T型三电平储能变流器直流母线电压改进自抗扰控制

针对T型三电平储能变流器在受到扰动时直流母线电压容易波动的问题,提出了一种改进的线性自抗扰控制(linear active disturbance rejection control,LADRC)方法以增强直流母线电压的控制稳定性。该方法对线性扩张状态观测器(linear extended state observer,LESO)进行了改进。首先,引入总扰动微分状态变量以提升扰动观测能力。其次,对观测器进行降阶处理,一方面降低观测器设计复杂度,另一方面降低相位滞后,提升扰动估计速度。最后,在总扰动通道上增加一个滞后补偿环节减弱噪声放大影响。通过上述改进实现了对系统总扰动的精确快速估计。基于频域分析,得出改进后的LADRC相比传统LADRC具有更优秀的抗扰性能。多组实验结果均表明,与PI控制和传统LADRC相比,在有功功率突变、无功功率突变以及电网电压跌落情况下,所提控制策略的直流母线电压超调量更小,暂态时间更短,验证了所提方法的有效性,保证了储能变流器的正常平稳运行。

高速磁浮背靠背三电平ANPC变流器中点电压偏移机理与协同控制策略

高速磁浮交通牵引变流器采用24 MVA背靠背三电平有源中点钳位拓扑,其中两台整流器和两台逆变器共用直流母线。该文分析整流侧和逆变侧在不同功率因数下中点电压(neutral point voltage,NPV)偏移机理及不同电压矢量对NPV的具体影响。据此,针对高速磁浮逆变器并联和串联两种模式,建立NPV偏移模型,得到在调制比和功率因数同时变化时NPV的可控区域。为在全速范围保证NPV平衡,提出一种基于平移调制波的协同控制策略。为减轻整流器功率因数和调制比对NPV的影响,采用一种具有相电压半波对称性的载波脉宽调制,并证明其具备NPV自平衡能力。仿真和硬件在环实验表明,所提策略具有NPV恢复到平衡状态所需时间短、可控范围大等优点,可在高速磁浮全速工况下保证NPV平衡。

器件混合型三电平变流器EMI分析及抑制

SiC-MOSFET开关过程的高du/dt可减少开关损耗,但会显著增加变流器的电磁干扰(EMI)。这里以SiCMOSFET和Si-IGBT器件混合型3L-ANPC变流器拓扑为研究对象,分析零电压转换(ZVT)软开关技术对变流器共模(CM)噪声的抑制效果。首先对3L-ANPC软开关变流器进行介绍,然后基于变流器EMI的分析建立了硬开关和软开关拓扑CM EMI等效简化模型。通过对比两种开关条件下功率器件的du/dt和传导路径阻抗的差异,分析出软开关对CM噪声的抑制效果。最后通过实验验证了该软开关技术可以有效降低EMI水平。

三电平辅助变流器寿命优化控制

辅助变流系统是动车组车辆上关键的电气组成部分,主要为空调机组、风机、照明等交流负载提供稳定的三相电源。结温是影响动车组三电平辅助变流器IGBT(Insulated-gate Bipolar Transistor)模块寿命的主要因素。为了提高动车组三电平中点钳位(Neutral-Point Clamped,NPC)型辅助变流器寿命,提出一种降低结温的模型预测电流控制(Model Predictive Current Control,MPCC)策略。首先,考虑传统MPCC在每个采样周期需要代入27个电压矢量循环计算,计算量较大,因此将三电平基本电压矢量划分在间隔60°的6个扇区中,通过计算电压矢量在两相静止坐标下的相角,进而判断参考电压矢量所处扇区,将备选矢量数目从27缩减至10,减少了计算量;其次,传统MPCC直接应用于动车组辅助变流器会使IGBT模块的结温较高,老化速度加快,对变流器安全稳定运行产生不可预测的损害,本文对IGBT模块的开关损耗和导通损耗进行近似等效,得到了和集射极电压、集电极电流相关的功率损耗因子。通过预测每相电流的方向,进而预测IGBT模块的开关和导通情况,动态加入功率损耗因子,并在代价函数中约束每相IGBT及其续流二极管(Free Wheeling Diode,FWD)的功率损耗,使得最优电压矢量在降低功率损耗的同时保证一定的控制性能。通过仿真与实验验证,本文所提方法相比传统MPCC策略降低了功率器件的结温,提高了变流器寿命。

