不平衡条件下三相电压源变换器电路改进方案研究

电力电子变换器是电力系统中的重要组成部分,其中最常见的三相电压源变换器能够很好地在电网或者负载平衡的情况下实现功率传输,但是由于在实际情况下经常出现干扰,三相电网或者负载存在不平衡的情况,这导致直流侧二次纹波的出现并破坏了电路中的重要器件。文章首先针对不平衡电网电压介绍了几种近期仍在使用或者新提出来的电路改进方案,其次简要阐述了部分推导过程和其中含有的算法、主电路和控制电路结构的优势和弊端,最后对未来研究方向进行了展望。

Z源变换器

提出了一种新型的阻抗源功率变换器拓扑和它应用于DC/AC、AC/DC、AC/AC、DC/DC功率变换时的控制方法。阻抗源变换器提供了一个独特的阻抗网络(或电路),将变换器主电路和电源耦合在一起,可以得到传统的电压源和电流源变换器不能得到的独特特性,提供了一个新颖的功率变换概念,克服了传统的电压源和电流源变换器的不足。以应用于燃料电池逆变功率变换的阻抗源逆变器为例,分析了其工作原理和控制方法。仿真和实验结果证实了这些新的特点。

采用Z源变换器的小型风力并网逆变系统

基于Z源变换器的小型风力发电并网系统的工作特点及控制结构,不同于传统的电压型逆变器,Z源变换器引入特定的阻抗源网络将变换器主电路和电源耦合在一起,并且通过新增直通零矢量调制实现独特的直流升压功能,从而得到大范围变化的交流输出电压。经过对系统电路和要求的分析,文章对控制系统进行简单的设计。通过原有正弦波调制因子的控制,实现内环并网电流的单位功率因数运行和外环Z源电容电压的稳定;通过直通零矢量调制对发电机输出整流电流进行闭环控制,实现风力发电机的电能输出控制。最后,以2.5kWZ源变换器装置进行实验,实验结果验证了分析的正确性。

基于Z源变换器的电动汽车超级电容-电池混合储能系统

Z源变换器具有单级升压、降压、无死区、电压畸变小、可靠性高等优点,在电动汽车领域具有广阔的前景。提出一种基于Z源变换器的电动汽车超级电容-电池混合储能系统。该结构将储能与驱动系统相融合,减少了电池功率变换器,降低了损耗与成本。详细分析通过Z源变换器实现混合储能系统不同模式下功率分配的运行机理。此基础上提出功率分频协调控制策略以提高混合储能系统的响应速度并实现各模式的无缝切换。最后,为了避免短时尺度冲击电流对电池的影响,设计电池瞬态峰值电流估计方法。仿真与实验结果验证了所提出的混合储能系统及控制策略的有效性。

分布式供电系统中源变换器输出阻抗的研究

随着功率电子变换技术的发展,构建大型电力电子供电系统越来越多地采用模块集成的方式。美国海军提出的电力电子积木的概念对模块级的系统集成做出了很大贡献。该文提出一种新颖的系统集成的观点,即从系统级的高度将分布式供电系统中的源变换器的输出阻抗和负载变换器的输入阻抗作为标准化研究的对象。该文以分布式供电系统中常见的移相全桥DC-DC变换器为例,对输出阻抗进行了模型验证,并详细分析了输出阻抗的特点。为了便于将来制定出Buck类DC-DC模块的输出阻抗的标准,通过实验揭示了移相全桥DC-DC变换器的输出阻抗随功率等级、开关频率和控制方式变化时的规律。

基于多级注入式电流源变换器的STATCOM建模与控制

介绍一种新型的多级注入式电流源变换器,这种变换器主桥实现了零电流切换,消除开关损耗的同时降低了对吸收回路的要求,简化了变换器与交流系统的连接,在换向期间网侧不需要大容量的交流电容。建立了基于多级注入式电流源变换器的STATCOM的数学模型,对STATCOM的非线性数学模型进行局部线性化。通过分析给出了控制策略框图,利用PSCAD/EMTDC对所建模型进行仿真,结果表明,该结构的STATCOM具有良好的动态、稳态特性,并验证了所提出控制策略的可行性。

配电网电压源变换器事件驱动控制策略研究

配电网复杂环境下多变换器协同控制时,变换器之间必然存在计算延时、通信延时,极大的影响了控制性能和系统稳定性.针对这一问题,突破时间驱动控制的局限,为三相两电平电压源变换器设计事件驱动自适应反步控制策略.首先,针对含LCL滤波的三相两电平电压源变换器系统,建立包含系统扰动参数的系统模型,以提高控制算法自适应性能;其次,将该高阶系统划分为三个子系统,以递推的思路设计反步控制律;最后,针对变换器系统设计事件驱动机制,并设计事件驱动控制律.仿真结果表明,所提方法与传统静态解耦控制方法相比动态性能有较大提高,与时间驱动反步控制方法相比较,动态性能基本一致时,控制律更新计算次数减少50%以上.

