考虑交直流谐波耦合的并网逆变器建模与分析

可再生能源的大规模开发利用使得逆变器在电网中的比例越来越高,逆变器与电网间谐波交互作用也愈加频繁和复杂。针对传统的建模方法无法体现逆变器与电网间谐波交互耦合的问题,文中基于谐波状态空间(HSS)理论对三相并网逆变器进行建模,该模型将交直流侧的多个频次谐波考虑在内,具有较高的精度。基于HSS模型推导出输入到输出的谐波传递函数矩阵,建立逆变器交直流谐波耦合导纳幅值图,探究交直流谐波耦合关系。然后,提出了一种适用于闭环控制系统的三相并网逆变器小信号HSS建模方法,通过计算特征值对系统稳定性进行评估以及对振荡频率进行预测。最后与MATLAB/Simulink仿真结果进行对比,验证了所建立HSS模型的准确性和系统稳定性分析的正确性。

考虑长距离输电缆特性的逆变器并网系统谐波不稳定分析及抑制

长距离输电缆(LTC)与并网逆变器交互作用易引发系统谐波不稳定的风险,且忽略线路频变特性可能会导致稳定性误判。文中计及输电线路的分布参数特性和频变特性,研究如何评估这类逆变器并网系统的稳定性。首先,基于矢量匹配法对含LTC的交流系统进行等值,同时考虑逆变器的内外环控制、锁相环、控制延时等环节,建立dq旋转坐标系下逆变器并网系统高频状态空间模型;其次,采用参与因子分析方法辨识出导致谐波不稳定的关键影响环节,并基于根轨迹方法分析了LTC频变特性、延迟时间、控制器参数、电缆长度和电网阻抗对系统稳定性的影响;再次,提出了基于参数灵敏度分析和矩阵相似变换的系统稳定性改善方法,并对改进后系统的谐波稳定性进行分析;最后,基于RT-LAB构建硬件在环实验平台进行了验证,实验结果验证了理论分析的正确性。

改进的三电平逆变器变虚拟空间矢量调制策略

中点电位平衡问题始终是中点钳位型(NPC)三电平逆变器研究的热点问题。文中首先介绍了NPC逆变器的拓扑结构,并分析了传统虚拟空间矢量调制的工作原理及不足之处。在此基础上,为提高中点电位平衡效果,提出一种改进的变虚拟空间矢量调制方法。该方法首先通过引入变虚拟中矢量平衡因子来重新定义虚拟中矢量,然后分析其在单位开关周期内所能产生的电荷量并据此确立矢量顺序,从而在保持中点电位稳态精度的基础上,提高其动态平衡速度。此外,在确立矢量顺序的过程中,分析了系统的输出状态并引入相占空比法进行优化,以减小系统在动态平衡过程中的输出状态切换次数。仿真和实验结果验证了所提调制算法的有效性。

柔性多状态开关模型预测协同控制策略

柔性多状态开关(FMSS)作为一种新型电力电子装置能够部分替代配电网中传统联络开关,实现潮流的不间断灵活调控,优化电压分布。探讨了三端FMSS在配电网中的几种可能接入拓扑及工作模式,建立了三端FMSS的动态数学模型,结合三端控制约束提出了三端FMSS模型预测协同控制策略。该策略具有原理清晰、实现简单、动态响应速度快等优点,避免了传统比例—积分(PI)双闭环控制策略存在的控制结构复杂、PI参数较多且整定困难的问题。基于模型预测控制对各端口UdcQ控制模式、PQ控制模式,以及Uacf控制模式进行了具体算法实现。为了验证所提方案的有效性,在MATLAB/Simulink环境下搭建了三端FMSS仿真模型,不同工况下的仿真结果验证了所提三端FMSS模型预测协同控制策略能够有效实现多端口间的协同控制,发挥FMSS的调节功能,为FMSS的配电网应用提供灵活的解决方案。