基于T型三电平储能变流器的高速公路服务区微电网控制策略研究

快速充电桩等大功率负荷的频繁投切使得高速公路服务区微电网安全稳定运行遭遇挑战,容易导致微电网母线电压和系统频率的大幅波动。针对这一问题,提出一种基于T型三电平储能变流器的高速公路服务区微电网系统及其控制策略。为了让所研究的储能变流器可以灵活适用于多种储能装置,提高储能变流器的通用性,研究了电压源型T型三电平储能变流器。分析T型三电平变流器开关管动作特性,基于基尔霍夫定律建立系统数学模型。设计微电网孤岛和并网运行两种模式下的控制策略,并基于无源控制理论,通过建立端口受控哈密尔顿模型、设定平衡点、求解能量匹配方程等步骤设计两个无源控制器以实现控制目标。在Matlab中搭建仿真模型,仿真试验结果表明,快速充电桩负荷投切时功率动态响应时间小于0.01 s,系统频率抖动小于0.03 Hz,母线电压波形非常平滑,无明显波动,微电网系统在并网和孤岛模式下都具有较高的稳定性。

具有中点电压平衡与零序电流抑制的T型三电平逆变器供电六相PMSM-DTC

在三电平六相电机驱动系统中,存在中点电压不平衡及零序电流导致定子电流畸变等问题。为此,该文针对T型三电平逆变器供电的六相永磁同步电机,提出一种具有中点电压平衡与零序电流抑制功能的直接转矩控制(DTC)策略。为实现DTC的快速构建,该策略基于两电平三相电机DTC结构,利用精简后的开关状态,在六相绕组轴线上分别合成满足控制要求的4个电压矢量,然后通过两个滞环比较器结合简单的扇区划分,确定最优电压矢量所在轴线,同时构建中点电压与零序电流控制平面,并对系统在控制平面所处扇区进行判断。在此基础上,根据最优电压矢量所在绕组的相电流iy的极性,实现最优电压矢量的选择,并进一步构建DTC最优开关矢量表。最后,通过实验结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。

NPC型直挂储能变流器桥臂断路故障下低电压穿越的容错控制

NPC型直挂储能变流器长期运行可能发生桥臂断路故障造成设备停运以及影响低电压故障穿越,基于故障相与直流母线中点直连构成虚拟桥臂重构容错故障拓扑,提出了基于模型预测控制的桥臂容错低电压穿越控制策略。考虑重构后的容错拓扑结构降低了直流侧电压的利用率,研究分析了该容错结构进行低压穿越的最大输出电流整定方法。由于低电压穿越过程中电压跌落后的容错拓扑输出特性发生改变,对储能直挂容错结构的输出电流、电压进行模型预测矢量分析,推导出电压跌落与最大输出电流的关系式。在重构的空间电压矢量内选择能够支撑低电压穿越的矢量状态,控制储能变流器按照低电压穿越技术规范进行有功无功功率分配,支撑电网电压。仿真结果验证了所提出的控制策略保证容错拓扑结构可以在桥臂故障期间运行的有效性以及低电压穿越过程中提供无功功率支撑的可靠性。

H桥三相5电平电压型变流器在有源滤波器中的应用

首先分析了载波相移SPWM(CPS-SPWM)技术原理和该技术在电压型多电平变流器中的应用,具体讨论了通过级联H桥实现变流器的技术方案;利用基于瞬时无功功率理论的自适应闭环检测方法,构建了有源电力滤波器(APF)装置。实验验证了将基于CPS-SPWM技术的级联H桥型多电平变流器应用于三相APF上,能在较低开关频率下实现非线性和感性负载引起的谐波及无功污染的补偿。

