基于可控移相器合环装置的配电网建模与仿真研究

随着产业升级和人民生活水平的不断提高,电力用户对供电可靠性要求越来越高,配电网合环不停电转供成为研究热点。但随着负荷的增加,电网在实际运行中较难满足合环条件,有必要研究新的合环控制装置技术。提出了一种基于可控移相器(Thyristor Controlled Phase Shifting Transformer,TCPST)的灵活控制装置,能满足合环线路两侧电压幅值、相位差较大时的合环转供需求。首先分析了可控移相器合环控制装置的拓扑的结构和工作原理。在此基础上,推导了幅相可控移相器的数学模型。最后基于10 kV配电网合环应用场景,在PSCAD环境中进行了仿真,验证了所提出的可控移相器合环控制装置的正确性和有效性。

基于加载线型的平面太赫兹移相器设计

移相器是相控阵系统中的重要组成器件,随着频率的增加,金属的趋肤深度及波导表面粗糙度对器件的影响不可忽略,会使移相器的损耗增加。对此,提出一种基于加载线型的平面太赫兹移相器。将2个枝节并联在微带线上,在并联枝节上加载开关二极管,调节两段枝节的电长度得到所需的移相量;控制开关的导通和断开,实现不同的移相角度。仿真结果表明,在192~210 GHz频带范围内,导通和断开的反射系数都小于-10 dB,插入损耗小于0.5 dB,移相误差小于5°,其中在5 GHz带宽范围内,移相误差小于1°。提出的平面型移相器,加工容易,成本低,便于系统集成化,在太赫兹相控阵系统中具有广泛的应用前景。

基于DP83640的秒脉冲移相器设计与实现

使用DP83640 IEEE 1588精密时间协议(PTP)收发芯片设计实现了一款秒脉冲精密移相器,它能与外部的标准秒脉冲(1 PPS)进行同步并进行精密相位微调,可应用于高精度相位微跃器。秒脉冲移相器采用DP83640芯片进行级联实现秒脉冲精密移相:利用ARM微处理器控制第二级DP83640实现与外部标准秒脉冲的相位粗调,控制第一级DP83640实现相位微调。相位调整时将外部输入的相位偏移量换算为8 ns整周期倍数的相位粗调值,以及不同时间长度档位的相位微调值,分别写入第二级和第一级DP83640共同实现高精度相位微跃。由于硬件电路特性和器件综合噪声的影响,经测试平均相位微跃准确度可以达到0.1 fs。

一种基于GaAs pHEMT工艺的18~40 GHz六位高精度数控移相器

基于0.15μm GaAs pHEMT工艺研制了一款工作频率为18~40 GHz的高精度六位数控移相器芯片。其中5.625°、11.25°和22.5°移相位采用了改进型的串并联电容移相结构,该结构可通过增加串联电感改善移相精度;45°和90°移相位采用了磁耦合全通网络型移相结构;180°移相位使用了基于串并联谐振结构的改进型移相器电路,拓展了移相器带宽,提高了移相精度。移相器芯片的实际加工面积为2.8 mm×1.4 mm。芯片的测试结果表明,在18~40 GHz频率范围内,移相精度均方根误差小于2.3°,移相寄生调幅均方根误差小于0.7 dB,全态损耗小于13.5 dB,全态输入、输出驻波分别小于1.7、1.9。

基于新型移相器的配电网重构双层优化

分布式电源的高渗透率接入,会导致重构过程中合解环安全形势更加严峻,合环电流有可能无法满足配电网要求。而新型移相器可以同时进行幅值和相位的调整,是有效解决合解环问题的重要手段。因此,提出一种在合环线路间装设新型移相器的方法,并设计了配电网重构的双层优化模型。该模型在上层进行配电网重构降低系统网络损耗,下层则以合环冲击电流加权和最小为目标优化合解环顺序。算例证明了所提的配电网重构策略,在降低电网损耗的同时,能够极大降低合环电流,提升合环操作的安全裕度。

