电力电子变压器研究现状及工程应用

电力电子变压器近年来随着现代大功率半导体器件与磁性材料的迅速发展而被深入研究,它具备良好的控制特性,有利于电网的稳定和不同地区电网的互联,是建设智能电网的关键设备之一。主要对电力电子变压器的拓扑结构进行了归纳和分类,分析了不同结构的特点,并结合智能电网建设,介绍了其新型拓扑结构的工程应用,为其进一步研究和改进提供了参考。

预测直接功率控制中的数字延迟分析及补偿策略研究

电力电子变换器采用数字控制时,由于A-D转换、零阶保持以及PWM更新等延时因素会影响系统性能,严重时甚至使系统振荡不稳定。本文以PWM整流器为应用对象,研究采用基于SVM的预测无差拍直接功率控制时各个延迟因素对控制性能的影响,提出相应的补偿策略。研究表明,对控制性能影响较大的主要包括电网电压延迟、电网电流延迟和PWM输出电压延迟三个因素。详细分析和推导了电网电压和电流延迟的原因,提出采用下一时刻的预测电压和电流值进行控制的补偿方法。针对PWM输出延迟,分析和推导了零阶保持器和PWM更新机制对输出电压幅值和相位的影响,得到了解析的补偿公式。通过仿真和实验详细分析了三种延时及相应补偿策略对减小功率脉动、抑制电流谐波和消除稳态误差的影响,结果证明了所提补偿策略的正确性和有效性。

直接功率控制中的矢量表理论和实验研究

基于矢量表的直接功率控制由于其结构简单、动态响应快、参数鲁棒性好和无需电流内环整定等优点而得到了国内外学者的广泛关注。开关矢量表的建立是直接功率控制中的核心研究内容,目前文献中已经出现了各种各样的矢量表,但在扇区划分和矢量选择上并不统一,对矢量表建立的内部机理也阐述的比较模糊。因此,有必要对矢量表的建立机理进行详细的分析,研究众多矢量表方案的联系和区别并对它们各自的性能进行比较。本文采用数学推导和几何图示的方法对直接功率控制中矢量表建立的机理进行了详细研究,分析得出了六种可行的矢量表,其中三种已经在现有文献中有报道,而另外三种尚未见诸文献。本文以六种矢量表中两种矢量表为例进行了仿真和实验研究,二者均可实现有功和无功的解耦控制,而且具有相似的动态响应,但稳态性能有所差异。仿真和实验结果验证了本文的矢量表建立理论的有效性。

双馈电机直接功率控制方法比较及实验研究

传统的单矢量直接功率控制SDPC(single-vector-based direct power control)以其结构简单和动态响应快等优点在双馈电机DFIG(doubly-fed induction generator)并网发电控制中得到了广泛研究,但同时具有高采样频率、变开关频率和稳态脉动大等缺点。在传统矢量表直接功率控制的基础上,将占空比优化的思想引入双馈电机直接功率控制中,深入研究了双矢量直接功率控制,以期在取得较快动态响应的同时,减低稳态功率脉动。最后搭建了实验平台对3种直接功率控制方法的动静态性能进行了实验验证和比较,为实际应用中控制算法的选择提供了理论和实验依据。

基于空间矢量调制的感应电机无速度传感器模型预测磁链控制

传统的模型预测控制(MPC)以电磁转矩和定子磁链的幅值为控制变量,在目标函数中需要设计一个权重系数,而目前尚无完善的理论来设计该权重系数,多采用试凑的方法得到,从而限制了MPC在实际工业中的应用。通过解析推导感应电机的内部关系,将定子磁链幅值与转矩的控制转换为对一个等效定子磁链矢量的控制,提出了模型预测磁链控制(MPFC)的解决方案,从而避开了传统MPC中权重系数设计困难的难题,降低了算法复杂度。为提高感应电机控制系统的实用性,将MPFC与速度自适应全阶观测器相结合实现了无速度传感器运行,进一步采用空间矢量调制(SVM)来得到驱动脉冲,提高了电机的稳态性能和低速带载能力。在两电平感应电机仿真与实验平台上进行了验证,结果表明该文提出的感应电机无速度传感器MPFC在宽速范围内具有良好的动静态性能。

