基于短时傅里叶变换和深度网络的模块化多电平换流器子模块IGBT开路故障诊断

针对现有模块化多电平换流器(MMC)子模块故障诊断过程中所需传感器较多、测量干扰较大等问题,提出一种基于深度学习的MMC子模块IGBT开路故障诊断方法。在对MMC子模块开路故障特征进行分析的基础上,利用短时傅里叶变换(STFT)提取桥臂电压信号的谐波分量信息作为故障诊断所需的特征参数。将所得到的特征参数进行处理后构建故障诊断样本,在通过深度置信网络实现故障类型快速检测的基础上,依据不同故障类型,构建多个基于卷积神经网络的故障定位网络,进而实现开路故障的检测与定位。通过129电平的MMC系统仿真模型和降功率的MMC实验系统搭建,对该文所提方法进行了验证。仿真和实验结果表明,所提故障诊断方法可以在减少传感器数量的基础上实现子模块开路故障的诊断,提高系统的可靠性。

基于单边调制映射函数的LCC-HVDC直流侧阻抗精确建模

阻抗模型是电网换相换流器型高压直流输电系统小信号稳定性分析的重要基础,阻抗模型的准确程度直接影响系统小扰动稳定性分析。该文首先从同步触发原理出发,引入基于单边调制产生的映射函数,该函数蕴含控制及换相信息,可以准确建立换相/非换相期间交直流侧的映射关系;其次,考虑换相动态并通过谐波线性化和傅里叶变换建立完整的直流侧电压和交流侧电流的频域小信号动态模型;再次,考虑控制和换流阀阻尼回路,建立整流侧和逆变侧直流阻抗解析模型;最后,以CIGRE高压直流标准测试模型为例,基于PSCAD/EMTDC平台验证了直流侧阻抗模型的准确性及其用于小扰动稳定性分析的有效性。

提高新能源场站稳定性的构网型与跟网型变流器容量配比估算

大规模新能源接入使得电网短路比降低,系统电压支撑强度下降,导致静态电压稳定和次/超同步振荡等稳定问题凸显。构网型变流器具有较强的电压支撑能力,在新能源场站配置一定比例的构网型变流器可以提升系统稳定性,但由于构网型变流器容量与稳定裕度的解析关系不明,导致构网型变流器容量合理占比的理论值估算十分困难。该文针对新能源基地接入低短路比弱电网场景,从小干扰稳定视角探讨构网型与跟网型变流器容量配比的估算方法及其典型值。首先,对构网型变流器进行电压源等值,并通过广义短路比指标分析了构网型变流器配置比例对系统强度以及稳定裕度的影响规律;其次,针对改造构网型风电机组和额外加装构网型变流器两种技术方案,以行业相关标准为边界条件并结合典型升压变压器参数,估算了实际工程中容量配比的典型值;最后,利用多风电场系统案例验证了结论的有效性。

增强牵引变流器过载的IGBT泵升驱动技术

轨道交通牵引变流器在车辆启动加速和紧急制动过程中,会运行在过载工况,即流过IGBT的电流超过设计的额定电流。此时虽然仍在器件允许电流范围内,但IGBT损耗会出现较大增幅,导致变流器温升大幅波动。研究一种集成门极电压泵升技术的IGBT驱动电路,在需要短时加大IGBT通流能力时,可以将门极开通电压升高,降低IGBT的导通压降,减小IGBT的损耗和温升波动。分析过载工况下的牵引变流器工作特性,并在此基础上计算IGBT的损耗和温升情况;分析门极开通电压升高对IGBT导通压降的影响,并设计具有门极电压泵升功能的IGBT驱动电路。通过仿真和双脉冲动态开关实验,验证此设计功能的有效性。

集成有源开关电感和Y源倍压单元的高增益DC-DC变换器

针对光伏发电系统中光伏组件电压等级的提升,提出一种集成有源开关电感和Y源倍压单元的高增益DC-DC变换器。所提变换器能够实现低开关管电压应力,具有高自由度电压调节能力,在满足一定升压条件下仍能保证电路的效率,在光伏发电中具有较大的应用潜力。对变换器的工作模态、器件电压电流应力、参数设计和损耗效率进行详细阐述。最后通过实验验证所提拓扑结构的可行性。