基于缺陷地慢波传输线结构的液晶移相器设计

为了实现低插损、大相位覆盖范围的加载缺陷地结构(DGS)的微带线液晶移相器,利用HFSS仿真软件对DGS微带线液晶移相器进行建模和仿真,通过改变DGS的形状来改变单个移相单元的色散特性,提升单个单元的移相能力,从而减少移相单元的使用数量,降低移相器传输线整体插损。以哑铃型DGS的液晶微带线移相器作为参考标准,比较了5种形状的DGS(哑铃型、减少DGS面积、一阶分形、三角形、交叉型)的移相能力和插损差异。仿真结果表明:下一阶分形和交叉型DGS微带线液晶移相器移相能力较好,最后对不同介电常数的移相器进行仿具观察其S参数和移相能力,进一步验证了这一结果。

HFO_(2)铁电体薄膜移相器设计

移相器作为阵列天线的关键部件,用来调整阵列天线中各个天线单元之间的相位差,从而实现波束的扫描。基于传输线周期性加载可变电容理论,设计了一款工作于K波段的HFO_(2)铁电薄膜移相器。为了实现低插损和紧凑型,该移相器采用HFO_(2)铁电体薄膜材料,相比传统的BST材料,其有着更大的调谐率、厚度更薄且损耗角正切更低,容易集成,同时结合共面波导叉指电容结构设计,该移相器有非常紧凑的尺寸。通过改变HFO_(2)铁电材料的介电常数从而实现电容的变化,进而实现相位的调控。仿真结果表明,通过加入直流偏置电压改变铁电体薄膜的介电常数,该移相器在22 GHz频点的移相量为80°,最大插损为-2.5 dB,回波损耗优于-10 dB。

电力移相器技术

电力移相器是一种电网潮流控制装置,其将输电线路电压变换后,作为补偿电压串联注入线路,在线路送、受端之间实现附加的电压相位改变,从而灵活控制线路输送功率。移相器造价低、占地小、运维简易、控制灵活。

电力移相器工程

2023年7月28日,我国首个输电移相器工程——扬州平安变示范工程正式投运。项目研制了世界首台分体式移相潮流控制器,额定电压115 kV,额定容量110 MV·A,结构容量15 MV·A,移相角度±8°,潮流调节能力±64 MW,可提升供电和新能源消纳能力10万kW,约占城区电网供电能力的16%,保障了扬州宝应地区供电安全。

76~81 GHz高精度CMOS有源移相器设计

为了实现低成本、高性能的毫米波汽车雷达,基于TSMC 40 nm CMOS工艺,设计了一款高精度低噪声系数的有源矢量合成移相器,其频率范围为76~81 GHz,移相步进为5.625°。采用了一种RC-RL两级多相滤波结构,在产生稳定的四路正交信号的同时,不会增加过多的插入损耗;在多相滤波器之前添加了放大单元电路,提高了整个电路的增益,并且降低了噪声系数;设计了数模转换器(DAC),对矢量合成模块的尾电流进行控制,进而实现高精度的移相。由于相位分辨率由DAC的分辨率所决定,因此该移相器的控制分辨率不会影响其尺寸和插入损耗。为了实现电路的性能,合理地选择了参数模型和拓扑结构,并且优化了版图布局。后仿真结果表明,在76~81 GHz范围内,RMS移相误差<2.1°,平均增益>1.7 dB,RMS增益波动<0.5 dB,噪声系数<9.5 dB,功耗为15.7 mW,1 dB增益压缩点>-7 dBm。该有源移相器具有高精度、低成本、低功耗等特点,与传统有源移相器相比,具有更低的噪声系数与更大的增益。

