两桥臂交叉解耦不平衡控制策略研究

由于非不平衡控制策略中没有考虑线电压和相电流的相角差,造成三相电网的有功、无功电流无法完全补偿。为了解决这一问题,根据电压电流相角差,推导出单相补偿器中无功参考补偿电流与负载电流的关系,提出一种两桥臂交叉解耦不平衡控制策略,利用多变量滤波器和交叉解耦双复系数滤波器优化锁相环,精确锁定三相不平衡电网的电压频率和相位,对2个单相背靠背变换器的无功电流分别控制,进而利用两桥臂变换器补偿三相不平衡无功。实验结果验证了所提两桥臂交叉解耦不平衡控制策略,可抑制三相有功不平衡及补偿三相不平衡无功,将三相电流的不平衡度从150.0%降低至2.6%,三相电网功率因数从0.257提升至0.997,减少了三相无功补偿器的开关管个数。

基于五桥臂MMC-UPQC的复合模型预测控制研究

针对模块化多电平统一电能质量调节器(modular multilevel unified power quality conditioner, MMC-UPQC)六桥臂结构下的单相桥臂故障问题,提出了一种五桥臂拓扑,这种新型拓扑可实现故障情况下的电能质量补偿。首先,对MMC-UPQC串并联侧的数学模型进行分析,提出了一种复合模型预测控制(hybrid model predictive control,H-MPC),所提控制方法结合了有限集模型预测控制(finite-control-set model predictive control, FCS-MPC)以及快速模型预测控制(fast model predictive control, F-MPC)。然后,通过构建两侧独立的价值函数减少了控制方法的计算量,同时也实现了五桥臂解耦控制。最后,相比传统线性(例如PI)和非线性(例如无源控制passivity-based control,PBC)的控制策略,所提复合模型预测控制在电压补偿、负序电压抑制以及谐波电流补偿等方面具有一定优势,并在一定程度上避免了复杂的参数整定及坐标变化环节。仿真实验结果证明了所提控制方法的可行性和优越性。

基于三次谐波注入的桥臂交替换流器子模块电容优化方法

桥臂交替换流器(AAC)具有子模块数目少和电容小等优点,在交直流系统功率互联和柔性直流输电中具备广阔应用前景。针对AAC存在的固定调制度运行缺陷和工程应用子模块电容经济性问题,提出了一种基于三次谐波注入的AAC子模块电容优化方法和闭环控制策略。文中首先介绍了AAC的拓扑结构和运行原理,根据换流器能量平衡方程给出注入三次谐波后AAC的宽调制度运行条件,并设计了AAC的闭环控制策略;然后,基于子模块电压波动数学模型,建立了AAC的能量波动方程,能够精确生成不同调制度和功率因数角下的能量波动模型,定量分析了注入三次谐波后能够降低的能量波动峰值和子模块电容优化率,所提出的子模块电容优化方法和闭环控制策略在实现AAC宽调制度稳定运行的同时,注入的三次谐波不改变AAC能量平衡条件,最高能够降低AAC子模块电容大小为传统控制方式下的12.1%;最后,在电磁暂态仿真软件和StarSim半实物平台中搭建模型,验证了所提分析方法和控制策略的有效性。

基于桥臂等效电容的全桥子模块型MMC快速仿真方法

MMC(模块化多电平换流器)包含了大量的开关元件,给电磁暂态仿真带来了很大的计算负担。针对该问题,提出了一种基于桥臂等效电容的全桥子模块型MMC快速仿真方法。提出了正常工作、闭锁和全状态的桥臂等效电路建模方法,开发了一种精确仿真全桥MMC电磁暂态响应的仿真模型。在PSCAD/EMTDC平台搭建了两端MMC直流电网测试系统验证其可行性,同时将模型和戴维南等效模型进行对比,结果验证了所提全桥子模块型MMC快速仿真方法的精确性和快速性。

基于三相四桥臂电机系统架构的车载锂电池自加热系统

为解决锂电池在低温环境下输出功率降低与放电容量衰减的问题,提出了一种基于三相四桥臂电机系统架构的车载锂电池自加热系统,通过加热电池使其脱离低温状态。在逆变器中引入第四桥臂,并与车载驱动电机三相星型绕组中性点连接,形成三相四桥臂电机系统架构。结合上述电机系统架构,建立电池、电机系统及电池自加热系统等效数学模型。分析电池发热机理及开关频率对电池温升速率的影响,并结合零序电压矢量设计高频电流滞环控制策略。实验结果证明,该系统能够实现锂电池在低温环境下的快速自加热功能,脱离低温状态。