Research on Total Electric Field for DC Lines Converted from Double-Circuit AC Lines

With rapid growth of power demand, transmission capacity is also in urgent need of upgrading. In some cases, converting existing AC transmission lines to DC lines can Improve the transmission capacity and reduce the construction investment. In this paper, the upstream finite element method was expanded to calculate the total electric field of same tower multi-circuit DC lines converted from double-circuit AC lines, and the validity of the algorithm was confirmed by experiments. Taking a DC line converted from a typical same tower 500 kV double-circuit AC transmission line as an example, the surface electric field and the ground total electric field in different pole conductor arrangement schemes were calculated and analyzed, and the critical height of pole conductors for DC lines in residential and non-residential area were determined. Then, the corridor width of DC and AC lines at critical height in residential and non-residential areas before and after AC-DC line transformation were compared. The results indicate that for DC lines converted from common 500 kV double-circuit AC lines, the ground total electric field can meet the requirements of corresponding standard with appropriate pole conductor arrangement schemes.

一类三电平伪图腾柱无桥PFC变换器

针对传统二极管钳位型三电平整流器在单相电源前级功率校正(power factor correction,PFC)电路应用场景下全控开关器件数量多的问题,该文基于3种传统无桥PFC电路进行三电平电路拓扑设计,提出一类三电平伪图腾柱PFC电路(single-phase three-level pseudo totem-pole PFC circuit,STPT-PFC),该类三电平PFC具有双电感支路桥臂,两者相互配合工作为输入电流提供路径,在正负半周两电感支路桥臂工作于不同模态可有效降低分别流过两电感的电流;基于该类PFC的一个代表性电路,从工作电流路径过程、关键波形和调制脉冲分配等方面对其进行工作原理分析,并对其它电路进行电路特性总结,推导桥臂对地电压电平特性与开关脉冲分配的数学关系式。另外,该类STPT-PFC共有5种结构,结合该类STPT-PFC结构特点,提出统一区间判断条件的双层载波调制技术,该类STPT-PFC具有相同开关器件不同拓扑结构可采用同一调制方案的特点,便于该类调制技术移植。最后,基于STPT-PFC-I电路设计1台额定功率1 kW、直流输出电压400 V的实验样机,从稳态及动态两方面进行实验分析,实验结果验证所提出一类三电平伪图腾柱PFC电路的可行性和三电平统一双层调制方法的有效性。

基于MMC闭锁与负直流电压无闭锁的综合直流故障限流策略

基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流电网存在抗直流故障扰动能力弱的问题。为此,在无闭锁和闭锁限流的基础上,提出了一种适用于柔性直流电网的无闭锁与闭锁的综合直流故障限流策略。故障发生后,各换流站首先根据直流侧出口电流进行基于负直流电压控制的无闭锁限流,若某换流站由于无闭锁降压限流失效而发生过流,则主动将该换流站闭锁。故障消失或隔离后,无闭锁换流站第一时间恢复正常工作模式,而无须等待重启过程较长的闭锁换流站,以尽量减小系统功率损失。基于MATLAB/Simulink的仿真结果表明,所提综合直流故障限流策略可快速阻断故障电流,并兼顾限流过程的安全性和快速性,最大限度保证系统功率传输,提高了直流电网的抗故障扰动能力。

牵引电机轴承电蚀关键影响因素研究

轴承电蚀一直是困扰电机研发人员的难题之一。对大量发生轴承电蚀的电机进行分析,发现采用变频电源供电的电机最易发生轴承电蚀,经研究发现变流器共模电压是导致轴承电蚀的重要因素之一。基于地铁车辆牵引传动系统搭建仿真模型,从变流器主电路拓扑结构和脉宽调制策略两个方面,深入分析了变流器共模电压对轴承电蚀的影响机理。研究结果可为制定轴承电蚀抑制方案提供有力的理论支撑。

基于反激变换器的电池充电系统设计

以具有结构简单、电气隔离等优点的反激变换器为电池充电电源,分析反激变换器电路的连续和断续模式工作原理,通过设计电压电流双闭环控制方法,实现电池的恒流充电模式和恒电压充电模式,也可实现两种充电模式的切换。实验结果证明了反激变换器的连续工作模式和断续工作模式的正确性,验证了应用于电池充电电源的可行性和有效性,切换时间小于1 ms,电压波动小于1 V。