双向全桥DC-DC变换器的回流功率特性分析

为了减小双向全桥DC-DC变换器在传统单移相控制方式下进行功率传输时的回流功率,在传统单移相控制方式的基础上提出一种非对称占空比移相控制方式,该方式开关管的导通占空比不对称,不仅可以扩大传输功率的调节范围,还可以减小功率传输过程中的回流功率与电流应力。分析传统单移相控制与所提出控制方法的工作原理,并对所提出的控制方法进行工作模态分析以及建立稳态数学模型。对比分析了传统单移相控制和所提控制2种方式下的回流功率,所提控制方式下的回流功率和电流应力相对较小,传输功率调节范围扩大。最后,通过仿真结果验证了非对称占空比移相控制方式在减小双向全桥DC-DC变换器回流功率方面的优越性。

交直流混合微电网互联变流器改进控制策略

互联变流器是交直流混合微电网的重要组成部分,需要承担交流微电网与直流微电网间的功率分配任务,需要具有良好的动态性能。针对孤岛模式下传统下垂控制的互联变流器存在惯性小、系统瞬态性能差的问题,提出了基于自适应下垂控制的互联变流器控制策略。在下垂系数中引入交流微电网频率的倍数与直流微电网电压差值的微分量,动态增加系统惯性,提高系统瞬态性能。在此基础上,为了避免互联变流器整流与逆变模式的频繁切换,提出滞回控制方法,提高了系统的稳定性。最后,Matlab/Simulink仿真结果表明,孤岛模式下自适应下垂控制方法能够有效增加系统的惯性,提高系统动态过程的稳定性。滞回控制方法可以有效减小死区加入导致的交直流两侧功率分配偏差。

电网电压不平衡条件下混合无功补偿系统分层协调控制策略

为实现低压配电网低成本大容量动态连续无功补偿,提出了一种晶闸管投切电容器(TSC)与静止无功发生器(SVG)协同运行的混合无功补偿系统。系统综合了TSC低成本大容量的无功补偿和SVG动态连续无功补偿的优点。在分析其基本原理的基础上,提出混合无功补偿系统分层协调控制策略,消除TSC与SVG由于响应速度的差别对其混合无功补偿性能的影响。针对混合无功补偿系统在电网电压不平衡条件下的安全运行问题,研究了SVG的正负序双环叠加控制策略,使其在具有动态无功补偿性能的同时能抑制一定程度的不平衡电压,保证系统的安全稳定运行。最后,仿真验证了所提控制策略的正确性。

电网畸变不平衡条件下基于MAF-ANF的谐波检测方法研究

有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)补偿电流检测环节对其补偿性能有着重要的影响。三相电网电压不对称且畸变时,传统的p-q法和i_p-i_q法无法准确实现对负荷综合补偿。为此文中引入基于滑动平均滤波器-自适应陷波滤波器(MAF-ANF)的方法实现对非理想电网电压条件下网侧电压的处理,得到平衡无畸变的电网电压,并对负载电流处理,得到准确的基波电流正序分量。然后对传统p-q法进行改进,得到了基于MAF-ANF的谐波检测方法,该方法较传统方法谐波检测精度提高,取得了更好的补偿效果。最后通过Simulink仿真证明了在非理想电网电压条件下所提检测算法的正确性和有效性。

三相四线制三电平变流器的优化调制策略

传统三相四线制三电平电容中分式变流器三维空间矢量脉宽调制(3D-SVPWM)策略较为复杂且中点电位平衡算法对中点电位偏移的抑制不精确,尤其是在负载不平衡的情况下,中线电流全部流过直流侧中点造成中点电位偏移。针对以上问题,提出一种基于三相abc坐标系的简化3D-SVPWM方法,并基于该简化方法提出一种多相控制的中点电位平衡算法,根据中点电位偏移情况,将电位偏移量平均分配到具有中点电位平衡能力的相,使多相共同参与中点电位平衡控制,通过偏移量数学模型计算得到补偿该偏移量所需要的时间量,然后作用于三电平变流器的输出状态,从而达到平衡中点电位的目的。仿真分析和实验结果均表明优化调制策略具有良好的三相四线制三电平变流器中点电位平衡能力。

