高压大容量电力电子变压器中高频变压器研究现状和发展趋势

电力电子变压器是智能电网、电动汽车、军事航空等多个领域应用的关键设备。随着电力电子变压器不断向高压大功率发展,其相关理论和关键技术获得了不断关注。目前,针对电力电子变压器变换效率不够高、开关管电流应力较大、模块间电压功率不平衡等问题,已经有了一些研究和解决方案。然而,对电力电子变压器的DC-DC变换器中核心部件-高频变压器而言,尤其是高压、高频和高温下高频变压器仍然存在很多关键问题需要研究和解决。针对高压大容量电力电子变压器的研究背景,围绕其中高频变压器的关键问题展开论述。在总结大量文献的基础上,首先,论述了高频变压器应用于电力电子变压器中的复杂工况;然后,着重分析了高频变压器磁芯、绕组、绝缘和散热的研究现状;据此进行思考和总结,提炼了高频变压器存在的关键问题;最后,对高频变压器的研究现状进行了总结,针对存在的问题展望了其未来发展趋势。

电力电子变压器参与配电网调压调频的应用研究

为提升配电网的稳定性,该文提出利用配电网电力电子变压器对配电网的电压和频率进行调节。通过电力电子变压器输入级进行配电网无功功率调节,利用母线电压下垂特性提出无功调节方法,并引入无功电流反馈以提高配电网电压质量和稳定性;同时,通过电力电子变压器输出级控制负载电压以调节配网有功功率,作为一次调频储备负载,从而在频率暂态期间减小频率偏差。通过对基于配电网电力电子变压器的调压调频控制方法进行实验验证,所提控制策略能改善配电网电压和频率质量,有效提升配电网的稳定性。

单相电力电子变压器整流级复合无源控制

针对单相级联H桥型电力电子变压器整流级易受输入电压、负载电阻等参数影响,及传统PI双闭环控制性能较差的问题,提出一种电流内环的复合控制策略。在无源控制(PBC)的基础上加入扩张状态观测器(ESO)作为扰动观测,并进行补偿。通过MATLAB/Simulink软件搭建三级型电力电子变压器整流级模型,将结合扩张状态观测器的无源控制与传统PI控制、无源控制进行对比。结果表明:提出的控制策略能有效降低交流侧电流谐波量,且系统动态响应速度快、鲁棒性更好。

双有源桥型电力电子变压器电磁暂态实时低耗等效模型

电力电子变压器(PET)是柔性直流配电网中电能变换的关键设备。受仿真资源限制,现有PET电磁暂态(EMT)实时仿真规模较小,无法满足大容量系统硬件在环测试与快速仿真需求。文中提出一种双有源桥(DAB)型PET实时低耗等效建模算法。首先,深入挖掘了DAB高频链端口解耦模型的二值输入导纳特性,并从数值分析与物理意义两个层面进行了阐述。以此为基础,构建了具有N+1特性的PET高频链端口解耦模型。其次,提出了基于有限存储的低内存占用EMT解算方案、紧凑型低延时仿真框架、分组并行流水线计算硬件实现方案,降低了所提等效模型在实时仿真中对存储内存、计算时钟和硬件资源的需求。最后,在RT-LAB中完成了基于Verilog语言的250 ns实时低耗等效仿真模型开发,并进行了所建模型仿真精度和资源利用率测试。

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。

船舶电力电子变压器整流级新型直接功率自动控制

为了改善船舶电力电子变压器整流级的功率因数,提升船舶电力系统性能,确保其能够正常运行,提出一种船舶电力电子变压器整流级新型直接功率自动控制方法。构建船舶PET整流级等效电路及数学模型,在静止坐标系下,获取网侧电压、电流的正交虚拟分量,依据虚拟分量求取船舶PET整流级有功和无功分量。将直接功率控制思想与滑模变原理相结合,提出基于滑模变结构双闭环的新型直接功率控制方法,设计功率内环滑模控制器和电压外环滑模控制器,利用这2个控制器实现对船舶电力电子变压器整流级的自动控制。实验结果表明,该方法能够保证船舶电力系统保持稳定的运行状态,使船舶PET电压平稳输出。

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。

面向电力电子变压器应用的大容量高频变压器技术综述

作为电力电子变压器和隔离型DC-DC变换器的核心部件,大容量高频变压器关键技术直接影响整个电力电子装备的性能。文中首先梳理和归纳大容量高频变压器的应用场景、应用实例、基本要求和发展目标。进而从磁芯材料、结构设计、散热设计和绝缘设计等4方面调研并分析了相关的国内外研究情况,并从中归纳总结大容量高频变压器设计亟待解决的关键问题。最后,对大容量高频变压器技术的发展现状和未来趋势进行阐述。