基于双矢量模型预测直接功率控制的双馈电机并网及发电

模型预测直接功率控制(MPDPC)以其原理简单、动态响应快和控制目标灵活等优点在并网变换器控制中得到了广泛关注。它利用系统模型来预测下一时刻的有功功率和无功功率,通过枚举比较得到使给定功率和反馈功率之间误差最小的电压矢量,相比传统的基于矢量表的直接功率控制具有更好的动态和稳态性能。为了进一步提高稳态性能并降低采样频率,提出一种基于双矢量的改进模型预测直接功率控制,即把一个控制周期分配给一个非零矢量和一个零矢量,通过优化非零矢量的作用时间来进一步减小功率脉动。通过合理安排矢量作用顺序甚至可以获得比传统MPDPC更低的开关频率而且稳态性能更好。在15 k W双馈风力发电系统上的仿真结果表明,相比传统MPDPC,所提出的双矢量MPDPC能够以更低的采样频率实现快速平滑的并网同步和灵活的有功、无功控制,并且开关频率更低,具有较大的实用价值。

交流电机模型预测控制策略发展概述

模型预测控制(model predictive control,MPC)早在20世纪80年代早期就已被提出,但由于当时控制器的硬件限制,未能引起重视。近年,随着微处理器运算性能的不断提升,模型预测控制逐渐引起广大学者的关注。由于具有滚动优化、反馈校正等诸多优点,模型预测控制已成为电力电子领域的研究热点,并在实际应用中得到不断发展和完善。该文回顾了模型测控制的发展历程,总结近年来关于权重系数设计、无速度传感器控制、过调制与弱磁控制技术以及图形边界限定策略等方面的研究成果,分析各类方法的特点;对模型预测控制未来的研究方向进行了展望。

基于单次电流采样的永磁同步电机无模型预测电流控制

传统的模型预测控制根据当前电流采样和电机数学模型来预测下一时刻的定子电流,对两电平逆变器需要进行7次预测才能得到使定子电流误差最小的电压矢量。其主要不足是对系统模型和电机参数的依赖性较强而且计算量大。本文在分析永磁同步电机电流预测模型的基础上,得到一种只需一次预测和比较即可选出最佳矢量的快速预测电流控制。进一步对其进行简化得到了一种不依赖于电机模型和参数的无模型预测电流控制。该方法在一个控制周期内仅需对定子电流进行单次采样,具有计算量小、鲁棒性好等优点并且动静态性能良好。本文从参数敏感性、稳态和动态性能等方面对快速预测电流控制和无模型预测电流控制进行了对比,仿真和实验结果验证了所提方法的有效性和正确性。

PWM整流器预测无差拍直接功率控制

针对PWM整流器采用直接功率控制时存在的稳态纹波大、采样率高和开关频率低等问题,结合占空比调制和无差拍控制的概念提出一种改进的直接功率控制方法。通过分析不同电压矢量对功率变化的影响,提出在每个控制周期内同时作用一个非零矢量和一个零矢量,其中非零矢量从传统的矢量表直接功率控制获得。该非零矢量的优化作用时间通过对有功功率实行预测无差拍控制而解析得到。搭建了两电平PWM整流器平台对传统直接功率控制和预测无差拍直接功率控制进行对比研究。仿真和实验结果表明,相比传统基于矢量表的直接功率控制,预测无差拍直接功率控制能够显著减小功率脉动和电流谐波,而且动态响应迅速,简单易实现,是一种性能优良的功率控制方法。

基于快速矢量选择的永磁同步电机模型预测控制

有限状态集模型预测控制(FCS-MPC)由于概念简单,易于处理系统约束以及具有优秀的多变量控制能力等优点,近年来在电力电子与电力传动领域的应用吸引了学术界和工业界的广泛关注。基于最小化目标函数的原则,传统FCS-MPC通过枚举法来选择最优电压矢量。由于枚举法需要对所有基本电压矢量作用下的系统动态行为进行预测,因此算法的计算量较大,严重限制了FCS-MPC的实用性。针对这些问题,提出一种改进的模型预测控制算法。通过深入分析矢量选择过程,改进的模型预测控制算法只需一次预测即可选出最优电压矢量,因而显著地降低了算法的复杂度和计算量。在两电平永磁电机实验台上的仿真和实验结果表明所提出的改进模型预测控制算法在较宽的速度范围内均具有良好的控制性能。