电流源变换器直流链电流纹波抑制策略研究

电流源变换器直流链电感电流纹波是系统运行的重要性能指标之一。实际应用中可通过提高开关频率或增大电感值减小直流链纹波。然而,提高开关频率会引起系统开关损耗增加,增大电感值会导致系统体积增大、成本提高。为了解决上述问题,首先分析传统方案电流纹波的时域表达式,揭示传统方案存在的问题,然后提出一种基于优化开关矢量序列的新型控制方案,其效果是：在不增加开关频率和硬件的情况下,有效减小了直流链电流纹波。搭建TMS320F28335DSP＋XC3S400FPGA数字控制硬件实验平台,对提出方案进行实验研究,实验结果验证了提出方案的有效性。

单相电压源变换器减少开关次数调制算法的研究

作为基本的电力电子变换器,单相全桥结构两电平电压源变换器包括单相电压源逆变器、单相并网逆变器、单相电压源整流器和单相有源电力滤波器,具有广泛的应用场合。鉴于单相电压源变换器具有多解性,可以寻找一种减少开关次数的调制算法,以便降低开关损耗。本文根据三相电压源全桥结构两电平电压源变换器的最小开关次数调制算法,设计了一种适合单相全桥结构两电平电压源变换器的最少开关次数的调制算法,在理论分析的基础上,采用MATLAB/SIMULINK进行了仿真验证。

抑制无刷直流电动机转矩脉动的改进型Z源变换器

无刷直流电动机换相时存在转矩脉动的问题,影响了其在高精度领域中的应用。分析了转矩脉动产生的原因,提出了通过改进型的Z源变换器来调整母线电压进而抑制转矩脉动的方法。Z源变换器近年来常用于无刷直流电动机的控制,但其存在增益不够高的问题。针对该问题,提出了改进型的Z源变换器,通过增加一级电容电感网络,获得了比传统Z源变换器更高的增益,并用数学方程分析了所提出电路结构的特性。仿真结果表明:将所提出的Z源变换器用于无刷直流电动机控制中,能有效地改变直流母线电压,抑制了转矩脉动,并且在低速和高速不需改变电路结构,具有较好的普适性。

混合多电平变换器:一种新型高效的电压源变换器拓扑

本文提出了一种新型多电平电压源变换器拓扑。该拓扑是一种新型混合电路,它将有源功率开关(例如IGBT或者IGCT)的高开关性能和低损耗、高电压额定值的晶闸管结合起来。该混合多电平拓扑的主要优点在于:负载电流只流过工作单元的半导体。因而所有半导体仅仅在A C输出期间的某段特定时间是有源的,从而降低了传导损耗,获取了最大效率。本文以低压太阳能变换器和中压风力涡轮变换器为例,给出了损耗的计算结果。

多源变换器空间矢量调制方法

针对多源变换器构成的混合储能系统直流侧储能网络电压不平衡时引起的电流畸变问题,提出一种基于空间坐标分析的新型空间矢量调制方法。提出利用矢量空间坐标关系优化调制方法的扇区判断条件,解决现有正弦脉宽调制方法和空间矢量调制方法运算时间长,且无法全范围使用的问题。此外,对各电压矢量状态下变换器功率流动进行分析,结合不同矢量组对直流侧电流的影响,实现变换器对储能网络功率协调控制。为分析变换器直流侧功率协调特性,通过构建多源变换器稳态功率流动模型,给出多源变换器最佳工作区域,为系统控制策略优化提供目标。所提出的方法运算量小、鲁棒性高,仿真和实验结果都验证了所提出调制方法的正确性和可行性。

