功率变流器的可靠性研究现状及展望

可再生能源并网发电技术的迅速发展,对功率变流装置的可靠性提出了更高要求。工业界的调查表明,可再生能源发电系统的故障很大一部分原因可归咎于变流装置的故障,而功率器件的失效是主要诱因。研究功率器件可靠性是提高变流器可靠性的基础,对延长设备的使用寿命具有重要意义。围绕功率变流器的可靠性问题,从变流器的工作特点出发分析了导致其可靠性不高的主要原因。首先阐述了功率器件在工作中的主要失效机理;为防止损坏设备的故障发生,需要实时监测变流器的健康状态及评估装置的可靠性,文章总结了功率器件的状态监测方法及寿命预测技术;为提高变流器的运行可靠性,提出了变流器状态控制的概念,对各种状态控制方法进行了分类介绍,并分析总结了现有状态监测方法、寿命预测模型及状态控制方法的优缺点,最后根据这些优缺点对功率变流器可靠性研究进行了展望。

一种新型的串联型有源电力滤波器

提出了一种基于等效电阻概念和功率平衡原理的串联型有源电力滤波器(APF),新串联型有源电力滤波器不需要进行复杂的谐波检测计算,通过简单的控制就可以获得电源电流的参考信号,实现对谐波和无功电流的同时补偿。研制了实验样机,实验结果与理论分析和仿真结果相吻合,验证了所提出控制方法的正确性,并显示所提出的串联型APF对电压型谐波源有良好的补偿特性。

高效率积分复位控制三相Boost型功率因数校正

提出了一种高效率三相Boost型功率因数校正电路,通过对一种三相Boost型功率因数校正电路进行改进,采用积分复位控制电路实现单位功率因数。积分复位控制高效率三相Boost型PFC具有如下特征:①常频控制,有利于滤波器的设计;②控制电路简单,控制思路清晰,不需要乘法器;③控制效果好,输入电流波形能很好地跟踪输入电压波形;④变换器的效率高。仿真和实验结果证明了理论分析的正确性。

直流侧APF与APF和PFC开关利用率的比较研究

文中提出了一种计算开关电流应力的近似算法。采用该算法,对有源电力滤波器、功率因数校正器、直流侧有源电力滤波器等3种谐波治理和改善功率因数的电路的开关利用率进行了理论分析和比较。从开关利用率的角度,为不同条件下选取何种电路进行谐波治理更为合适提供了理论依据。

双频Buck变换器

该文提出了一种双频Buck变换器拓扑结构,并对其进行了稳态和动态分析。该结构由两个Buck单元构成,一个工作在高频状态,另一个工作在低频状态,高频单元用于提高系统动态响应速度和输出精度,而用低频单元输出功率。该双频变换器不仅可以改善系统响应速度,提高控制精度,降低损耗,并且两个变换器之间不会产生环流。试验结果证明了该理论的正确性和有效性。

一种交错并联高升压DC/DC变换器

针对燃料电池应用系统中电池输出电压低的问题,提出一种具备高增益升压能力的非隔离型DC/DC变换器,该变换器通过在传统Boost三端口网络中串入由二极管和电容构建的DCM(diode-capacitor multiplier,DCM)升压单元来提高其输入输出增益。理论分析和实验结果表明,该变换器在提高输入输出增益的同时还具备以下优点:(1)开关器件电压应力低,可以选择更低导通电阻的开关管提高变换器工作效率;(2)所有二极管的电流电压应力均相等,有利于散热器设计;(3)输入输出增益可以通过DCM单元数来调节,方便根据输入输出工况做出合适的调整;(4)交错并联的输入形式,更适合于大电流输入的应用场合;(5)两相输入电流可以实现自动均流,控制方便。

基于补偿电流最小原理的谐波与无功电流检测方法

提出基于补偿电流最小原理的谐波与无功电流检测方法。给出一种用所推荐方法实现的有源电力滤波器结构图。用人工神经网络实现了谐波与无功电流检测网络。理论分析和仿真结果证实了所提方案的正确性。

