系统动态特性有所改善;给出关键参数的设计准则。搭建实验验证系统,进行稳态和动态实验。实验结果证明了所提出控制方法的可行性和有效性。