面向卓越工程师培养的电力电子教学实验平台设计

面向国家卓越工程师培养计划电气工程人才培养需求,针对现有电力电子实验设备通用性弱、拓展性差的问题,设计开发模块化、可重构的电力电子教学实验平台。该实验平台包含3个独立半桥、控制器、直流斩波电路、数据采集和保护电路,可灵活、高效地重构多种典型的电力电子电路,满足电力电子系列课程的实验要求。经过多年的应用推广和升级迭代,实践表明:该实验平台能够完成电力电子系列课程的实验项目并支撑学生自主创新学习实践,显著提升教学质量,为培养学生解决复杂工程问题和创新实践能力打下坚实基础。

适用于大型海上风电的谐振型飞跨电容式模块化升压变换器

随着海上风电发电容量的增大与离岸距离的增加,全直流型海上风电系统的优势越发明显。高压DC-DC变换器是该系统的核心部件,承担直流升压与输电的关键功能。对此,该文提出一种适用于大型海上风电的谐振型飞跨电容式模块化升压变换器,不受大功率中频高压变压器制造工艺的限制,无变压器结构使其能工作在更高频率,减少内部无源器件,实现轻量化。在高升压比应用场景中,变换器内部大部分功率器件为二极管,可节省控制单元,并降低成本。与电流连续模式相比,当内部二极管半桥工作在电流断续模式时,该变换器能在仅增加少量通态损耗的前提下实现内部功率器件的软开关。此外,该变换器采用准方波调制时,电流断续模式能避免内部串联二极管承受高dv/dt。最后,通过样机实验验证了该变换器拓扑的可行性与参数设计方法的正确性。

网络化的电能质量综合监测系统的研究

为了弥补传统电能测量仪器功能单一、存储容量小,无法进行网络化监测等缺点,系统利用了虚拟仪器技术在图形化集成开发环境,信号处理分析和网络通讯方面的巨大优势,实现了对电能质量五项稳态指标的监测,而且系统具有很好的人机交互界面,提出了利用LabSQL模块和数据库技术实现远程数据存储以及基于B/W模式和Remote Panels技术的信息发布方案,使得用户可以通过Internet直接查看即时和历史电能质量数据,实现信息共享。对本系统进行了实验室调试,试验结果表明该系统能较好地满足实际测量的需要,并且具有良好的效果。

定转子电阻在线辨识的感应电机转速估计方法

针对感应电机参数变化导致转速估计不准的问题,提出了一种基于定、转子电阻在线辨识的模型参考自适应转速估计方法。该方法只需检测定子侧的电压和电流,在估计电机转速的同时,在线辨识定转子电阻,实时更新转速估计系统中受电机温升影响而变化的定子电阻和转子电阻,以保证转速估计的精确度;同时,辨识的转子电阻应用于矢量控制系统,确保系统获得良好的稳态和动态性能。仿真及实验结果表明,与未进行电阻在线辨识的转速估计方法相比,该方法具有较高的转速估计精确度,对参数变化的鲁棒性强,并适用于无速度传感器矢量控制系统。

双PWM变换器功率前馈控制策略仿真研究

双PWM变换器常规直接功率控制结构下直流母线电压波动幅度较大,威胁系统的安全运行。为减小直流母线电压波动,根据瞬时有功功率平衡关系,提出一种功率前馈控制策略,即通过构建负载状态前馈通道,将电机侧瞬时有功功率直接前馈于网侧瞬时有功功率给定,从而避开了相对缓慢的电压外环间接调整功率的过程,大大加快了系统的响应速度,有效地抑制了直流母线电压的波动,进而可以减小中间电容的容量及系统的体积和成本。仿真结果验证了控制策略的有效性。

感应电动机矢量控制参数离线辨识技术

详细介绍了感应电动机矢量控制系统电机参数的一种离线辨识技术。这种参数辨识技术基于电机的动态数学模型,通过在电机端注入直流或者单相交流电流,测量相应的电压响应,辨识出电机的定子电阻、转子电阻、定子瞬态电感和转子时间常数。最后通过大量的仿真和实验结果证明了参数辨识算法的正确性。