多标签分类法在电能质量复合扰动分类中的应用

提出一种基于多标签分类的电能质量复合扰动分类新方法。在k–近邻(k-nearest neighbor,KNN)和贝叶斯准则(Bayesian rule)的基础上,提出多标签分类排位分类算法k–近邻贝叶斯多标签分类法(k-nearest neighbor Bayesian rule,KNN-Bayesian)。首先对常见的电能质量扰动及其组合而成的复合扰动进行离散小波分解,提取各层分解系数的规范能量熵作为特征向量;然后,利用KNN-Bayesian进行分类识别。仿真实验结果表明,在不同的噪声条件下KNN-Bayesian可有效分类识别电压暂降、电压暂升、电压短时中断、脉冲暂态、谐波和闪变等电能质量扰动及其组合而成的复合扰动。

一种改进的单周控制的开关功率放大器

针对单周控制开关功率放大器存在的输出直流偏置问题,从理论上进行了分析,结果表明输出直流偏置电压的大小与复位脉冲宽度成正比。为了消除输出直流偏置电压,提出了电压补偿的解决方案,给出了补偿电压的计算公式。对补偿前和补偿后的系统进行了仿真和实验研究。仿真和实验结果表明,电压补偿方法能有效消除输出直流偏置问题,改善放大器的THD,验证了理论分析的正确性。

积分复位控制三相六开关Boost型功率因数校正

提出一种积分复位控制的三相六开关Boost型功率因数校正电路 ,在讨论积分复位控制原理的基础上 ,根据三相六开关Boost型功率因数校正在a b c坐标下的等效模型 ,推导出实现单位功率因数所需的控制方程 ,并用简单的电路进行实现。积分复位控制三相功率因数校正电路具有结构简单可靠 ,控制思路清晰 ,控制效果好的特点。

基于杂散参数辨识的IGBT模块内部缺陷诊断方法

为识别IGBT模块早期内部缺陷,增强其运行的可靠性,本文提出一种基于杂散参数辨识的IGBT模块内部缺陷的诊断方法。该方法利用最小二乘法辨识IGBT模块门极内部杂散参数因经受电、热老化而导致的变化,进而判断内部是否存在缺陷,及时制定维护措施,从而有效防止运行中突发失效及由此造成的设备损坏。与现有的故障诊断方法相比,其响应时间更充裕,实验研究结果验证了其诊断结论的正确性和实用性。

宽变工作点DC/DC开关变换器的建模与控制

针对DC/DC开关变换器工作点宽范围变化的情况,利用变换器凸多面体建模的方法,提出一种开关变换器凸多面体控制器结构。利用凸多面体建模的思路,将变换器工作区域划分为多个子区域,并用工程化小信号建模思想对各子区域进行建模,将各子工作区域进行加权,进而完成整个工作区域的建模。基于凸多面体模型,提出一种凸多面体控制器结构,以Buck变换器为例进行仿真和实验。分析结果表明,凸多面体控制器能够保证变换器对工作点信息的快速跟踪,提高了变换器的稳态性能与动态性能。仿真结果和实验结果均验证了所述方法对变换器建模的正确性,同时验证了该控制器的优越性和有效性。

有源电力滤波器谐波及无功电流的一种检测方法

提出一种基于畸变电流有效值最小原理的谐波和无功电流检测新方法，并利用负反馈原理实现了基于该方法的检测电路。该方法不仅适用于单相，也适用于三相电路。

单周控制双Buck型电压源换流器

为了改善轻型直流输电网络的波形质量,目前电压源换流器使用较多的高频开关器件,导致损耗加大,成本增高,限制了其实际应用。该文提出了一种双Buck型电压源换流器(BVSC),该BVSC由一组双Buck变换器和一个工频逆变桥组成,仅用两个高频开关,即可取得较好的输出波形,大大降低了系统成本。同时文中提出了基于单周控制的控制策略实现换流器输出电流与电网电压同相,应用简单的控制电路可以实现单位功率因数。实验结果证明了单周控制双Buck换流器的正确性和实用价值。