一种K频段4通道高精度有源移相器

基于130 nm双极型晶体管与互补金属氧化物半导体(Bipolar and Complementary Metal Oxide Semiconductor,BiCMOS)工艺,采用矢量合成架构的高精度移相器架构,提出了一款满足5G与民用卫星通信应用需求的K频段4通道高精度有源移相器。在移相器输入端和输出端,为了实现单端信号与差分信号的互相转换,同时为信号链路提供一定的增益,采用了有源巴伦结构。为了以更小的芯片面积实现差分信号到4路I/Q正交信号的转换,采用了折叠朗格耦合器;为了实现高精度的相位调节控制,采用了有源矢量合成器。芯片实测结果表明,在18~22 GHz的带宽内,各通道小信号增益在-3~-2 dB之间,增益平坦度小于1 dB,在-45℃~85℃之间增益波动小于3.5 dB,6位移相器移相误差均方根(Root Mean Square,RMS)小于2.5°。芯片尺寸为2.68 mm×2.5 mm。

Ka波段CMOS有源矢量合成移相器

本文基于65 nm硅基互补金属氧化物半导体工艺设计了一款Ka波段有源矢量合成移相器。该电路由正交耦合器、单端转差分信号的巴伦、可变增益放大器、信号合成网络组成。基于集总LC等效模型的正交发生器能够实现紧凑尺寸并获得高精度正交信号;可变增益放大器采用数字控制的共源共栅架构,能够实现精准的幅度调节,并提高输入输出之间的隔离度。实测结果表明,该移相器可在25 GHz~32 GHz频带范围内实现360°移相,相位步进5.625°,均方根(RMS)相位误差小于3°,寄生调幅RMS小于1 dB,电路面积为800μm×400μm,功耗11 mW。

10~18 GHz高精度单片数控移相器设计

设计了一款10~18 GHz高精度单片6 bit数控移相器芯片,采用的电路结构融合了全通滤波器(APF)、高通滤波器(HPF)和低通滤波器(LPF)型移相结构。采用多个全通滤波器级联的移相结构可以在宽带内实现精准的相位偏移量,但电路结构比较复杂。该设计通过两种方式改进级联全通滤波器型移相结构,一是采用全通-高通网络替代全通网络,二是采用低通网络替代全通网络,可以在保持高移相精度的同时减少电路元件数量,缩小芯片尺寸。使用0.25μm GaAs PHEMT工艺制造移相器芯片,内部集成六位并行驱动器,芯片尺寸为2.7 mm×1.4 mm,测试得到10~18 GHz频段内移相精度(RMS)为2°。

一种基于天线-移相器-天线单元结构的双宽带线圆极化器

线圆极化转换器在卫星通信天线系统中可发挥重要作用,针对K/Ka频段卫星通信的需求,采用天线-移相器-天线(AFA)结构,通过独立设计双频带内接收和发射天线,提出了一款双频宽带线圆极化器。通过堆叠贴片的方式引入新的谐振点,从而拓展极化器的工作带宽。所设计的极化器单元尺寸为0.4λ_(K)×0.37λ_(K)×0.27λ_(K),可在K波段将入射x方向线极化波转换为右旋圆极化波,并在Ka波段将入射y方向线极化波转换为左旋圆极化波。实测结果表明:在保证入射角为0°~25°范围内,该极化器响应稳定,在K和Ka波段的工作带宽分别为9.8%(18.3~20.2 GHz)和7.8%(28.5~30.82 GHz)。

基于可调反射式移相器的相扫缝隙天线阵

本文设计了一种基于可调反射式移相器的一维相扫缝隙天线阵,天线单元采用单脊波导开缝的结构,使用脊波导大大减小了天线单元宽边尺寸,使得天线单元排列的间距减小,增大扫描角度。通过调整各个缝隙偏移中心的距离使得天线在水平面方向上的副瓣降低。天线的馈电部分包括可调反射式移相器和同轴功分网络,同轴功分网络将天线单元组成阵列来提高增益,通过可调反射式移相器控制天线单元之间的端口相位差实现天线阵列在E面的波束扫描。仿真结果表明,所设计的一维相扫缝隙天线阵,在26.8 GHz-27.2 GHz频段内回波损耗优于-15 dB,增益大于26.6 dBi,H面的副瓣水平优于-20 dB,E面波束扫描能达到±45°,方向图稳定。