基于虚拟同步电机控制的电力电子变压器系统仿真与实验

本文提出了一种基于虚拟同步电机控制技术的电力电子变压器仿真系统,并针对其电压、功率的调控效果设计了仿真实验。该仿真系统由主电路和控制电路两大部分构成,使用高压和低压交流接口控制器。在构建仿真系统、设计仿真参数的基础上,分别开展了高压交流接口电压支撑仿真实验和频率支撑仿真实验,以及低压交流接口并联运行仿真实验。结果表明,本文设计的电力电子变压器仿真系统,在配电网电压幅值和频率波动时,可以快速完成调节,使电压幅值和频率重新回归正常;低压交流侧系统的有功和无功功率发生波动变化,会根据自身容量比例输出相应的功率,达到“功率均分”的效果,有助于保证配电网的稳定运行。

电力电子变压器在数据中心中的应用

数据中心是现代社会不可或缺的重要基础设施,其能耗问题也日益突出,如何在用能安全和能耗效率上找到平衡点,成为数据中心供电架构重点研究的方向。本文从典型数据中心供电架构出发,基于电力电子变压器的特性,设计了一种新型数据中心供电架构,以应对数据中心高安全需求和高能效之间的矛盾。

电力电子技术在变压器设计中的应用

为提高电力系统的效率和质量,研究了电力电子技术在变压器中的应用。首先,对电力电子变压器的工作原理进行分析;其次,设计基于电力电子技术的变压器,主要包括电压波动与闪变、机械型有载分接开关、有载调压装置、串并联纵向转换损耗(longitudinal conversion loss,LCL)回路控制等。最后,对设计的变压器装备进行应用分析,结果表明在变压器设计中使用电力电子技术,能够提高电力系统的运行效率和用户用电体验。

多端口电力电子变压器的安全稳定运行区域分析与控制探讨

在电力系统进一步创新和改进的背景下,电力电子变压器因为优势极高而得到了普遍应用。其中,多端口电力电子变压器是一种新型的电力变压器,从变电站和电力系统中对其的重视程度特别高。不过从多端口电力电子变压器实际应用现状来看,也有着各项难点,安全稳定性有待进一步提升。文章中主要论述了多端口电力电子变压器的安全稳定运行区域分析和控制。

基于IGCT-Plus和中频隔离的大容量直流变压器

具有万伏级以上电压隔离和兆瓦级以上直流能量变换能力的大容量直流变压器(high-power dc transformer,HDCT),是实现高/中/低压直流系统互联、构建直流电网的核心基础装备。文中提出基于IGCT-Plus器件和中频隔离的HDCT技术方案,给出IGCT-HDCT拓扑结构,分析换流特性,提出实现软开通和准软关断的换流方法,可大幅降低开关损耗。在此基础上,对功率器件和变压器损耗进行系统分析,针对基于中频隔离的高压大容量直流变压器,提出的IGCT方案相比,Si C和IGBT方案具有更低的损耗。文中给出MW级IGCT-HDCT功率模块的设计方法,研制工程样机,并对子模块的大电流关断和大功率运行状态进行系统性的测试,验证IGCT-HDCT方案的正确性和有效性。

柔性变电站用500kVA电力电子变压器研制

柔性变电站作为电力电子技术与变电站相结合的新一代交直流配电网,支持电网合环运行和双向潮流控制,灵活接入新能源和交直流负荷,有效提高清洁能源消纳水平。电力电子变压器(PET)作为柔性变电站的枢纽,实现多端口电压变换和能量精准调控。为满足实际工程中柔性变电站低压交直流负荷供电以及分布式电源消纳功能,此处研制了柔性变电站用500kVAPET,分别从系统结构、装置功能、控制电路、控制算法、通信架构等方面进行设计,最后给出了现场实验结果。结果表明,设计装置控制性能稳定,运行逻辑完备,满足柔性变电站工程运行技术要求。