一种永磁同步电机滑模观测器的设计

针对传统开关切换函数滑模观测器存在高频抖振的问题,在研究卡尔曼滤波器优点的基础上,将饱和函数引入到滑模观测中,取消了一阶低通滤波器,构造了一种新型的滑模观测器。该滑模观测器能够减小估算反电势中的纹波,且不产生信号相位差,并较传统的滑模观测器结构简单。同时分析了卡尔曼滤波器参数的变化规律。仿真结果证明,由该滑模观测器构成的控制系统具有良好的动态性能和稳态品质。

非平稳工况下功率半导体器件结温管理技术综述

结温管理技术可以有效地降低功率半导体器件承受的热载荷,提高功率半导体器件的期望寿命,是近期电力电子学科研究的热点之一。为此,概述国内外结温平滑方法的研究现状,根据补偿损耗和降低损耗两种不同的平滑结温思路,对现有结温平滑方法进行分类,总结每类方法在应用时存在的主要问题;概述结温管理系统的研究现状,分析结温管理系统目前的研究难点;在对现有寿命评估方法概述的基础上,总结出一种评价结温管理效果的方法;根据该评价方法,对两类结温平滑控制方法效果进行分析和讨论,得出基于补偿损耗的结温管理方法可能对寿命期望产生负面影响的结论。

基于DQ变换三相三开关Boost型开关整流器的DC和AC分析

该文将三相三开关Boost型开关整流器分解成几个子电路,然后对各子电路进行DQ变换,得到相应的DQ模型,最后把各子电路的DQ模型连接起来,得到三相三开关Boost型开关整流器的DQ模型及其简化DQ模型。在此基础上,进行DC和AC分析,得到三相三开关Boost型开关整流器直流工作点和交流传递函数。经过分析,三相三开关Boost型整流器具有如下特征:① 输出电压可以从零变化到一个最大值;② 在稳态时,系统可等效为一个理想电流源;③ 输入侧的功率因数在一定的范围内可以控制。仿真结果验证了理论分析的正确性。

一种高效率的积分复位控制单相功率因数校正

介绍一种高效率单相Boost型功率因数校正电路 ,通过对传统Boost型功率因数校正电路进行改进 ,提高了其效率。提出采用积分复位控制电路以实现单位功率因数。积分复位控制 (IRC)高效率单相Boost型功率因数校正技术 (PFC)具有常频控制 ,有利于滤波器的设计 ;控制电路简单 ,控制思路清晰 ,不需要乘法器 ;控制效果好 ,输入电流波形很好地跟踪输入电压波形 ;变换器的效率高等特征。

变电站直流系统级差配合的建模与分析

变电站直流系统的功能越来越多,直接试验来分析级差配合的方法是不可行的。针对这个问题,文中提出采用系统仿真的方法进行级差配合分析。首先建立了保护器件的通用模型,搭建了直流系统级差配合仿真分析模型,然后采用理论分析和仿真分析相结合的方法,在同一个坐标系内画出上下级保护器件的安秒特性曲线,若曲线出现交叉,说明有越级现象。在交点两侧各取一个点,用直流系统的仿真模型进行仿真验证。对不同支路的各种故障情况都进行了仿真分析,得出了有用的结论和建议,为直流系统保护器件的选择和旧站改造提供了依据。分析结果已在某变电站直流系统改造中得到应用。

一种基于调节缓冲电容的IGBT热管理方法

针对结温波动加快绝缘栅双极型晶体管(IGBT)老化失效的问题,提出一种基于调节缓冲电容改变IGBT关断轨迹的热管理方法。依据IGBT寿命模型,通过关断轨迹调节关断损耗大小以平滑结温波动的方法能提高IGBT使用寿命。与现有的热管理方法相比,该方法具有对主电路影响小、实现简单等优点。首先,阐述热管理电路的工作原理,分析缓冲电路对IGBT关断损耗的影响。然后,建立IGBT损耗计算模型,归纳关断轨迹热管理调节能力的评估方法,以1.2 MW直驱风机系统为例,关断轨迹热管理可以平滑20%额定功率的负载变化造成的结温波动。最后,对该热管理方法进行小功率的实验验证。