具备直流短路故障阻断能力的子模块桥臂复用型模块化多电平固态变压器

模块化多电平换流器的固态变压器(modular multilevel converter based solid state transformer,MMC-SST)由于具备多电压等级、多电压形态的端口,在交直流混合配电网中得到广泛关注。传统的输入串联输出并联(inputseriesoutput parallel,ISOP)型MMC-SST具有较高的功率密度,但是在中压直流(medium voltage DC,MVDC)端口短路故障情况下无法持续向低压侧供电;双向有源全桥变换器(dualactive bridge,DAB)型MMC-SST则存在功率密度低、成本高等问题,并且传统的半桥结构的DAB型MMC-SST在MVDC端口短路故障情况下同样无法持续向低压侧供电。文章提出了一种子模块桥臂复用(arm integrated submodule,AISM)型MMC-SST拓扑,在不改变MMC-SST端口电气特性的情况下,在有效减少开关器件数量的同时,还使得SST具备中压直流端口短路故障下的不间断运行能力,进而提升SST的功率密度和供电可靠性。针对文中提出的AISM型MMCSST拓扑,该文还提出了一种针对输入级MMC的混频调制方法,基于共模、差模解耦原理,实现输入级MMC桥臂电压的高频分量和低频分量的解耦。通过理论分析与仿真模拟,验证了所提拓扑及控制方法的可行性。

基于桥臂调制波调整的多端柔直系统直流过电压抑制策略

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的多端柔性直流输电系统能够实现多电源供电和多落点受电,运行方式灵活,是解决清洁能源并网和消纳问题的有效技术手段。然而当系统受端交流侧发生故障时将出现盈余功率,导致直流过电压问题。对此,提出一种基于桥臂调制波动态调整的多端柔直系统直流过电压抑制策略。所提策略通过在换流阀桥臂调制波中引入直流电压偏差控制,动态调整暂态期间桥臂调制波的直流电压参考值,从而减少桥臂投入的子模块数量,最终达到抑制直流过电压的目的。为验证所提控制策略的有效性,在PSCAD/EMTDC中搭建了送端光水打捆经四端柔性直流输电的外送系统,给出了所提控制策略的参数设计方法。通过设置受端交流系统不同工况,对比研究了所提控制策略投入后的系统直流过电压特性,结果表明所提控制策略可以有效抑制因受端交流侧故障引起的多端柔性直流输电系统的直流过电压。

桥臂电抗器的噪声测试与分析

近年来随着电力系统的快速发展,电抗器产品的需求越来越多,同时电抗器运行所产生的噪声污染越来越受人们的关注,分析电抗器设备噪音来源、制定噪音估算方法及研究电抗器设备的降噪措施也成了电气科研者的工作重点。本文针对柔性直流输电所用的桥臂电抗器的噪声问题,通过现场测试、选取样点采用Matlab分析了桥臂电抗器的噪声频谱特性,并在厂内进行了噪声试验,发现低处噪声情况确实更为明显,故在电抗器下部采取降噪措施很有必要,最后从桥臂电抗器本体角度提出了相应的降噪措施,包括在电抗器设计过程中注意使电抗器固有频率远离电磁力频率、加装防护罩、采用防松螺母等。

离网型三相四桥臂逆变器在不平衡负载下的控制策略研究

针对离网工况下带不平衡负载时引起的波动,利用三相四桥臂拓扑结构在不平衡系统应用中的优势,结合虚拟同步机控制策略,采用基于全通滤波器的正负序分离方法进行控制。针对真实输出的有功功率对功频调节器产生波动及多逆变器并联时功率均分及环流抑制效果较差的问题,引入虚拟阻抗,改进了基于正负序分离的虚拟同步机并联预同步控制策略。结果表明,所提控制策略器能够在负载不平衡的情况下维持输出电压的平衡,提高了功率均分精度,使环流得到抑制,增强离网条件下的运行性能。

一种具备直流故障阻断能力的混合型桥臂拓扑

为使模块化多电平换流器具有直接阻断故障电流的能力,提出一种由钳位双电容子模块与半桥子模块混合的模块化多电平换流器桥臂拓扑设计方案。首先,介绍了钳位双电容子模块的结构和运行特性,进一步提出混合型桥臂拓扑的桥臂设计方案;其次,考虑成本及损耗,对钳位双电容子模块与混合型桥臂设计方案的经济性进行了对比分析;最后,在MATLAB仿真平台上构建柔性直流输电模型,验证了所提混合型桥臂设计方案的可行性。

