Unified algorithm of single-phase active AC-DC converters and its applications

This paper discusses a novel boost single-phase active AC-DC converters, named low-end semi-controlled bridge AC-DC converter. By analysis, its topology and principle can be derived from the conventional single-phase power factor corrector （ PFC）. But it has also some differences, such as power device positions, inductor type, input voltage waveform detection and induction current detection, so its design is also different. The converter is implemented by employing two current detection approaches, i.e., current transformer detection and shunt resistor detection. Consequently, it can provide a steady DC output voltage with a low voltage ripple, approximately unitary input power factor and 2.5 kW output power. The experimental results show validity of the theoretical analysis.

Robust switched fractional controller for performance improvement of single phase active power filter under unbalanced conditions

A novel controller is proposed to regulate the DC-link voltage of a single phase active power filter （SPAPF）. The proposed switched fractional controller （SFC） consists of a conventional PI controller, a fractional order PI （FO-PI） controller and a decision maker that switches between them. Commonly, the conventional PI controller is used in regulation loops due to its advantages in steady-state but it is limited in transient state. On the other hand, the FO-PI controller overcomes these draw- backs but it causes dramatic degradation in control performances in steady-state because of the fractional calculus theory and the approximation method used to implement this kind of controller. Thus, the purpose of this paper is to switch to the PI controller in steady-state to obtain the best power quality and to switch to the FO-PI controller when external disturbances are detected to guarantee a fast transient state. To investigate the efficiency and accuracy of the SFC considering all robustness tests, an experimental setup has been established. The results of the SFC fulfill the requirements, confirm its high performances in steady and transient states and demon- strate its feasibility and effectiveness. The experiment results have satisfied the limit specified by the IEEE harmonic standard 519.

有源缓冲型逆变器功率解耦技术研究

为实现单级单相升压逆变并能有效抑制直流侧二次纹波电流,提出一种带有源缓冲的电流型逆变器电路拓扑,研究该逆变器的6种电路模态并提出其两模态调制策略和三模态调制策略,设计2种调制策略下的模型预测控制策略,提供主电路参数设计准则。从储能电感电流的最大脉动量与二次纹波含量两方面对2种调制策略进行对比分析,得出了三模态调制策略具有更好纹波抑制效果的结论。对2种调制策略下的逆变器进行仿真分析,仿真结果表明,三模态调制下电路的输出电压总谐波失真率、电感电流相对脉动量与二倍频含量均低于两模态调制下的数据。设计并搭建500VA 48VDC/220V50HzAC有源缓冲型单级单相升压逆变器实验装置,给出了三模态调制下基于模型预测控制的逆变器实验波形,进一步证实了所提研究方案在实现单级升压逆变的同时具有二次纹波抑制能力。

模块化解耦电路的协同控制策略

有源功率解耦技术是解决单相变换器中低频二次脉动功率的有效方法。模块化电路具有标准化、独立性和通用性等优点,发展模块化的解耦电路是有源功率解耦技术的重要方向。现有控制策略仅针对单个解耦电路提出,没有考虑多个解耦模块共同工作时的协同控制问题。对此,该文提出一种基于虚拟阻抗的多解耦模块协同控制策略,通过控制解耦模块模拟无源RLC电路的阻抗特性,实现单个解耦模块的即插即用和多个解耦模块的协同功率分配。所提出的控制无需解耦模块与主电路交互电网电压和电流信息,也无需解耦模块间的相互通信,避免了集中的中央控制器和昂贵实时通信的使用。实验以两个解耦模块的功率协同控制为例验证了所提控制策略有效可行性。

基于PI-RP复合控制策略的船用单相APF设计与仿真

为抑制和滤除舰船电网上非线性设备引入的谐波干扰,针对舰船设备特性设计单相有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)。分析论证了单相APF的技术原理、主电路构成及拓扑结构,比较几种常用的谐波检测算法和控制策略。针对PI(比例积分)控制和RP(重复)控制各自优点及不足,设计采用二者并联运行的复合控制策略以有效提高稳态精度和动态性能。利用MATLAB/Simulink软件建立系统仿真模型,仿真实验结果表明单相APF滤波效果良好,也验证了复合控制策略的有效性。

