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。

微波瑞利散射法测定空气电火花激波等离子体射流的时变电子密度

大气压空气电火花激波等离子体射流的电子密度在亚微秒时间尺度上瞬变,其电子密度的测定很难.基于微波瑞利散射原理,本文测量了空气电火花冲击波流注放电等离子体射流的时变电子密度.实验结果表明:测量系统的标定参数A为1.04 × 105 V·Ω·m–2;空气流注放电等离子体射流的电子密度与等离子体射流的半径和长度有关,结合高速放电影像展示的等离子体射流的等效半径和等效长度,测定的电子密度在1020 m–3的量级,且随时间先快速增长至峰值再成指数衰减.此外,本文还探讨了等离子体射流的不同等效尺度对测定结果的影响;分析结果表明,采用时变等效半径和时变等效长度的计算结果最有效,且第1个快速波峰是由光电离的电离波导致的.

基于UIS测试的Si/SiC级联器件雪崩特性分析

与机械式断路器相比,使用半导体功率器件构成的直流固态断路器在响应时间方面有较大的优势。由低压硅金属—氧化物—半导体场效应晶体管(Si MOSFET)和高压碳化硅结型场效应晶体管(SiC JFET)构成的Si/SiC级联型器件具有优异的开断特性。半导体功率器件可靠性一直是直流固态断路器所关注的焦点问题,非箝位感性负载开关(unclamped inductive switching,UIS)测试是评估半导体功率器件可靠性的重要方法。文中通过实验和仿真的方式分析了Si/SiC级联器件在非箝位感性负载开关过程的雪崩特性。首先,通过增加器件导通时间得到了不同负载电流下的雪崩特性,结果表明,随着导通时间的增加,Si/SiC级联器件在雪崩期间出现了雪崩电压下降的异常特性。随后,通过分立式Si/SiC级联器件进行UIS测试,发现异常特性是由于SiC JFET在雪崩期间出现导通而形成的。最后,通过Si/SiC级联器件的三维电—热耦合仿真,结果表明雪崩期间SiC JFET芯片栅极铝金属层和键合线温度升高,导致SiC JFET栅极等效电阻增加,最终使得SiC JFET在雪崩期间出现导通。

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。

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。

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。

一种优化的光伏全局最大功率点追踪方法

当前的光伏最大功率点追踪技术存在以下不足:在局部阴影工况下,易陷入局部功率峰值;在负载波动时,系统容易出现振荡甚至失稳。针对上述问题,提出一种自适应的光伏全局最大功率点追踪设计方案。该方案将光伏输出端电压-功率扫描电路与Zeta斩波电路有机结合,通过单开关管的简单电路拓扑,既可实现光伏输出端电压−功率特性快速扫描,定位全局最大功率点位置,又能根据后级电路需要,实现升降压斩波直流调节。在光照等输入或负载发生突变后,所述系统均能进行开关管占空比自适应调整,确保稳定工作在全局最大功率点附近,避免出现大幅振荡与失稳。经过PSCAD-EMTCD仿真与样机实验验证,结果表明该方案能在包括局部阴影等各种复杂工况下自适应地快速追踪与锁定当前光伏全局最大功率点。

单开关高增益Boost-Sepic集成变换器

将Boost变换器与Sepic变换器进行有机结合,提出一类Boost-Sepic(BSIC)集成拓扑结构,该结构既扩展了电压增益,又降低了开关管的电压应力,同时保留了两种基本变换器输入电流连续的特点。该文首先把Boost环节与Sepic环节在输入端共用一个输入电感和一个开关,然后将Boost环节与Sepic环节的输出端进行串联,构成基本集成变换器拓扑(BSIC)。在此基础上,将耦合电感的匝比引入到集成变换器电压增益的函数中,进一步提高了变换器的电压增益,减小了开关管电压应力,有利于优化整体效率。给出了集成变换器的推演步骤,详细分析了基于耦合电感的CI-BSIC集成变换器的工作原理,讨论了电路参数对其稳态性能的影响。最后,通过一台数字式实验样机验证了理论分析的正确性和有效性。

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。

一种无变压器无漏电流的集成升压光伏逆变器

针对分布式低压光伏发电系统,提出一种单相无变压器无漏电流集成升压光伏逆变器。该逆变器通过复用Boost功率器件,将Boost直流变换器和传统桥式逆变器融合在一起,通过统一调制可同时实现将直流侧电压源升压和逆变的功能。另外,该逆变器的结构具有直流输入侧的负端与交流输出侧的中性点直接相连的特征,使得光伏阵列对地寄生电容的电压为常量,有效抑制了对地漏电流的产生,从而提高光伏发电的可靠性及发电效率。详细分析集成升压逆变器的工作原理,给出开关管的统一调制方法,推导电压增益的表达式。最后,通过一台实验样机进行实验验证,实验结果验证了理论分析的正确性。

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。

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。

无线电能传输系统三线圈谐振结构的效率分析

从谐振线圈结构的角度分析无线电能传输(WPT)系统的传输效率,提出了一种高效率的三线圈结构WPT系统。应用电路理论,分析和比较了二线圈和三线圈结构的谐振线圈的传输效率。理论分析表明三线圈结构的谐振线圈在较远传输距离情况下传输效率大于二线圈结构。实验结果表明:在传输距离为14 cm时,三线圈结构的谐振线圈传输效率能达到81%,是二线圈结构的1.9倍;在传输距离为18 cm的情况下,三线圈结构的传输效率能达到60.3%,是二线圈结构的2.7倍;当传输距离达到22 cm时,三线圈结构的传输效率为32%,是二线圈结构的4.7倍。实验验证了理论分析的正确性。

柔性基体光纤光栅脉搏波传感器特性

针对强电磁干扰环境下,压电、光电类脉搏波传感器易受干扰的缺点,提出一种柔性材料封装的光纤布拉格光栅脉搏波传感器,用于测量人体桡动脉脉搏信号。首先使用comsol有限元仿真软件,探究最优的封装厚度和光纤在基材中的位置。根据仿真结果,结合应变传递效果和传感器的灵活性,优化选择传感器厚度为5 mm,光纤封装在距离基体下表面1 mm处。以此制作了柔性光纤布拉格光栅脉搏波传感器,对十名测试者的人体桡动脉脉搏进行采集,采用改进的阈值小波方法去噪,去噪后的信号能很好的保留脉搏波信号的特征点,信噪比均达到了40以上,且峰值点、潮波点和重搏波点识别率分别达到100%,100%和90%。本文设计的柔性基体FBG脉搏波传感器能有效获取及识别脉搏波信号,为进一步的应用提供了理论基础及应用支撑。

一种基于S-LCC拓扑的双负载无线电能传输系统

在无线电能传输系统中,多负载的输出受到越来越多的关注,尤其是与负载无关的独立输出。在此处提出了一种基于S-LCC电路拓扑结构的双类型输出,可以同时实现负载端的一端恒压输出,另一端恒流输出。此拓扑结构与多线圈结构相比,节省了磁耦合线圈和补偿元器件,所提出的双类型输出可视为各自独立的输出端口,可独立调节,无需复杂的解耦条件,大大简化了参数的设计。此处详细分析了S-LCC拓扑结构的电路模型、工作原理,搭建了115 V的恒压输出和4 A的恒流输出样机,验证了所提拓扑结构的可行性。