基于多端口网络理论的多负载WPT系统效率最大化研究

针对多负载无线电能传输系统效率的最大化问题,采用多端口网络理论分析并将系统效率最大化下的最优负载值问题转为求解广义特征值问题。首先,搭建单输入多输出多负载无线电能传输系统模型,结合端口网络理论和广义瑞利商深入研究系统最佳负载和最大效率之间的关系。在系统参数确定的前提下,通过对系统负载值进行设计,可以实现系统达到最高效率运行的状态,并应用对偶原理将理论成果推广至多负载电容式无线电能传输系统中;其次,采用遗传算法对多负载无线电能传输系统效率进行寻优,确定最佳负载值的正确性和可行性;最后,搭建了基于S-S拓扑的电感式无线电能传输系统实验平台,将单输入两输出、单输入三输出、单输入两不同、单输入三不同输出负载系统作为样本,仿真和实验数据对比验证了所提方法的正确性及最佳负载的可行性。

低压Si MOSFETs对SiC/Si级联器件短路特性的影响

由低压硅金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Silicon Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, Si MOSFET)和碳化硅结型场效应晶体管(Silicon Carbon Junction Field-Effect Transistor, SiC JFET)构成的SiC/Si级联(Cascode)器件,兼具了低压Si MOSFET易于驱动、SiC JFET高耐压低损耗等优点。该文采用实验和数值模拟的方式研究了低压Si MOSFET对SiC/Si级联器件短路特性的影响,结果表明,在短路过程中SiC/Si级联器件中的SiC JFET最高温度比单独的SiC JFET短路时的最高温度低,SiC/Si级联器件的短路失效时间得到了延长,并且随着Si MOSFET额定电压的增加,SiC/Si级联器件短路失效延长的时间也在增加。

光伏并网逆变器的直接预测控制策略及其DSP实现

逆变器是光伏并网发电系统的核心设备之一,本文提出了一种用于单相光伏并网逆变器的并网电流所需占空比预测控制策略。该方法是在逆变器状态方程的基础上,推导出实现单位功率因数并网运行的占空比控制函数,从而直接对光伏并网逆变器的输出电流进行控制。该方法的特点是把光伏电池输出的直流电压,电网电压引入占空比的计算中,能有效地防止光伏电池输出电压容易波动的影响,同时实现了电网电压的前馈。另外整个系统中不需设计常规并网逆变器控制策略中的PI控制器,使得控制结构简单,系统的动态响应快。仿真和实验结果证明了该方法的有效性和实用性。

基于Luenberger观测器的SVG三矢量预测直接功率控制研究

传统有限控制集模型预测控制(Finite Control Set Model Predictive Control,FCS-MPC)在一个控制周期输出单一的开关状态,在低采样频率下,控制精度不理想,且不固定的开关频率导致滤波器较难设计;三矢量预测电流控制(Three-vector Model Predictive Current Control,TV-MPCC)提高了控制精度且使开关频率固定;为提高静止无功发生器(Static Var Generator,SVG)的动态响应速度和抗干扰能力,降低网侧输入电流谐波含量,提出了一种基于Luenberger观测器的三矢量预测直接功率控制算法(Three-vector Model Predictive Direct Power Control,TV-MPDPC);该控制算法的内环采用三矢量预测直接功率控制,比FCS-MPC有更好的控制精度,比TV-MPCC具有更好的动态响应性能;同时,针对该控制策略对参数(特别是对并网电感的参数)依赖性高,提出了采用Luenberger观测器对由参数失配产生的干扰进行补偿,仿真结果验证了该算法的有效性和可行性。

基于定子电阻观测器的永磁同步电动机滑模变结构直接转矩控制研究

传统的永磁同步电动机直接转矩控制系统存在着转矩和磁链脉动大、低速运行时难以精确控制以及因转矩脉动引起的高频噪声等问题。为解决这些问题,通过定子电阻观测器,利用定子电流与参考定子电流之差来跟踪定子电阻的变化,实现定子电阻的实时估算;用转矩和磁链滑模变结构控制器来替代传统直接转矩控制中的滞环控制器。仿真结果表明,基于定子电阻观测器的永磁同步电动机滑模变结构直接转矩控制系统具有较小的转矩、磁链脉动和快速的动态响应性能。