感应电机三矢量模型预测磁链控制

模型预测磁链控制(MPFC)是最近才被提出来的一种新型控制方法,能够很好地解决传统模型预测转矩控制(MPTC)中权重系数选择困难的问题,因此得到了广泛的关注,但是当整个控制周期中只作用一个电压矢量时,MPFC的稳态性能较差。为了提高MPFC的稳态性能,有一些学者提出了双矢量MPFC的概念。如果在一个控制周期当中作用3个电压矢量,MPFC的稳态性能可以进一步提高,但是也会带来一系列的问题,如:矢量选择复杂、计算量较大及开关频率高等,不利于MPFC在实际当中的应用。为了解决这些问题,本文提出一种简单实用的新型三矢量MPFC,为了降低逆变器的非线性对三矢量MPFC的影响,文中基于伏秒平衡的原理,又提出一种改进型三矢量MPFC。为了比较新型三矢量MPFC的性能,引入基于空间矢量脉宽调制的MPFC(MPFC_SVM)作为对比。最终通过仿真与实验验证了提出的新型三矢量MPFC的有效性,同时也详细地比较了以上三种控制方法在相同开关频率下的控制性能。

不平衡电网电压下的PWM整流器预测电流控制

传统的PWM整流器预测电流控制在理想电网下能够取得良好的动、静态性能,具有开关频率固定、动态响应快和谐波小等优点,但在不平衡电网下会带来电流畸变、功率脉动和直流母线电压波动等问题。基于一种新型瞬时功率理论提出在理想电网和不平衡电网下都能够获得良好性能的改进预测电流控制。该方法以得到正弦网侧电流、消除有功二倍频波动为控制目标,通过解析推导得到相应的电流参考值,然后基于电流无差拍原理得到下一时刻的电压参考值,进而用空间矢量调制来合成该参考电压矢量。相比现有基于传统瞬时功率理论和正负序分解的解决方案,所提出的改进预测电流控制无需复杂的正负序提取计算和功率补偿算法,能够有效抑制功率波动和电流谐波,具有较大的实用价值,其有效性通过仿真和实验得到验证。

不平衡电网下脉宽调制整流器模型预测直接功率控制

目前关于脉宽调制(PWM)整流器模型预测控制(MPC)的研究主要集中在平衡电网条件下进行,在电网不平衡时采用MPC进行控制的研究比较鲜见。为此,文中提出一种适用于电网不平衡下PWM整流器控制的模型预测直接功率控制(MPDPC),其控制目标是消除输入有功功率的二倍频脉动并保证网侧电流正弦。相比传统的MPC,该方案仅在原有功率参考值的基础上增加一个补偿值即可实现。该功率补偿值的获取无需坐标旋转变换和电网电压电流的正负序分解,具有原理简单、容易扩展和鲁棒性好等优点。仿真和实验结果验证了所提出的MPDPC在电网不平衡时的有效性和可行性。

带参数辨识功能的三电平变换器高效模型预测控制方法

三电平PWM变换器在工业领域尤其是中高压大功率场合得到了广泛应用。在实际运行中，受现场环境及温度等因素的影响，系统的参数可能会发生改变，从而影响控制效果。模型预测控制具有优秀的多目标优化控制能力以及灵活的约束处理能力，在三电平变换器控制领域得到了广泛重视和研究。现有的三电平PWM变换器模型预测控制方法在获得最优电压矢量时需要大量的计算并且依赖于精确的电感参数，存在计算量大和鲁棒性差等问题。针对以上问题，本文首先提出了一种改进的模型预测控制方法，极大地减小了系统选取最优电压矢量时的计算量，进一步通过引入基于递推最小二乘法的电感在线辨识算法，提高了系统的参数鲁棒性。仿真和实验结果表明，本文提出的简化模型预测控制算法具有良好的动静态性能以及参数鲁棒性。