直驱风电场多电压源型变流器控制耦合引发振荡的机理分析

近年来,直驱风机风电场相关的电力系统电磁振荡现象已成为研究热点。文中对风电场中多台静止无功发生器(SVG)之间的耦合振荡机理以及由此引发风电场自持振荡的可能性进行了研究。考虑到直驱风机和风电场出口SVG同属电压源型变流器(VSC),在控制结构上具有相似性,提出了定电压控制模式下双VSC耦合系统产生不稳定模式的机理及其电压参考值匹配判据,对运行方式发生变化(体现为与系统的连接电抗发生变化)导致发散振荡的概率给出了计算方法。结合算例分析和讨论可知,当定电压控制的2台SVG电气距离较近时,如不满足电压参考值匹配判据则系统存在不稳定模式。通过计算连接电抗大小变化时主导特征根实部的分布函数可知,该模式与连接电抗变化情况弱相关,与SVG控制模式强相关,且可能成为风电场内直驱风机非线性限幅自持振荡的激发条件。

电压源型变流器并网系统多时间尺度间相互作用

电压源型变流器(VSC)的控制环节及其与网络间的相互作用是造成VSC并网系统失稳的重要因素。而VSC的控制具有多时间尺度特征,具体可划分为直流电压控制(DVC)时间尺度和交流电流控制(ACC)时间尺度。现有文献大多仅针对单一时间尺度的稳定性问题开展研究,对于多时间尺度环节间的相互作用则鲜有涉及。对此,该文基于模式分析方法,提出衡量多时间尺度间相互作用的量化指标,揭示多时间尺度间相互作用随锁相环带宽和系统短路比的变化规律。进而通过对比不同时间尺度模型的阻尼比和振荡频率,明确多时间尺度间相互作用对系统稳定性分析结果的影响。最后探讨DVC、ACC时间尺度模型的适用范围,并从物理角度对分析结果进行初步阐释。

一般缓冲电路的模型及三电平IGBT变流器内外元件电压不平衡机理

通过对斩波器中缓冲电路工作过程的分析 ,提出了一般缓冲电路的模型。根据这个模型 ,分析了中点箝位式(NPC)三电平变流器中内外绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)电压不平衡的原因。并指出电压不平衡是由于NPC三电平的特殊结构和电路中的杂散电感造成的。实验波形证明了模型的正确性和分析的有效性。

新型三电平变流器中点电压控制策略及其可控区域

针对三电平中点钳位(neutral point clamped,NPC)变流器中点电压波动问题,分析了三电平变流器基本工作原理,提出了一种适用于任意调制策略的三电平变流器中点电压平衡策略。该策略以输出线电压满足要求为控制目标,根据中点电压的波动情况实时修正调制策略的输出开关状态。鉴于单开关周期完全可控区域的重要意义,本文分别分析了调制策略为正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation,SPWM)策略和空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)策略时新型中点电压平衡策略的单开关周期完全可控区域。理论分析和仿真结果表明,新型中点电压平衡策略具有普遍适用、实现简单的优点,其单开关周期完全可控区域受调制策略、调制度、运行时间和功率因数的影响。

一种新型三电平NPC变流器直流中点电压平衡控制策略

从两方面对现有三电平NPC变流器直流中点电压平衡控制策略进行分类,归纳了每类中点电压平衡控制策略的特点。根据各相开关状态对中点电流和输出线电压的影响,提出了一种适用于任何调制策略的新型中点电压平衡控制策略,与现有中点电压平衡控制策略相比,该策略具有原理简单、易于数字化实现的特点,但也存在开关损耗较大的不足之处,最后通过实验验证了文中提出方法的正确性和合理性。

基于三电平电压源变流器的同相牵引供电方案研究

提出了基于二极管箝位型三电平电压源变流器的同相供电综合潮流控制器方案.综合潮流控制器(CPFC)装置主要由两个背靠背的单相二极管箝位型三电平电压源变流器构成,主要用于传递有功功率、补偿无功功率及谐波,使得牵引供电系统相对电力系统而言,是一个三相对称纯阻性网络.分析了三电平电压源变流器的主电路结构,提出了三电平载波PWM电流控制和电容中点电压平衡控制策略.Matlab/Simulink仿真结果,验证了该方案的正确性.