用户侧储能两电平换流器开关管开路故障诊断

随着新型配电网发展,用户侧储能已成为配电网中的重要环节之一。储能设备的换流器是储能与电网的接口设备,其开关管是故障率较高的器件,且开路故障隐蔽性较强。针对配电网用户侧复杂的电能质量环境,在两电平换流器充电与放电过程中开关管开路故障机理研究基础上,提出了基于扩展卡尔曼滤波器(extended Kalman filter,EKF)与宽度学习系统(broad learning system,BLS)的开关管开路故障诊断方法。该方法通过EKF动态提取故障谐波的特征,BLS识别特征并诊断故障。通过仿真与实验证明在0.2~3(标幺值)的负载波动、5%~10%的系统谐波与±0.5 Hz频率偏移等配电网常见扰动下,单管开路故障与双管开路故障准确诊断与定位的准确率为100%,为用户侧储能系统监测提供有效支持。

一种三通道三电平宽电压范围LLC谐振变换器

为解决传统LLC谐振变换器在光储系统等宽电压范围应用中存在整体效率低和开关频率范围宽等问题,提出一种三通道三电平宽电压范围LLC谐振变换器。该变换器具有双通道和三通道两种工作模式,通过组合不同模式下的增益实现宽输出电压范围。变换器能在全电压范围内实现软开关,工作于固定开关频率,具有参数与磁性元件设计简单等优点。详细分析变换器各种工作模式的原理与增益特性,并明确变换器实现ZVS的条件。最终基于GaN开关器件设计并搭建一台输入电压200 V、输出电压5~20 V、最大功率200 W的实验样机,验证所提拓扑的可行性与理论分析的正确性。

构网型控制改善跟网型变流器次/超同步振荡稳定性的机理和特性分析

构网型(grid-forming,GFM)并网变流器具有良好的弱电网稳定性,同时能够改善跟网型变流器的次/超同步振荡稳定性。为明确GFM控制改善振荡稳定性的机理和特性,首先推导了GFM变流器电路特性与每个控制环节的关系,并分别从变流器自身电路特性、变流器并网系统整体阻抗特性角度揭示了GFM控制改善振荡稳定性的电路机理。然后,基于阻抗模型定量分析了GFM变流器占比提升对系统振荡频率、阻尼的影响。最后,利用电磁暂态仿真进行了验证。结果表明:GFM变流器在无功控制环节、电压外环作用下表现为“正电阻”,能够削弱跟网型变流器控制环节引入的负阻尼特性,进而改善系统次/超同步振荡稳定性;此外,GFM变流器占比提升能够显著改善系统振荡阻尼,但对振荡频率影响较小。

三有源桥变换器开关开路故障诊断与容错运行策略

作为一种典型多端口变换器,三有源桥(triple active bridge,TAB)DC-DC变换器广泛应用于分布式直流系统中,其开关器件开路故障将严重影响系统运行。为降低开关故障带来的影响,该文提出TAB变换器开路故障诊断方法与容错运行策略。首先,分析TAB变换器正常运行特性以及开关管开路故障暂态过程,提出利用TAB变换器各桥臂中点电压平均值实现开路故障定位。通过闭锁故障开关所在桥臂的驱动信号消除开路故障导致的直流偏置;然后,分析闭锁状态下TAB变换器的运行特性,确定能够保证TAB变换器实现开路故障容错运行的移相角范围,当开路故障发生于直流母线侧,调节移相角使得直流母线吸收功率,当开路故障发生于储能侧时,调节移相角使故障储能切除。实验结果验证所提方法可准确快速实现各开关管开路故障诊断,并实现容错运行,提升TAB变换器的可靠性。

基于有源匹配技术的EMC测试天线设计与实现

针对低频段无源小型化EMC(Electromagnetic Compatibility)测试天线多为电小天线导致的天线系数高以及测试灵敏度低的问题,文中基于有源匹配技术分别对加载负阻变换电路和场效应管高阻输入电路的电小天线进行仿真分析。结果表明,场效应管高阻输入电路在降低天线系数和电路稳定性方面均优于负阻变换电路,有助于EMC测试天线的小型化设计和实现。加载场效应管高阻输入匹配电路的小型化EMC测试天线的测试结果表明,在2~30 MHz频带内,与未加载场效应管高阻输入匹配电路的EMC测试天线相比,该天线系数改善可达22~46 dB。