单相级联H桥整流器电压平衡与纹波抑制策略研究

对传统单相级联H桥整流器主电路加以改进,增加了功率解耦桥臂,建立了数学模型,并对电压平衡和纹波抑制策略进行了研究。首先,整体回路采用双闭环控制,通过二阶广义积分方法优化了基波信号的提取方案;其次,对系统功率平衡关系进行推导,建立网侧电流和电容电压平方的一次关系模型,并引入可变比例环节,有效提升系统抵御参数变化的鲁棒性;然后,采用独立式Buck型有源功率解耦控制策略,通过运算实时分配解耦桥臂开关管占空比,设计自适应选频器分离二次纹波信号,实现对直流母线二次纹波电压脉动的抑制。最后,基于Matlab/Simulink软件进行试验验证,所提方法能够有效地解决电压平衡和二次纹波功率抑制问题。

基于自抗扰解耦的电力电子牵引变压器整流级直接功率控制

【目的】为改善电力电子牵引变压器(PETT)整流级在传统dq电流解耦双闭环控制下抗干扰能力差、对参数变化敏感、谐波含量高等问题。【方法】通过对直接功率控制(DPC)的解耦方式进行改进,提出了一种无需系统角频率和电感参数基于自抗扰控制(ADRC)的功率解耦控制器。最后,在Matlab/Simulink中搭建模型进行不同工况的仿真分析。【结果】仿真结果表明新型控制策略较传统控制策略网侧电流THD值减少5.38%,等效电感突变时电压跌落值减少48 V,电压频率偏移时电压跌落值减少14 V,新型控制策略在负载突变和负载不平衡工况下具有较好的平衡控制效果。【结论】该控制器通过解耦实现了有功功率和无功功率精确且独立的控制。仿真结果验证了所提控制策略的合理性与有效性。

采用无桥拓扑的部分有源PFC在变频器中的应用和实现

在变频器前级所采用的单相有源功率因数校正器(PFC)中,一般采用完全PFC方案,而且使用的功率器件多,PFC升压电感昂贵,因此具有效率较低和成本较高等不足。鉴于此,提出了一种采用无桥PFC功率模块和部分PFC技术的新型单相PFC方案,在分析部分PFC的原理基础上,通过MCU软件编程给予实现。实验结果表明,该新型单相PFC方案具有校正效果良好,控制简单,成本低等优点,同时EMI得到了抑制,效率提高了2～3%,节能效果明显。

基于单相FCM的电铁牵引负荷运行情况分析

电铁牵引负荷不同运行情况对电网电能质量产生不同的影响,对于某一具体牵引站,有空载、AB相有一辆车(启动、运行、制动)、BC相有一辆车(启动、运行、制动)、CA相有一辆车(启动、运行、制动)等十种情况,以及各种更为复杂接法导致的更加复杂情况,难以进行分析。因此,文中提出了基于单相模糊C均值聚类(Fuzzy C-Means,FCM)的电铁牵引负荷运行情况对电网运行影响的分析方法。实例分析表明,所建各相负荷不同运行情况对电网电能质量影响的模型是合理而有效的。

基于线性自抗扰控制的单相电力电子变压器整流级控制策略

针对电力电子变压器的非线性特性,传统PI控制的单相电力电子变压器整流级具有对参数变化敏感,响应速度慢,抗扰性能差的特点。提出了一种基于线性自抗扰控制(line active disturbance rejection control,LADRC)的电压环控制策略,该控制策略具有响应速度快、超调量小、鲁棒性强的特点。在仿真软件MATLAB/Simulink中通过搭建三级联H桥整流器模型进行仿真,并与传统PI控制器相比较,仿真结果表明所采用控制策略的优越性、有效性。