基于虚拟阻抗的微电网改进下垂控制

为减小独立微电网系统输出无功均衡的误差,通过搭建微电网系统模型,提出将下垂控制和虚拟阻抗相结合的改进策略,并通过Matlab进行仿真验证.结果表明:在改进下垂控制后,微电网系统的均流效果明显改善,有功和无功功率的均衡性能有所提高.

遗传算法对三线圈无线电能传输系统参数优化

三线圈无线电能传输系统的传输效率和输出功率受线圈距离、线圈匝数、线圈尺寸以及工作频率的影响较大,而且同一三线圈系统中,系统的传输效率与输出功率无法同时达到最大值。为解决以上问题,文中以3个线圈的线圈匝数、中心匝边长、系统频率、发射线圈与中继线圈的距离以及中继线圈与接收线圈的距离作为优化变量,以效率与输出功率的乘积构建了目标函数。文中采用遗传算法求取效率与输出功率最优值的折中值,并对含有非线性约束条件的系统参数进行优化。最后,通过仿真和实验验证了优化结果的正确性。所设计的系统传输距离为37.39 cm,输出功率为151.37 W,系统效率为81.02%,满足实际应用要求。

LCC-LCC/S自切换恒流-恒压复合型无线电能传输系统

为了解决蓄电池充电过程中的恒流过充或恒压欠充问题,该文提出一种LCC-LCC/S自切换恒流-恒压复合型无线电能传输系统。通过副边电力开关切换,该系统不仅可实现恒流-恒压输出,且能有效应对蓄电池充电过程中的各种异常工况;另外,在充电完成负载移除时,该系统能自动进入低功耗待机状态。首先,给出LCC-LCC/S自切换复合拓扑,分析恒压-恒流及零相角(ZPA)特性;其次,分析恒流-恒压切换点并验证其最优性;然后,通过分析充电过程中出现的副边缺失、负载短路、负载断路等异常工况,系统能通过开关切换有效应对以上异常工作情况,并且充电完成负载移除后系统能自动进入低功耗待机状态;接着,通过与目前研究较多的S-SP拓扑的系统特性进行对比,突出了LCC-LCC/S拓扑的优势;最后,搭建仿真和实验平台,实现最大电流为5.03 A、最大电压为48.92 V的高效率输出,验证了所提理论的正确性。

12kV开关柜介电梯度支撑绝缘子优化设计与制造应用

介电梯度绝缘(dielectrically graded insulation,DGI)是一种具有非均匀介电参数分布的绝缘材料或结构,可对绝缘件中的局部电场集中现象得到显著抑制,提升绝缘强度和运行可靠性。目前DGI研究主要聚焦于实验室领域,DGI部件的现场应用落地仍然存在较大难度。文中针对某12 kV开关柜支柱绝缘子中的局部电场集中问题,采用拓扑优化技术进行介电梯度结构的构建,利用“3D打印—真空浇注”联合工艺实现DGI支撑绝缘子的制造,开展了绝缘子的性能试验和现场挂网试运行。结果表明,相比较于匀质绝缘子,介电梯度绝缘子内部和沿面电场降幅分别达到50.6%和56.1%,空气氛围中的局部放电起始电压提升17.5%,综合性能指标满足GB/T 11022—2020等相关标准要求。在上述研究的支撑上,自2021年11月以来开展了介电梯度绝缘的国内外首次挂网试运行,截至目前运行情况良好。