快速虚拟矢量调制的三电平直接转矩预测控制

提出了一种新颖的基于电压预测和快速虚拟矢量调制算法的二极管钳位式三电平逆变器供电的永磁同步电机直接转矩控制方案。系统基于广泛应用于中高压调速系统的二极管钳位式三电平逆变器,结合空间矢量调制思想,通过电压预测控制算法生成直接转矩控制所需的参考电压矢量,然后基于非正交60°坐标系,构建虚拟矢量合成参考电压矢量,采用平衡因子调整冗余小矢量的作用时间,对中点电压进行滞后补偿控制,基本电压矢量的选取和作用时间计算十分简单,实现了快速空间矢量调制。仿真结果验证了该控制方案的可行性,三电平逆变器输出电压幅值跳变和直流侧中点电位得到有效控制,并获得了良好的动态和稳态调速性能。

基于MATLAB/SIMULINK的双频逆变器的仿真

逆变器输出电压波形质量与开关频率高低密切相关,但开关频率的提高带来了开关损耗提高。为了减小开关损耗提出了使用双频逆变器提高系统效率。它的高频部分采用单周控制方式,低频部分采用滞环控制方式,采用M ATLAB软件仿真链接进行仿真。结果表明,跟普通单频逆变器相比,双频逆变器输出电压谐波总畸变率与普通高频逆变器差不多,达到1%以下。同时高频开关的电流大大减小,仅为单个高频逆变器中电流的20%左右,工作效率比单个高频逆变器提高5%以上。

零序分量注入型三电平感应电动机矢量控制系统

提出一种基于三电平中点箝位(NPC)逆变器的零序分量注入型感应电动机矢量控制方案。系统中使用快速电流控制的直接转子磁链定向矢量控制模式,由于定子电流是由快速电流环控制,因此系统中不用使用定子电压方程,并且不需要解耦电路。转子磁链位置角由磁通模型计算得到。感应电动机由三电平NPC逆变器供电,三电平NPC逆变器由于开关器件的电压应力是传统两电平逆变器开关器件上电压应力的一半,所以适合用于中压调速系统。逆变器控制采用开关优化PWM算法,通过注入零序分量,不但优化功率器件的开关频率,而且可以稳定中点电位。仿真结果表明,该方法在三电平逆变器供电的感应电动机上有效地实现了矢量控制,并且具有很好的性能。

SPWM逆变器死区问题研究

通过数学计算和仿真分析了不同条件下死区时间对逆变器输出电压的基波影响,及不同条件下死区产生的谐波畸变率的变化情况。建立了定量计算的数学模型,给出了仿真曲线,并以理论曲线做了验证。同时提出死区补偿的必要性,使SPWM技术在实际变频系统中得到更为有效的应用。

一种用于电动汽车的多重软开关双向DC/DC变换器

适用于电动汽车可变直流母线的电机控制系统,要求在电机不同工况下及时、准确和可靠地实时调节直流侧电压,并在突然制动时得以回馈能量。为此研究了一种新型的不添加额外半导体器件的软开关双向DC/DC变换器。采用此种软开关技术,可降低开关损耗,提高效率。采用多重拓扑结构,弥补该模式下变换器电压、电流纹波大的缺陷,并提高了可靠性。最后通过实验,验证了此变换器功能的正确性和有效性。

单周期控制DC/DC变换器稳定性分析

单周期控制变换器具有在一个周期内消除输入扰动的优点,在工程中常用小信号模型进行分析和设计。在此首先指出常用小信号模型的不足;其次用Filippov方法得到单周期控制Buck变换器一个完整周期内的状态转移矩阵并对其进行分析。可知当参考电压小于输入电压时,在任何电路参数情况下,单周期控制Buck变换器都处于稳定运行状态。对单周期控制Boost变换器的研究结果表明,该变换器可以工作在稳定运行状态,也可工作在低频振荡状态。最后分析了参考电压和负载电阻对稳定性的影响。

电池组均衡充电电路研究

分析了现有电池组均衡充电方案的不足之处,提出了一种简单、高效、高可靠性的均衡充电方案。该方案中的分流模块能自动实现单体电池间的能量转移,从而能逐步减小电池组的不一致性,它能保证电池组中所有电池单体在充电中后期都处在同一充电深度,防止了电池单体的过充,从而提高了电池组寿命。仿真验证了该方案的正确性。