非隔离型单相三桥臂统一电能质量控制器直流侧电压灵活调节与波动抑制技术

非隔离型单相三桥臂统一电能质量控制器(UPQC)可以实现交流电压调节和并网点无功治理等功能,但传统控制方法直流侧母线电压高、二倍频波动大,既给设备带来巨大的电容成本,又影响设备的安全可靠运行。为了解决这些问题,该文详细分析了不同工况下直流侧电压的约束范围,推导了直流电压波动随并网点和负载功率因数、串联电压补偿相位、参考直流电压等复杂因素的关联性,并提出一种直流电压灵活降低与主动波动抑制控制方法。相比于传统控制,应用所提方法母线电压可降低至相电压峰值附近,二倍频电压波动可降低约80%。最后,实验验证了所提三桥臂UPQC直流电压控制技术的正确性。

Hopfield神经网络在单相电路谐波电流检测中的应用

针对单相电路谐波和无功电流检测方法中计算量大,实时性较差的缺点,采用Hopfield神经网络的谐波电流检测方法,这种全连接、单层反馈神经网络由于引入能量函数进行优化计算,网络不需要预先进行训练,并且具有并行处理能力,能够对数据进行实时处理,使得算法简化,易于实现,处理数据能力大大提高。与基于瞬时无功功率理论的检测方法相比,Hopfield神经网络法具有计算量小,检测精度高,实时性好的优点。在Matlab/Simulink环境下对两种方法进行仿真比较,结果表明基于Hopfield神经网络的检测方法具有很好的实时性和较高的检测精度,适用于单相有源电力滤波器的研究。

有功功率的配电网单相高阻接地保护方法

常规的配电网单相高阻接地保护大部分不会展开适应性测定,为此,文章提出对考虑有功功率的配电网单相高阻接地保护方法的设计分析。首先进行高阻接地保护特征量构造及整定原则设置,结合有功功率背景,展开配电网高阻接地保护适应性测定,确保保护处理结果的稳定,然后以此为基础,采用极性校验的方式来完成接地保护处理。测试结果表明,针对选定的4条馈线,分别在120Ω、155Ω和180Ω3个环境下,测定出配电网单相高阻接地保护最终的耐高阻能力均可以达到255.5Ω以上,说明此次设计的接地保护机制更加稳定、高效,针对效果更佳,保护效果显著提升。

新型有源箝位ZVS单级PFC变换器

针对传统功率因数校正(PFC)变换器存在的开关管电压应力高、硬性开通等问题,提出一种新型单级PFC变换器,在传统Boost升压电路基础上,结合移相全桥及有源箝位技术,利用一级电路就可实现PFC以及DC/DC变换。通过在桥臂两端并联有源箝位电路并结合适当的控制策略,吸收了变压器漏感在电路换流过程中产生的电压尖峰,降低了桥臂开关管的电压应力;利用变压器漏感与开关管寄生电容之间的谐振,使桥臂开关管和箝位开关管均实现零电压开关。在分析变换器工作原理的基础上,得到开关管零电压开关实现条件。实验结果表明,该变换器能够实现近似单位功率因数,开关管电压应力小且实现了零电压开关。

单相半桥并联型APF研究

本文针对单相电力电子设备所带来的谐波和无功电流危害电网的问题,研究了一种基于半桥结构的单相并联型APF。首先分析了半桥拓扑结构的工作原理,推导了一种适用于单相电路的谐波和无功电流检测算法,采用该算法并结合三角波比较电流跟踪控制方法,实现了对APF补偿电流的控制。然后为了更好地输出补偿电流,在半桥逆变器的交流侧设计了LCL型滤波器。最后通过Matlab/Simulink仿真表明,单相半桥并联型APF对电网中的谐波和无功电流能够起到很好的补偿效果,验证了系统的可行性。