具有高增益、低输入电流纹波的Boost变换器研究

针对光伏、燃料电池等低压可再生能源发电系统,在传统Boost变换器基础上,利用耦合电感的原边替代基本Boost变换器中的独立电感,同时引入一个较小的辅助电感,提出一种单开关高增益、低输入电流纹波Boost变换器。耦合电感的使用,既增加了变换器的控制维度,又能在合适占空比条件下实现较高的电压增益;较小的输入电流纹波可以改善变换器对前端低压输入电源的电磁干扰;另外,该变换器中开关管的电压应力可以得到有效降低,有利于选取低电压等级、低导通电阻的高性能开关器件,以提高变换器的性能;详细分析了该变换器的工作原理及其稳态工作特性,并通过实验验证了理论分析的正确性与有效性。结果表明,所提变换器可以实现较高的电压增益和较小的输入电流纹波,具有实用价值。

SiC/SiO2界面态电荷对SiC MOSFET短路特性影响的研究

碳化硅/二氧化硅(SiC/SiO2)界面态电荷数量的减少有利于降低碳化硅金属-氧化物-半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)的通态电阻和开关损耗,然而沟道电流的提升会给遭遇短路故障的SiC MOSFET带来更大的电流应力.在传统的SiC MOSFET等效电路模型的基础上建立了SiC MOSFET的短路失效模型,该模型考虑了强电流应力下器件内的泄漏电流,并引入了包含界面态电荷的沟道载流子迁移率.利用该模型讨论了SiC/SiO2界面态电荷对SiC MOSFET短路特性的影响,结果显示界面态电荷的减少缩短了SiC MOSFET短路耐受时间.随后通过从失效电流中分离出不同产生机制下的泄漏电流分量,讨论了界面态电荷对SiC MOSFET短路特性影响的机理.

具有高增益的双相直流变换器设计

为了获得较高的电压增益,减小开关管的电压、电流应力,将2个中间储能电容与传统双相BOOST升压电路相结合,研究了一种具有高电压增益的新型双相BOOST电路拓扑。该电路具有以下明显的特点:在相同占空比的情况下能有效提高变换器升压增益,可实现更大的功率变换;主开关管和所增加二极管的电压应力只有输出电压的一半,因此对相同功率级的升压电路,不仅可以选择低耐压、高性能的开关器件,而且可以降低电路的损耗。详细分析了新型双相BOOST变换器的工作原理,制作了1台额定功率为1kW原理样机,通过实验验证了理论分析的正确性和可行性。结果表明,所提出的新型双相BOOST变换器性能优良,结构简单,具有实用价值。

新型余热控冷用旋流式冷却器的设计与应用

设计了一种新型旋流式冷却器并介绍了其在某钢厂螺纹钢控轧、控冷加工工艺中的应用情况,探讨了各工艺条件对螺纹钢最终组织、性能的影响。试验表明,该冷却器冷却能力约为常规直喷式冷却器的1.5倍,较常用湍流式冷却器冷却均匀,通过调节水流、水压等参数控冷,可改善螺纹钢的性能。

场效应晶体管短路失效的数值模型

为了分析碳化硅和硅两种材料的场效应晶体管的短路失效机理,利用半导体器件模拟软件建立了能够反映碳化硅场效应晶体管和硅场效应晶体管短路失效的数值模型。模型引入了自热效应模拟高电应力下晶体管内部温度变化及热传递过程,引入了福勒-诺德海姆(Fowler-Nordheim)隧穿和蒲尔-弗朗克(Poole-Frenkel)发射模拟氧化层的泄漏电流;短路实验结果验证了所建立的数值模型的准确性。通过对比两种晶体管数值模型在相同的短路条件下栅极驱动电压的变化、晶体管内电流线和温度的分布,结果表明,碳化硅场效应晶体管的短路失效主要是晶体管内的温度传递到表面引起金属电极的熔化以及栅极氧化层的严重退化,而硅场效应晶体管的短路失效是由于寄生双极型晶体管的导通导致其体内泄漏电流不可控而引起的灾难性的破坏。