三电平变流器内外管电压不平衡分析

三电平变流器在相邻开关状态之间转换时,会发生内外管电压不平衡现象。对其产生机理进行研究,结果表明是由于电路中分布电感对IGBT的CE间等效电容释放能量所导致的,采用RC缓冲电路能有效抑制内外管电压不平衡。最后,对原理进行分析,并通过实验进行验证。

电压源型全功率风电变流器控制策略研究

在弱电网特征下的电力系统运行环境中,传统的电流源型变流器控制方式容易出现振荡现象,这增加了风电机组的穿越难度和脱网概率。文章基于虚拟同步发电机技术(virtual synchronous generator,VSG),结合电压源型变流器控制方式和电流源型变流器控制方式,设计了一种新型的电压源型变流器的控制策略。其在正常并网运行条件下,采用电压源型变流器控制方式,有功控制通过VSG增加有功补偿,无功控制前端注入无功电流;在启停机和高低电压穿越工况下,采用电流源型变流器控制方式。该控制策略融合了电压源型变流器控制方式与电流源型变流器控制方式两者的优点,不仅具备频率支撑特性,同时还具备快速的有功无功响应能力。对全功率风电变流器的并网过程、有功无功响应及高低压穿越过程进行仿真和样机实验,结果显示,所提新型控制方案在风电变流器各运行工况下都能取得很好的控制效果,使风电机组具备良好的稳态及动态性能,并能很好地适应新能源并网的需求。

基于滑模观测器的三电平风力发电并网逆变器无差拍优化模型预测控制

针对中点钳位型(NPC)三电平并网逆变器系统,提出了一种基于滑模观测器的无差拍可优化有限控制集模型预测控制策略。为了降低电网电流谐波量及有功和无功功率的独立控制,采用了基于幂次函数的滑模观测器,实现对电网电压和耦合项进行实时性观测;以滑模观测器为基础,结合空间电压矢量位置信息,提出了基于电流无差拍的优化有限控制集模型预测控制,减少了控制计算量;通过基于中点不平衡电压补偿的性能代价目标函数,提高了控制系统的性能。仿真结果表明了该控制策略的可靠性和有效性。

三电平降压型DC/DC变换器的建模与控制

三电平非隔离DC/DC变换器具有高效率、高功率密度、低成本等优点,广泛应用于新能源储能领域。此处分析了三电平降压型DC/DC的工作原理,推导并建立了系统的小信号模型,采用载波移相控制。同时,针对高压侧电容中点电位不平衡问题,采用了一种电容电压平衡控制策略。最后,对所采用的变换器控制策略进行了仿真,并在一台60 kW样机上得到验证。

系统强度支撑型可塑变流器(一):暂态电流安全及电磁暂态验证

电力电子器件弱过流能力是构网型技术应用的关键制约因素之一。如何在电流限幅约束下既保证变流器自身设备安全性,又充分发挥其电网支撑能力是尚未解决的难题。为此,该文针对系统强度支撑型可塑变流器(system strength supported flexible converter,SSS FC),提出一种基于内电势矢量重塑(potential vector remodeling,PVR)的新型控制框架。首先,在分析SSS FC的暂态过流机理的基础上,给出基于PVR控制的暂态电流抑制新方法,其依据变流器并网端口电压矢量直接改变功率同步控制约束的内电势实现限流,主要包括启动判据、幅相补偿计算以及分相虚拟构建等环节;然后,通过建立SSS FC各电压矢量轨迹与时域暂态电流的理论模型,分析幅相补偿机制对SSS FC暂态特性的改善效果;最后,通过电磁暂态仿真验证各类对称与不对称电网故障下所提方法保证SSS FC本体安全的有效性。

三电平变流器中点波动和死区效应优化策略

正弦脉宽调制(SPWM)由于简单易操作而被广泛运用于三电平变流器,但是针对三电平变流器的中点平衡问题,采用常规SPWM方法无法消除中点电压的低频脉动。所以在此首先建立中点电压波动的数学模型,凝练出中点电压波动和中点电流的关系,结合中点电压低频脉动消除原理和死区效应消除原理,提出一种四调制波策略。与传统SPWM方式相比,不仅有效消除了三电平变流器中点电压的低频脉动,而且还提高了变流器输出电流波形质量,并通过实验结果验证了理论分析的正确性和该方法的有效性。