基于GaAs pHEMT工艺的宽带6位数字移相器MMIC

基于0.15μm GaAs pHEMT (pseudomorphic High Electron Mobility Transistor)工艺,研制了一款6位数字移相器微波单片集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC).该移相器由六个基本移相位级联组成,工作频带为10~18 GHz,步进值为5.625°,移相范围为0~360°,具有64个移相态.根据最优拓扑选择理论,5.625°,11.25°,22.5°移相位采用桥T型结构,降低了移相器的插损及面积;采用开关型高低通滤波器结构实现45°,90°,180°移相位,提高了大移相位的移相精度,并有效降低了寄生调幅.实测结果表明:64态移相寄生调幅均方根误差小于0.6 dB,移相输入输出回波损耗低于-11 dB,移相均方根误差小于4.2°,基态插入损耗低于8.6 dB.芯片尺寸为3.35 mm×1.40 mm.该数字移相器具有宽频带、高移相精度、尺寸小的特点,主要用于微波相控阵T/R组件、无线通信等领域.

一种E面波导枝节加载型移相器

文中介绍了一种E面波导枝节加载型移相器的设计和制造。该移相器为F波段45°固定移相器,主通道采用三阶E面短路波导枝节加载结构。为了方便测试和未来应用,研制了F波段E面波导90°相移电桥功分器,一路为参考通道,另一路加载45°移相器的移相主通道。对功分器的两通路进行了对比测试,测试结果表明两通道在100~110 GHz频段内,相位差45°±2°,差损值低于0.4 dB。

基于慢波半模基片集成波导的等长等宽小型化移相器

针对基片集成波导移相器小型化、高性能的需求,本文提出了基于慢波半模基片集成波导(Slow-Wave Half-Mode Substrate Integrated Waveguide,SW-HMSIW)的等长等宽小型化移相器.该SW-HMSIW上层金属表面由微带折线单元周期性加载构成,提高了SW-HMSIW的等效介电常数和磁导率,从而降低了SW-HMSIW的截止频率和相速度,实现了慢波效应并获得尺寸的减小.此外,可以通过调节微带折线单元横向和纵向的尺寸,灵活调节SW-HMSIW的相速度和截止频率.基于这一原则,本文设计实现了SW-HMSIW等长等宽小型化移相器,同时它具有较宽的工作带宽.测试结果表明,所设计的移相器在8.7~14.2 GHz内实现了90°±4°的相移量,相对带宽为48%,回波损耗优于12 dB,具有良好的传输性能和移相效果,并且具有小型化和等长等宽结构特点,适用于在大规模阵列天线的应用.

X波段宽带数控移相器180°移相单元的设计

基于0.25μm GaAs pHEMT工艺,设计出一种应用于X波段宽带数控移相器的180°移相单元。该设计采用SPDT开关和五阶高通-低通滤波拓扑结构,通过改进SPDT开关、提升滤波器的阶数和改变180°移相单元的切换方式改善电路的插入损耗和相位平坦度,消除由前32个相位产生的相位累积误差。仿真结果表明,180°移相单元插入损耗为2.42~2.67 dB,相移范围为179°~182°,输入输出电压驻波比小于1.15,在同样的结构下,本设计可实现更优异的性能和更紧凑的芯片面积。

一种S频段反射型可调模拟移相器的设计

设计了一种应用于S频段卫星通信相控阵系统的反射型可调模拟移相器。该移相器利用三分支线定向耦合器扩展了带宽,改善了工作频段内驻波;采用传输线和变容二极管构成的L型反射负载扩大了相移量。测试结果表明,在上行频段1.98~2.01 GHz内,相移量达到191°±1°,在下行频段2.17~2.2 GHz内,相移量达到186°±0.1°;插入损耗优于3.3 dB且插入损耗波动小于1 dB,回波损耗在整个电压调谐范围内均大于20 dB。该移相器结构简单、便于调节且价格低廉,在卫星通信领域有一定的应用价值。