基于MPC的五桥臂双电机公共桥臂电流抑制方法

基于模型预测控制的五桥臂逆变器存在公共桥臂电流过大的问题,以五桥臂逆变器下的双永磁同步电机系统为研究对象,在模型预测控制策略的基础上对公共桥臂电流抑制方法展开研究。结合五桥臂双永磁同步电机系统的拓扑结构以及模型预测控制策略的算法架构,探讨了公共桥臂对应的两相电流相位差对其电流的影响,将基于转子磁链角度差的公共桥臂电流抑制方法应用于模型预测控制策略中,并对电流抑制效果进行实验验证和量化评估。实验结果表明,在均衡负载以及不均衡负载情况下,基于模型预测控制策略的公共桥臂电流抑制算法均能够实现较好的电流抑制效果。

柔性直流输电系统的桥臂功率解析

该文从能量传递角度对柔性直流输电系统故障进行解析,提出了基于换流阀桥臂功率的柔性直流输电系统故障解析方法与新思路,为柔性直流输电系统交流故障、直流线路故障分析及瞬时能量平衡控制提供了解析基础和实用工具。首先,建立了交流系统故障等效电路,利用对称分量法推导在交流单相故障、双相短路故障以及三相短路故障下桥臂功率解析表达式,分析了交流故障下桥臂功率的变化特征;继而,从能量传递角度出发,建立了直流故障等效电路,推导了直流线路故障下桥臂功率解析表达式,分析了直流故障下桥臂功率的变化特征;最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了柔性直流输电系统,把解析结果与仿真结果进行了对比,验证了该文所提解析方法的准确性。

基于三相四桥臂变换器的开关磁阻电机系统开路故障容错控制研究

功率变换器故障是影响开关磁阻电机系统运行的主要问题之一,电机系统长期运行故障状态下可能会对整个系统造成不可逆的损伤。为此,该文提出一种适用于三相开关磁阻电机的容错控制策略,保证电机系统在开关管开路故障下可以容错运行。在健康状态下,开关磁阻电机系统为两相励磁运行模式,保证绕组利用率。在开关管开路故障时,使用第四桥臂在故障相上产生反向电流,开关磁阻电机系统调整为单相励磁模式,解决开关管开路故障时输出转矩缺相的问题。所提方法在使用较少冗余开关的基础上,提高了开关磁阻电机系统在开路障条件下的容错能力。仿真和实验结果验证了所提容错控制方法的有效性。

抑制SiC MOSFET桥臂串扰与栅源电压振荡的推挽式电容辅助电路分析及参数设计方法

碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管(SiC metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, SiC MOSFET)在高速开关中引起的桥臂串扰和栅极电压振荡严重制约了其开关速度。针对已提出的基于推挽式电容辅助电路(push-pull-capacitor auxiliary circuit, PPCAC)的SiC MOSFET驱动工作过程进行了进一步的分析。结合分析,将SiC MOSFET桥臂串扰以及漏源电压振荡引起的栅源电压振荡2个问题归一化,通过推挽电容充放电时刻以及桥臂串扰约束,提出了一种推挽电容参数设计方法。通过该设计方法,可使得PPCAC在抑制SiC MOSFET桥臂串扰与栅源电压振荡的基础上,改善其开通关断速度。实验结果验证了所提出设计的有效性。

一种应用于磁悬浮轴承的具有容错功能的多桥臂开关功放电路

功率放大器是磁悬浮轴承系统的重要组成部分,但其中的电力电子器件易发生故障,是整个系统中稳定性较为薄弱的环节。由于器件过压击穿、雪崩击穿、热击穿、器件破裂、焊接线破裂、焊接线浮起等问题,将会使功率放大器工作在非正常状态,轻则影响系统性能,增加其他器件的电压和电流应力;重则会使系统陷入崩溃。该文针对五相六桥臂开关功放的开路故障,提出一种具有容错功能的多桥臂开关功放拓扑,并给出相应的容错控制策略。首先分析容错功放拓扑的工作原理,然后基于电流差值变化的特点给出判断开路故障的方法,并通过相应的容错控制策略,实现冗余桥臂对故障桥臂的替换,以达到故障不停机的目的。最后,仿真与实验结果显示,该容错拓扑能够实现每相电流在发生开路故障后快速恢复控制,证明该容错拓扑的安全性和可行性。