可调直流母线电压永磁电机矢量控制策略

针对电动汽车电力驱动系统中采用固定直流母线电压的驱动方式存在直流电压利用率低、电机电流纹波大的不足,研究了适用于电动汽车的可调直流母线电压永磁电机矢量控制策略。根据逆变器参考电压矢量幅值,采用双向DC/DC变换器实时调节直流母线电压的方法,改善矢量控制系统整体性能。最后利用MATLAB对永磁电机新型矢量控制策略进行了仿真,仿真结果表明可调直流母线电压永磁电机矢量控制系统能有效地提高直流电压利用率,减小转矩脉动,改善电机电流波形,减小电机电流总谐波畸变率,证明了该控制策略的有效性和可行性。

用于电动汽车的多重化软开关双向DC/DC变换器的研究

针对典型的半桥式双向DC/DC变换器拓扑结构特点,利用DCM模式下电感电流反向的特征,采用一种不额外添加半导体器件的软开关技术,减小开关损耗;采用多重化拓扑结构弥补DCM模式下电压、电流纹波大的缺陷;在控制方式上采用电压电流双闭环形式,将共用电压环的输出作为每个基本单元的给定电流,解决了并联结构的均流问题。

模糊直接转矩控制的永磁同步电机在测功机中的应用

阐述了永磁同步电机直接转矩控制的基本原理。介绍了一种基于模糊直接转矩控制的永磁同步电机测功机设计方案。为减小转矩脉动而引入了模糊逻辑的思想,将转矩误差、定子磁链误差和磁链角度进行合理的模糊分级,作为模糊控制器的输入以合理选择电压空间矢量。为减小模糊控制规则、缩短控制计算时间和加快响应速度,将定子磁链角度进行映射处理。仿真结果表明,这种应用模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制系统的测功机能获得比较好的运行性能,具有良好的工程应用价值。

正弦脉宽调制逆变器死区典型补偿策略

从分析逆变器的死区入手,考虑了开关器件的固有特性,简单分析了死区及开关器件的固有特性对逆变器输出及整个系统的影响,选择了具有代表性的电流反馈补偿方法和基于无效器件的补偿方法,对其补偿原理进行分析,并进行了具体的MATLAB仿真研究,仿真结果表明了所提出方法的有效性和可行性,同时通过比较两种补偿方法的仿真结果,得出两种补偿方法的优劣。研究对于提高和改善变频调速系统的性能,以及对死区问题的分析有很好的借鉴意义。

双频逆变器供电的感应电动机电磁转矩脉动控制

针对大功率场合下传统直接转矩控制转矩、磁链脉动大,开关频率不恒定等不足,研究了一种新的由双频逆变器供电空间矢量调制的直接转矩控制方案。在传统直接转矩控制的基础上,理论分析了直接转矩控制中磁链、转矩脉动的影响因素,推导出异步电机空间电压矢量数学模型,运用S-函数实现空间矢量调制。系统基于双频控制理论,采用级联逆变器供电降低系统的开关损耗。双频逆变器高频单元负责改善系统动态性能,低频单元传递主要功率。仿真结果表明:该方案不仅使系统具有较好的动静态性能,而且大幅度减小了电磁转矩、磁链脉动以及开关损耗,提高了的系统效率,适合于大中功率场合。

双频逆变器供电型感应电动机SVM-DTC系统

建立了基于双频逆变器供电的感应电机空间矢量调制直接转矩控制(SVM-DTC)系统。根据双频变换的思想推导出双频逆变器的拓扑结构,并分析了双频逆变器的工作模式。双频逆变器保持了与高频单元相同的动静态特性,同时由于低频单元分担了很大部分的开关电流,使系统减小了损耗,提高了效率。为了减小转矩脉动,同时对双频逆变器的高频部分实现恒频控制,对感应电机采用基于空间矢量调制(SVM)的直接转矩控制(DTC)系统。仿真结果表明,该方案对感应电机的控制具有很好的性能。

光伏微型逆变器研究综述

主要对采用改进型功率解耦方案的微型逆变器拓扑进行了综述。阐述了微型逆变器光伏并网方案的优势,说明了微型逆变器的设计要求。通过对微型逆变器的拓扑结构和功率解耦环节进行分析,指出功率解耦环节是影响逆变器寿命的主要因素。归纳了能有效提高微型逆变器寿命的三种改进型功率解耦方案,结合国内外研究现状,重点介绍了单级式与多级式微型逆变器拓扑,并说明了各类型拓扑的优点和不足之处。根据微型逆变器的特点和发展前景,对今后的研究方向做了展望。