宽范围全桥半桥切换LLC与移相全桥混合式拓扑

在传统的脉宽频率调制控制方式下,LLC的输入电压范围一般受制于工作频率,仅能在有限范围内进行调节,且频率偏移谐振点时,工作效率下降。本文提出一种全桥半桥切换的LLC与移相全桥混合式拓扑,所提出的混合拓扑根据输入电压大小能自由切换全桥和半桥两种工作模式,拓宽了输入电压范围。另外,因为工作在固定谐振频率上的LLC变换器不仅能使开关实现零电压开关,而且能使工作效率达到最高。副边采用倍压整流与不控整流串联,变换器通过移相全桥方式实现输出电压稳定控制。最后,设计了一个输入电压范围115~340V,输出电压48V,输出功率为153.6W,系统效率在86.5%~92%之间的试验样机,实验结果验证了所提出的LLC混合式拓扑能实现宽输入的应用要求。

大气压脉冲微波Ar/N_(2)等离子体射流的时空特性研究

在空气环境中,很难形成特定形貌的微波等离子体射流.本文构建了双气体通道同轴谐振放电装置,在空气环境中产生了脉冲微波Ar/N_(2)双层等离子体射流.实验测量了Ar/N_(2)等离子体射流电离发展的时空演变过程:(1)使用高速相机测量等离子体射流形貌的瞬态变化,发现电离的初始阶段和结束阶段存在光辐射增强的放电影像;(2)使用瑞利散射装置测量等离子体射流的电子密度,发现电子密度值达到10^(21)m^(-3)数量级,且在脉冲微波的上升沿和下降沿各有一次电离波峰;(3)使用单色仪测量特定波长段光谱的瞬态变化,追踪N_(2)^(+)谱线从首次出现到稳定发展、直至最后衰减消失的过程.结合实验测量结果和电磁仿真分析,发现脉冲微波的上升沿和下降沿各有一次增强电离过程,揭示了脉冲微波Ar/N_(2)双层等离子体射流的特殊放电形貌是时空局域增强电离致使.

半桥驱动的恒流恒压可重构的无线电能传输系统

锂电池在充电过程中充电电压变化范围大,其等效阻抗不断增加,会带来恒流过充以及恒压欠充问题,结合锂电池在快速充电过程中的动态特性,提出一种基于半桥驱动的恒流恒压可重构的S/LCC-LCC无线电能传输(WPT)系统。半桥驱动的WPT系统仅用一个切换开关进行拓扑重构即可实现系统输出特性的切换,具有所用元件少,重构拓扑简单等特性。首先,给出了基于S/LCC-LCC的拓扑重构原理;其次,分析了半桥驱动的重构拓扑的恒流恒压以及零相角特性;再次,给出了WPT系统的异常工况以及相应解决办法;最后,搭建了仿真和实验平台。验证性的WPT系统在恒流模式能输出恒定电流3.47 A,在恒压模式能输出恒定电压48.2 V。仿真与实验结果验证了所提方法的正确性。

大气压脉冲调制微波发卡氩等离子体射流的电离行为研究

大气压微波等离子体射流具有高密度、高活性的优点,但是难以调制出特定需求的等离子体射流形貌,从而限制了微波等离子体射流的应用范围.本文构建了脉冲微波发卡谐振放电装置,产生了大气压脉冲调制微波氩等离子体射流.实验表明,脉冲调制微波等离子体射流存在三种典型的放电形态:当脉冲频率为10 kHz时,氩等离子体射流呈现周期性变化,且在发卡的开口端形成了拱形的等离子体形貌;当脉冲频率为30 kHz时,氩等离子体射流呈现非周期性变化,等离子体形貌为月牙形;当脉冲频率为60 kHz时,氩等离子体射流呈现大尺度非周期性变化,此时形成了类椭圆形等离子体形貌.此外,微波瑞利散射实验测定了氩等离子体射流的时空电子演化过程,得出电子密度峰值为4.06×10^(21) m^(−3),电子数在10^(13)的量级且随入射功率呈周期性变化.结合实验和仿真结果,三种放电形态的形成机制可归因于局域增强电场的共振激发、微波等离子体射流中的电离波推进、脉冲调制微波氩等离子体中不同粒子的时空分布等共同作用.