电压型PWM整流器无模型预测电流控制

模型预测控制近年来在电压型PWM整流器上得到深入研究，具有原理简单、动态响应快、易于实现等优点，其不足之处是计算量大且需要精确的系统模型和系统参数。通过分析PWM整流器模型，结合预测控制算法与快速矢量选择，得到直接电流控制方法。该方法可通过一次预测计算和比较得到当前时刻使得控制效果最好的一个矢量，简化后得到无模型预测电流控制，其特点是每个控制周期内仅需对电网电流进行一次采样，不依赖于整流器模型和参数。该方法鲁棒性强且动态、稳态性能良好。本文从稳态、动态性能和鲁棒性等方面对直接电流控制和无模型预测电流控制进行了对比，实验结果证明了两种方法的正确性和有效性。

考虑延时补偿的永磁同步电机电流预测控制

传统的永磁同步电机控制方法采用磁场定向控制(FOC),电流内环采用PI调节器,但PI参数整定不当时容易出现超调和振荡,同时数字控制固有的采样、滤波延时等因素,也会影响电流内环的性能。因此,改善电流内环性能是人们研究高性能永磁同步电机的热点问题。近年来,预测控制逐渐应用在永磁同步电机上,但传统的预测控制需要精确的数学模型。为此,提出了一种永磁同步电机的电流预测控制方法,利用过去时刻的电压电流信息计算出反电动势,经过一拍延时补偿后,再将得到的反电动势代入模型预测中,从而消除反电动势项中参数误差的影响。这种方法不仅补偿了延时的影响,而且模型参数中仅用到了电阻和电感,增强了系统鲁棒性,其有效性通过实验得到了验证。

一种新型的交流电机离散电流调节器设计

本文提出一种离散域(z域)下设计交流电机电流调节器的方法,属于高性能交流电机控制领域。由于受到环路间存在交叉耦合项、控制器离散化处理时产生的误差及数字控制系统延迟等因素的影响,调节器的控制效果会产生劣化。本文将交流电机控制系统中的d、q轴电流环当作一个整体,在离散域建立交流电机的电流环数学模型,同时考虑数字控制系统的一拍延迟来直接设计离散域电流调节器。最后基于自动控制原理,推导出电流调节器参数设计的最大值与最优值。仿真和实验结果表明,采用优化设计的电流调节器后,d、q轴电流动态响应快且没有超调。

基于AN8026变频器高性能电源设计

本文介绍了变频器高性能电源设计,应用控制芯片AN8026设计变频器电源电路,并通过设计软件Altium Designer Summer09绘制PCB,制作调试样机,最后实验验证AN8026控制集成电路设计的软开关电源能够提高变频器电源效率,增加供电可靠性,进而提高了变频器的整体性能。

基于临界模态的DCM-LCC谐振变换器的归一化分析与设计

为了研究电感电流断续模态(DCM)下LCC串并联谐振变换器的增益特性,通过谐振回路增益和串并联谐振电容比两个参数,建立了不同工作模态下LCC谐振回路的归一化模型。通过引入能量守恒原理及临界电流模态(CRM),推导了一种基于临界模态的归一化谐振元件参数设计模型。该模型准确简单,简化了谐振参数的设计。根据推导结果得到不同工作模态下的LCC谐振回路的频率-增益特性曲线,便于对谐振回路的输出特性进行预判。最后以一台额定输出6 kW/6 kV的高压电源样机为例,详细给出了参数设计过程并进行实验验证,实验结果验证了所建立的谐振元件的归一化设计模型的准确性。谐振回路的增益特性曲线的计算、仿真及实验结果对应良好,证明了所述的谐振回路的频率-增益特性曲线的有效性。

一种低载波比下内埋式永磁同步电机离散龙贝格观测器

为了实现低载波比下内埋式永磁同步电机(IPMSM)无位置传感器控制,提出一种静止坐标系下离散域龙贝格观测器的设计方法。通过在静止坐标系建立基于扩展反电动势的离散域复矢量IPMSM模型,得到给定电压和检测电流之间精确的数学关系,并结合反电动势动态方程的精确离散形式构成全阶离散龙贝格观测器的数学模型。针对观测器包含虚轴极点的问题,采用离散域直线平移法设计反馈增益矩阵,保证观测器的稳定性和快速收敛性。在14kW永磁电机测试平台的实验结果验证该方法所设计的离散龙贝格观测器在低载波比条件下的可行性和有效性。