基于大数据的大容量电力电子系统可靠性研究

随着电力电子技术在新能源、高速机车、直流输电等大容量电力变换领域的广泛应用,其可靠性问题成为学术界和工业界的研究热点。基于因果模型的可靠性分析方法虽然在研究早期提供了原理层面的阐述,但在多物理场强耦合的复杂工况中的应用价值较低,而基于数据模型的可靠性研究方法尚处于初级阶段。该文提出将大数据处理技术应用于大容量电力电子系统可靠性研究的新思路,充分借助电力变换装置的海量历史运行数据,引入机器学习、数据挖掘和人工智能等大数据科学的最新理论成果,从数据泛在关系出发开展可靠性研究。论文详细阐述电力电子系统的大数据特征,并总结电力电子系统大数据应用中的若干关键技术。此外,论文从器件–装置–系统等多个层面深入分析大数据处理技术在大容量电力电子系统可靠性研究领域的潜在应用。大数据基本理论和方法的应用将提供一种通过数据关系间接理解原理本质的研究方法论的思维转变,有望为电力电子系统的可靠性研究开辟新途径。

大容量电力电子器件结温提取原理综述及展望

电力生产、传输和消费方式的变革对大容量电力电子装备的可靠性提出了更高的要求。温度诱发的器件失效是电力电子系统失效的主要原因。因此,对器件结温的精确提取是大功率电力变换装备的寿命预测、健康管理和可靠性评估的基础。该文概述大容量电力电子器件结温提取原理和相关技术的最新进展,梳理现有器件结温检测技术的分类方法和主要特点,特别是对热敏感电参数提取方法的工作原理、典型特征进行总结和归纳,并从线性度、灵敏度、泛化度等指标对结温提取方法进行初步评估。在此基础上展望大容量电力电子器件结温提取的未来研究方向。

大容量电力电子系统电磁瞬态分析技术及应用

电磁瞬态过程是大容量电力电子系统设计与分析的关键所在。该文从电磁能量变换、瞬态换流回路及系统可靠性的角度提出大容量电力电子变换系统电磁瞬态分析与控制技术;分析大功率器件瞬态建模与应用特性、杂散参数的提取及影响、不同时间尺度的电磁脉冲过渡过程、系统瞬态能量平衡关系等问题;分析器件与装置、集中参数与分布参数、控制与主回路之间的定量关系;阐述系统安全工作区、瞬态换流拓扑、主电路脉冲调制、能量平衡控制等分析和控制方法。应用结果表明:采用所提出的分析与控制技术进行设计可以显著提升大容量电力电子装置的性能及可靠性。

大容量电力电子装备关键器件及系统可靠性综合分析与评估方法综述

大容量电力电子装备的可靠性综合分析与评估方法对装备的优化设计至关重要,而其核心问题仍未被解决。通过对器件的物理失效机理分析,可以获得不同关键器件的不同失效模式,建立多物理场耦合下的可靠性研究的理论基础,更为准确地针对具体器件、系统、物理场以及不同时间尺度展开可靠性量化评估。介绍了电力半导体器件、电容器和装备相关的可靠性研究现状,分析了器件失效物理机理、可靠性分析方法,总结了现有研究存在的问题,提出了相应的解决方案,展望了大容量电力电子装备可靠性的未来研究方向。

应用电力电子模块化组件的高压大容量变流器的设计

由电力电子模块化组件构成的变流器是实现分布式电力系统的各个组网之间接口功能的理想解决方案,而模块化标准化的软、硬件设计是其关键技术难点。针对该技术难点,系统地总结了各种模块化变流器的拓扑,设计了一种适用于高压大容量场合的三电平H桥结构的电力电子模块化组件,其构建的变流器可完成高压直流输配电的相关能量接口功能。同时提出了与该组件相匹配的标准化分布式分层控制器结构,使得该组件和控制器具备较大的灵活性。最后利用组件构建了MW级变流器实验样机,进行了带载实验。实验结果表明,稳态满载实验输出电压纹波<3.5%,动态加减载实验中电压波动<14%,恢复时间<13 ms。因此该设计组件和相关的分层控制器能够构建大容量变流器并实现其相关功能。

磁集成三端口电力电子变压器的改进控制方法

针对现有多端口电力电子变压器磁性元件体积大、功率变换单元多、成本高的问题,提出基于磁集成的三端口拓扑及控制策略。将传统拓扑的6个桥臂电感和大量的高频变压器集成为3个集成变压器,从而减小磁性元件体积。在变压器副边绕组接1个三相桥即可构建低压直流端口,极大地减少功率变换单元数目。利用桥臂电压的直流、工频和高频分量分别控制中压直流、中压交流和低压直流端口功率,实现多端口功率调控。为提高中压直流端口电能质量,将桥臂电压的高频分量设计为三相对称的六阶梯波,使其激发的电流分量在三相回路中相互抵消,从而实现中压直流端口高频电流纹波消除。最后,建立了4 MW仿真模型进行验证,结果证明了所提拓扑和控制策略的有效性。