单相三电平APF单周控制矢量模式研究

提出基于单周控制的单相三电平电力有源滤波器(APF)矢量模式,该模式能够使得单相APF一个桥臂工作于高频开关状态,另一个桥臂工作于工频开关状态,进而有效减少开关损耗。分析了单相APF的工作原理,在充分考虑直流侧电容电压均衡控制的基础上,提出了5种单相三电平APF单周控制矢量模式,并详细推导了各种矢量模式的控制目标方程。仿真结果表明5种矢量模式能够有效补偿无功和谐波,且效果较好,从而验证了5种矢量模式的有效性和可行性。

基于PI+QPR控制的单相有源电力滤波器研究

补偿电流跟踪控制策略对有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)的谐波治理能力有直接影响。在单相系统中,利用并联型APF进行谐波治理时,传统的电流比例积分(Proportional Integral,PI)控制方式具有较快的响应速度,但3次谐波电流不能得到充分抑制。针对这一问题,文中采用准比例谐振(Quasi Proportional-resonant,QPR)控制策略对3次谐波电流进行跟踪控制。同时利用陷波滤波器对ip-iq谐波电流检测算法进行改进,提高谐波电流检测精度,消除数字低通滤波器输出侧直流信号中的低频波动问题。最后通过MATLAB/Simulink建立单相并联型APF谐波治理系统模型,验证了所提控制策略的可行性和有效性。

基于单相无刷直流电机的高效全速域无位置控制策略

以单相无刷直流电机(SPBLDC)控制系统为研究对象,针对小型风机位置传感器安装受限等问题,提出基于单相无刷直流电机的高效全速域无位置控制策略,该策略通过单相I/f电流幅值与功率因数补偿相结合的控制方法实现。通过构建SPBLDC的小信号模型,根据小信号根轨迹分析法,分别对单相I/f电流幅值控制以及单相I/f电流幅值与功率因数补偿相结合控制方法下系统全速域稳态及动态调速过程进行稳定性分析,选取了合适的升速斜率,理论分析了该控制策略能够提高电机运行效率,同时保证系统全速域均具备良好的稳定性能。在Matlab/Simulink环境中仿真验证该控制策略下系统全速域均高效运行于最大转矩/电流比状态,电机转速、电流收敛性能及稳定性均有提升。最后,实验验证了该控制策略的有效性及工程应用的可行性。

基于相暂态功率方向的有源配电网接地故障区段定位算法

分布式电源接入配电网后,利用相电流突变的接地故障判断算法准确度下降。为了解决以上问题,提出基于相暂态功率方向的有源配电网接地故障区段定位算法。通过建立有源配电网接地故障暂态相电压电流等效模型,分析出健全线路各区段的各相暂态功率方向为正,故障电流由母线流向线路,故障线路故障点下游各区段相暂态功率绝对值较大的方向为正,故障线路故障点上游各区段暂态功率绝对值较大相的方向为负,根据以上特征,设计了接地故障定位装置以及相暂态功率方向算法。通过仿真验证结果表明,该方法在配电网中性点采用小电流接地系统时,在分布式电源投入与退出、接入数量和位置不同以及不平横电流情况下,均能可靠判断与定位接地故障位置。相关研究及其设计能够为有源配电网接地故障定位技术的发展与应用提供参考。

直流侧免供电的配电网接地故障电流柔性调控方法

传统的配电网单相接地故障电流柔性调控装置存在拓扑结构复杂、安装位置受限、直流侧供电困难等问题。基于新型的两相直挂式装置,文章提出一种直流侧免供电的配电网接地故障电流柔性调控方法,可以解决上述问题。两相直挂式装置所需桥臂数量少,且限流电感可复用为分压电感,整体结构得到简化;装置无需经接地变压器接入配电网,便于在馈线处安装,可实现接地故障电流的分散式调控;调控接地故障电流时,根据“电压电流垂直”原则,在两相直挂式装置的两桥臂间,分配算得的接地故障调控总电流,可实现装置直流侧免供电。此外,降低装置并网冲击电流而采用的软并网方法、遵循“电压电流同相位”的充电控制原则等,是两相直挂式装置实现接地故障电流有效调控的前期保障。最后,Matlab/Simulink软件仿真验证所提方法的有效性。