桥臂电抗器的振动噪声分析与控制

桥臂电抗器受到交变电磁力作用而处于振动状态,产生的噪声引起了不可忽视的环境干扰问题。针对该问题,根据关键参数计算结果建立了桥臂电抗器的电磁-振动-声多场耦合模型,分析了桥臂电抗器主要振动频率特性和噪声辐射方向效应,研究了交直流复合工况和边界吸声系数对噪声的影响规律。结果表明:噪声分布的方向性主要由固有频率振型决定,直流与交流分量的相互作用将影响噪声分布的主要方向;提升周围边界吸声系数可以降低声压级水平。进一步获得了加隔音装置后电抗器的声场仿真结果,利用正交试验和方差分析研究了隔音装置参数对声压级水平和材料用量的影响程度,构建了基于Kriging代理模型的隔音装置多目标优化模型。优化后结构的降噪效果显著,其中声压级水平下降15.2%,隔音装置材料用量减少8.9%。

基于四桥臂拓扑的开绕组永磁同步电机预测电流控制策略研究

开绕组永磁同步电机四桥臂控制系统相比常规的开绕组同步电机双逆变器控制系统,在保证直流母线电压利用率一样的条件下,可以显著降低成本。为了抑制共母线开绕组永磁同步电机四桥臂控制系统的零序电流,在传统的模型预测电流控制的基础上,提出基于三维空间快速选择最佳电压矢量和基于无差拍预测电流控制的零序电流抑制方法。对共直流母线四桥臂系统的数学模型及αβ平面的电压矢量分布进行分析;采用模型预测电流算法进行控制;建立abc坐标系下的空间电压矢量分布系统,并分析几何空间关系,提出选择最优电压矢量的方法,效率得到提升,同时零序电流也得到了有效抑制;建立0轴电压预测方程,并采用中矢量调制方法,提出基于无差拍预测电流控制的零序电流抑制策略,不仅抑制了零序电流,而且不需要复杂的价值函数计算,大大减少了计算量。该控制方法能够显著提升系统的动态和稳态性能。仿真验证了该控制方法的正确性和有效性。

不平衡负载下四桥臂逆变器的积分滑模控制

为了解决逆变器在不平衡负载下三相输出电压不对称的问题,提出一种基于矢量控制的积分型滑模控制器。首先推导四桥臂逆变器在dq0旋转坐标系下的数学模型;基于此模型设计积分滑模控制器,对逆变器系统中参数变化敏感性较低,并采用李雅普诺夫函数稳定性理论验证系统的稳定性。仿真结果表明:逆变器在不平衡负载下能够输出对称的三相电压;当系统参数摄动或负载突变情况下,系统表现出良好的动态特性和较强的鲁棒性。

模块化多电平换流器的新型桥臂故障容错控制方法

模块化多电平换流器(MMC)被广泛应用于中高功率的输配电场景中,相比传统换流器,MMC可以在桥臂故障的情况下保持容错运行,提高了供电可靠性.尽管已经有相当多的关于MMC的容错运行控制方面的研究,但当三相MMC的一个桥臂发生严重故障而必须被旁路时,其控制方法还没有相关研究.为了解决这个问题,提出了一种新型桥臂故障容错控制方法,该方法通过对桥臂环流的直流分量和交流分量进行调节,实现了对除发生严重故障而被旁路桥臂以外的上下桥臂电容电压的独立控制.通过使用MATLAB/SIMULINK对连接到低压电网的三相MMC进行仿真,证实了所提出的容错方法的可行性和有效性.

基于子模块桥臂能量平衡的线间直流潮流控制器

随着直流电网技术发展,直流电网的潮流控制需求逐渐突出。在总结线间直流潮流调控原理的基础上,文中提出一种基于子模块桥臂能量平衡原理的线间直流潮流控制器,所提拓扑无须引入环流通路和交流滤波电路,可减少投资成本,避免交流环流的效率问题。首先,讨论并分析了线间直流潮流控制器的拓扑原理。然后,介绍了基于子模块桥臂能量平衡的拓扑结构和工作原理,并研究了参数设计方法;设计了电流、电压运行波形,并给出了所提拓扑的控制方法;同时,将所提拓扑与环流能量平衡型及电容耦合型拓扑进行了器件电流应力、数量和导通损耗的对比。最后,通过四端环形直流电网仿真验证了所提线间直流潮流控制器的功能。