双极性直流微网多交错并联电压平衡器协调控制

为了实现双极性直流微网低纹波稳定运行,对多台交错并联型电压平衡器并联运行系统进行研究。交错并联的变流器需要进行相间均流控制,通过理论推导得出电感电流偏差与输入侧电容电压的关系,继而提出一种间接电感均流控制方法,以此进行占空比的二次调节。在对单台电压平衡器分析的基础上,将基于二次调节的改进下垂控制应用于多台交错并联型电压平衡器并联协调控制中,实现了多台变流器间负载电流合理分配。最后在Simulink中验证了所提控制方法的正确性。

一种降低三电平逆变器中性点电压交流纹波的新方法

针对三电平中点箝位(NPC)逆变器的中点电位平衡问题,基于载波脉宽调制的中点电压的交流不平衡分析,提出了一种降低中性点电压交流纹波的精确补偿方法。该方法通过向相电压占空比注入一个最佳补偿值来消除中性点电压的交流不平衡,对所需注入的最佳补偿值进行了准确的数学计算。并根据计算结果分析了完全消除中点电压交流纹波所受的限制,及由此决定的中性点交流纹波电压降低法的适用范围。利用Matlab/Simulink搭建了三电平逆变器的仿真模型,并对该方法进行了仿真验证。仿真结果表明了所提方法是正确且有效的。

适用于频变输电线的动态相量谐波分析建模与仿真

通常采用窗口快速傅里叶变换(WFFT)对电力电子化配电网中快速变化时域波形进行谐波分析,但WFFT易出现误差从而无法准确获得谐波暂态特性。为此,该文提出一种可用于配电网谐波暂态分析的频变输电线动态相量(DP)模型。采用矢量匹配法对模域频变输电线模型中特征导纳和传播系数进行有理函数拟合,在频变输电线状态空间方程表示基础上建立其DP模型,同时对输电线末端晶闸管控制电抗器(TCR)建立DP模型,将TCR与电网间谐波动态耦合描述为以各阶相量为状态量的解析式。基于Matlab对简单测试系统的DP模型进行计算,能够直接分析系统中各节点电压和支路电流的谐波暂态特性,还可获取瞬时电能质量参数。基于EMTP搭建的仿真系统暂稳态结果验证了DP模型的有效性和准确性。

不平衡和非线性负载条件下柔性多状态开关控制技术研究

配电网中连接在两条或多条馈线间的电力电子变流器统称为柔性多状态开关,可作为理想的补偿装置,用来补偿频率和大小变化的谐波、负序和无功。文中建立了不平衡和非线性负载条件下柔性多状态开关的数学模型,根据不平衡系统的控制目标,确定以瞬时无功功率理论为基础的参考电流检测方法,变流器的输出电流采用PI控制器进行调节,从而达到补偿负载电流中的谐波、负序和无功电流,实现电能质量改善。在MATLAB/Simulink环境下,建立了不平衡和非线性负载条件下三端口柔性多状态开关系统的仿真模型,研究结果表明了所采用的方法能够有效地补偿不平衡负载电流中的谐波、负序和无功电流,并表现出了良好的动态性能。

基于锁相环的电磁感应水处理器研究

通过分析电磁感应水处理器的工作原理和影响水处理效果的关键因素,建立了决定除垢效率的溶液感生电流和磁感应强度的解析模型。针对感生电流对溶液做功的平均功率与激磁信号的函数关系,提出了一种将双极性脉冲馈入LC电路产生谐振的优化方法,采用自动频率跟踪技术对其脉冲的输出频率进行实时调整,从而保证谐振电路输出最优频率的激磁信号,以提高电磁感应水处理器的处理效果。实验结果表明:该水处理器可以更有效地提高除垢效率,且对环境的适应能力更强。