电压源变换器接入电网的小扰动稳定机理分析

研究了基于矢量控制的电压源变换器(VSC)接入电网的小扰动稳定问题。基于VSC接入无穷大系统的详细模型,针对不同控制模式,分别对平衡点的存在性、稳定性进行了分析,系统地总结了VSC小扰动失稳的不同机理。系统中发生鞍结点分岔会导致平衡点消失而失稳,且存在以下几种机理:输出电流过大会导致锁相环(PLL)失去平衡点,对应PLL失去同步,单独的PLL失去同步可能发生在切除外环控制、采用内环定电流控制的情况下;输出有功过大会导致功率外环失去平衡点,当无功外环采用定无功功率、定交流电压控制时,分别对应电网的静态电压、功角失稳,而且失稳后电流增大一般也会引发PLL失去同步。在平衡点存在的情况下,系统振荡模式中包含低频振荡模式和次同步振荡模式,系统也可能发生Hopf分岔而出现振荡失稳。低频振荡模式主要由外环控制主导,次同步振荡模式则由PLL、电流环和线路动态主导。平衡点的存在性不受VSC控制参数的影响,只受网络参数、VSC工况的影响,而平衡点的稳定性和VSC控制参数有关。

基于准Z源变换器的混合微电网及其协调控制

针对常规交直流混合微电网直流母线电压必须高于交流母线电压的问题,研究一种新型交直流混合微电网。直流母线和交流母线采用准Z源DC/AC双向变换器连接,利用Z源网络的升压功能降低直流母线的电压,实现了合理的电压匹配,适合于低压直流微电源和低压直流负载占主导的情况。Z源DC/AC变换器不需要插入死区时间,提高了微电网的可靠性。介绍了微电网的结构,建立了各部分的数学模型,给出并网和孤岛模式下的协调控制策略。最后利用仿真结果证明了新型微电网的可行性及其协调控制的有效性。

基于DSP三相电压源变换器SPLL设计与应用

准确的相位信息是三相电压源变换器稳定运行的重要条件。软件锁相环(SPLL)具有设计多样性、高抗干扰性等优点可快速得到电网电压的相位信息。本文以三相电压源型PWM变换器为对象,分析了SPLL工作原理,推导出SPLL线性化模型,分析设计SPLL控制器参数,并用DSP实现所设计SPLL。仿真及试验表明所设计SPLL良好应用于三相电压源型PWM整流装置。

感应电机用电流源变换器设计中的控制方法探索

文章介绍了供感应电机使用的电流源变换器的基本原理,阐述了不同工作模式下的换流方式和避免补偿电容引起谐振的方法,并给出了电机的电流电压波形。

一种抑制母线电压尖峰的软开关准Z源变换器

针对现有的准Z源拓扑母线高压尖峰和硬开关等问题,介绍了一种有效抑制母线高压尖峰的软开关准Z源变换器,该变换器具有高电压增益的特点。通过使用耦合单元代替原始电感,提高电压增益;增加1个二极管,使漏感能量传递至负载,提高拓扑效率。主开关管实现了软开关特性,并有效缓解了二极管的反向恢复问题。在理论分析的基础上,制作了1 kW的样机。实验结果表明,其工作过程和最终效果与理论分析、仿真结果一致,性能稳定,效率良好。

分布式供电系统中源变换器输出阻抗的研究

分布式供电系统中,变换器的性能对系统的稳定运行有着较大影响,随着科技的不断发展,在分布式供电系统中应用模块集成的供电方式越来越常见,有研究学者提出了电子积木的概念,对模块集成系统的发展有着较大帮助。针对分布式供电系统中源变换器输出阻抗进行了研究,希望对相关工作者提供一定帮助,更加清楚的了解源变换器输出阻抗的特点以及标准,从而掌握源变换器输出阻抗变化的规律。

基于内模理论的电压源变换器直接功率控制

为提高电压源变换器瞬时功率跟踪精度,提出了一种内模无差拍预测直接功率控制方法。首先,对传统无差拍预测直接功率控制的数学模型进行分析,揭示了建模假设对瞬时功率跟踪精度产生影响的机理。然后,依据内模理论,在瞬时功率参考产生环节嵌入反映功率动力学特性的数学模型,提出了新的预测控制方案。最后,基于MATLAB软件进行了对比仿真研究,仿真结果表明与传统无差拍预测直接功率控制及其改进型相比,所提出的控制策略能实现瞬时功率的准确跟踪。

船舶电力系统中源变换器的控制策略

船舶综合电力系统采用集成化技术,在船舶内进行电能的产生、传输、转换和配给,并利用电能作为动力源实现舰船的航行和武器发射。现代舰船上的武器发射系统(如电磁炮、电化学动力炮)、舰载机弹射、回收、电气防护等瞬时功率可达数百兆瓦,对整个电力系统形成极大的冲击,影响供电系统的稳定性。为此,本文分析了恒功率负载和电压负载对舰船综合电力系统稳定性的影响,提出了一种适用于船舶综合电力系统源变换器的恒功率负载电压电流(U-I)单开关周期反馈控制方法,提高了船舶恒功率负载运行的稳定性。