一种高频单片GaN DC-DC降压转换器设计

基于全耗尽型(D-mode)0.25μm硅基氮化镓(GaN-on-Si)工艺,设计了一款高频单片GaN DC-DC降压转换器芯片。该芯片集成了驱动电路和半桥功率级电路,驱动电路中电平放大功能通过有源上拉结构实现,在100~200 MHz频率范围内,单片GaN DC-DC降压转换器可直接被0.7 V的高速脉冲信号控制,无需片外模块,其峰值功率级效率达到92.2%,峰值总效率达到84.24%,峰值功率为7.7 W。相较于前期工作,芯片工作范围从100 MHz提升至200 MHz,在保证芯片效率性能的情况下,实现了对工作频率的大幅提升。

计及二次侧开关开路故障的半有源桥变换器多模式容错运行策略

半有源桥(S-DAB)变换器广泛适用于电动汽车充电、光伏发电等仅需单向功率流的多种场景。针对二次侧开关开路故障,为了提高S-DAB的可靠性,需要采取容错运行策略抑制故障电流保证高可靠性运行。该文分析S-DAB正常运行模式的工作原理。在此基础上,提出S-DAB变换器二次侧开关发生开路故障时故障诊断与容错单有源桥(SAB)运行方法。所提出的故障诊断策略只需要一个额外的电压传感器能够识别二次侧故障开关位置。在实现故障定位后,基于所提容错SAB方法,能够保证开路故障后,变换器仍具备一定的功率传输能力。所提方法能够以较低的成本提高变换器容错运行的可靠性。实验结果验证了所提出的故障诊断策略与容错SAB模式的有效性。

一种基于自由衰减振荡的固定占空比控制的无铁芯变压器

针对基于无铁芯变压器的DC-DC变换器工作频率过高的问题,提出了一种基于自由衰减振荡的无铁芯变压器的DC-DC变换器。首先,建立无激励源的串联型-串联型拓扑电路理论模型,讨论特征根的演化过程,分析系统自由衰减振荡的运动行为。其次,设计基于自由衰减振荡无铁芯变压器的DC-DC变换器。实验结果表明,该变换器的开关频率可明显低于无铁芯变压器的工作频率,且其输出功率与无铁芯变压器的工作频率可被自由衰减振荡系统的特征根所描述。最后,构建一个实验样机,该样机采用固定占空比控制,当无铁芯变压器的工作频率为206 kHz、开关频率为103 kHz和69 kHz时,变换器的最高整机效率为91.2%,变压器效率在任何工况下均高于96%。

高压直流换流阀无源宽频等效电路模型的建模

作为高压直流换流站中的关键设备之一,换流阀的宽频特性是一个颇受人们关注的问题。文中以晶闸管换流阀为对象,建立换流阀的无源宽频等效电路模型。采用矢量匹配法对晶闸管、均压电容器和阻容回路的频率阻抗特性进行有理函数逼近,得到极点—留数形式的有理多项式;利用网络综合原理将有理多项式分解和综合,得到宽频有源电路网络。依据端口无源的条件使用序列二次规划法进行端口无源优化,并使用全局优化算法进行严格无源优化,得到换流阀的无源宽频等效电路模型。

高原双源动力集中动车组内燃车牵引变流器关键技术分析与验证

针对高原型内燃机车运行海拔高、散热工况复杂和轻量化要求高的特点,文章介绍了一种复兴号高原双源动力集中动车组内燃车牵引变流器的主电路结构、工作原理及其设计方法。对于运行海拔高的特点,使用海拔修正的方法对柜内电气绝缘性能进行加强;对于散热工况复杂的特点,选择合理的冷却方案,并对整柜的损耗和散热能力进行精细化热设计,确保其散热能力;对于轻量化要求高的特点,使用模块化布局和有限元结构仿真的方法,在保证结构强度的同时实现轻量化设计。试验表明,牵引变流器能满足各项性能指标要求。