LCL有源电力滤波器单电流反馈有源阻尼方法

LCL滤波器在提高有源电力滤波器(APF)电流质量的同时,却不可避免地引入了谐振问题。在此主要研究了基于网侧电感电流的单电流反馈有源阻尼方法。一方面,s域的分析表明,基于网侧电感电流反馈的有源阻尼方法等效于在网侧电感上并联一个虚拟阻抗,其中,使用负的高通滤波器反馈的方法,虚拟阻抗可由RL支路和负电感并联表示。另一方面,通过对z域系统根轨迹和零极点的分析,进行了高通滤波器参数的选择,并设计了在考虑延时影响情况下的电流控制器。仿真和实验验证了所提方法的正确性。

计及无功功率的谐波源检测方法研究

为确定电力系统中谐波源的位置,研究了一种新的定位方法。方法基于当前对于无功功率的不同定义,在相同的电力系统环境中不同定义下的无功功率值存在一定的联系与差异,通过理论分析指出这些联系与差异的原因,说明了其能够对谐波源检测研究提供有用信息的原理及方法。并通过在单相和三相系统中进行了仿真验证,且在单相系统中与有功功率定位法进行了对比,指出了所提方法的准确性。最后在标准的IEEE三相测试系统进行了多谐波源和负载谐波变化情况下的仿真,仿真结果验证了所提方法的有效性,能够为电力系统中谐波源的检测提供帮助。

具备干扰抑制能力的柔性多状态开关直流电压控制策略

为抑制系统干扰对柔性多状态开关(flexiblemulti-stateswitch,FMSS)直流电压的影响,提出了一种基于改进型线性扩张状态观测器(linear extended state observer,LESO)的FMSS直流电压控制策略。首先,根据直流电压动态方程和系统变量间的非线性关系设计了直流电压控制外环;然后,采用将干扰观测值前馈的干扰抑制方案,通过选取新的误差函数和状态变量提出了一种用于干扰观测的改进型LESO;最后,根据直流电压响应函数设计了干扰前馈环节。仿真结果表明,在干扰下FMSS直流电压波动比采用经典LESO时减小50%,同时直流电压恢复稳定的时间缩短13%,端口输出有功超调减小42%。因此所提策略能够有效抑制系统干扰对FMSS直流电压的影响。

一种新型空间无线电能传输系统耦合机构设计

传统正对平面线圈在进行无线电能传输时其电能拾取效率会随耦合机构间相对偏移的角度增大而迅速降低,空间无线电能传输系统则可以很好地解决这个问题。虽然目前国内外空间无线电能传输系统的耦合机构解决了相对偏移的问题,但接收机构只能以特定的轨迹和绕行方式进行相对均匀的功率接收,并非真正意义上的高自由度。本文提出了一种新型的空间无线电能传输系统的耦合机构,该耦合机构由单电源供电,可以实现接收机构高自由度且均匀的功率拾取。提出低耦合路径理论用于分析发射机构,利用Ansys Maxwell进行磁场仿真验证了磁场的均匀度。通过提出低耦合区域理论选取最适合发射机构的接收机构。最后搭建实验平台对耦合机构能量传输的均匀度和自由度进行了验证,实验结果说明接收线圈在保证高自由度接收的前提下接收电压数据集标准差小于1,即系统可以进行高自由度且较为稳定的功率传输。

计及温度特性的J-A模型优化

J-A模型可以很好地描述变压器铁磁材料的磁化特性,但未能反映温度特性对磁化的影响。依据J-A模型存在的能量不平衡问题,引入涡流损耗和额外损耗调整原始模型的能量等式,引入温度特性因子表征参数影响。为克服模型参数求解初始值精度要求较高的问题,利用粒子群优化(PSO)算法对模型中的六个参数进行识别。利用模型对不同温度情况下变压器铁芯的磁滞回线和励磁涌流进行仿真模拟及实验研究。仿真和实验结果表明:该模型能够很好地反映不同温度情况下铁芯的磁滞回线。