面向中高压智能配电网的电力电子变压器研究

分析了电力电子变压器(power electronic transformer,PET)的国内外研究现状,以及面向中高压电网的已有PET拓扑的特点。在此基础上,基于模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC),提出了面向中高压智能配电网PET的一种新型拓扑。与传统的PET电路拓扑相比,新型拓扑的优势在于其可以减少电力电子开关器件的数量;更重要的是,可以显著减少高频变压器的数量,具有更好的体积及重量优势。同时,分析了该拓扑PET的工作机制及不同电能转换环节的控制策略设计方法。10 kV/380 V配电网用PET样机上的仿真及试验结果表明了所提拓扑及其控制策略的可行性。

电力电子变压器技术研究综述

随着智能电网、能源互联网等未来电网技术的快速发展,能实现变压、电气隔离、功率调节与控制、可再生能源接入等多种功能的电力电子变压器（也称为固态变压器、智能变压器等）,相关理论和技术的研究得到了越来越广泛的关注。但是,从总体而言,PET的大规模推广应用还有诸多问题需要解决。该文在分析PET发展历史的基础上,对PET涉及的关键技术,尤其是PET的电路拓扑、控制保护技术、高频变压器优化设计技术、功率电路紧凑化设计技术、高压宽禁带半导体在PET中的应用等进行了梳理和总结。最后对PET发展存在的关键制约因素以及发展的趋势进行了总结和展望。

中压配电网用10kVac-750Vdc/1MVA电力电子变压器功率密度影响因素研究

对面向10k V配电网的电力电子变压器(PET/SST)来说,其主要功能是在完成高低压侧电气隔离的前提下实现对电能/电功率的双向流动控制。为了提高功率密度,目前10k V配电网用PET/SST主要通过高频电力电子变换器+高频变压器的方案实现。本文结合研制的10k Vac-750Vdc/1MVA电力电子变压器样机实测数据,详细分析了影响中压配电网PET/SST功率密度的多种因素,指出了影响PET/SST功率密度提高的关键瓶颈问题——功率模块数量多是限制PET/SST功率密度提高的主要因素。而通过提高高频变压器工作频率的方法难以显著提高10k V配电网用PET/SST的功率密度。

一种高频链模块化电力电子变压器

电力电子变压器(PET)包含多级电能变换环节和大量元器件,制约了其效率、功率密度和可靠性的提升。基于模块化多电平矩阵变换器(M3C)的应用,本文提出一种高频链模块化PET电路拓扑。采用矩阵变换的方式可减少电能变换环节,并且所提拓扑可减少高频变压器与子模块的数量,具有体积和重量优势。针对该PET,分析了其工作特性与控制策略设计方法。仿真试验结果表明了所提拓扑及控制方法的可行性。

纳秒脉冲火花放电高效转化甲烷的实验研究

火花放电是一种气体温度介于电弧放电和介质阻挡放电(DBD)之间的放电形式,具有设备简单、成本较低、转化率高和能量利用效率高等优点,是存在工业化潜力的甲烷高效转化技术。纳秒脉冲放电具有窄脉宽和上升沿,能够提高火花放电等离子体的不平衡程度,降低气体温度,进一步提高甲烷转化能量利用效率。本文研究纳秒脉冲甲烷放电的放电特性和产物分布,实验结果表明在输入能量为170kJ/mol的条件下,甲烷转化率可达60%、氢气选择性和产率分别为44.4%和26.6%、乙炔选择性和产率分别为28.8%和16.8%、总能量利用效率为33.9%、氢气能量利用效率为23%。获得了350～700nm的甲烷等离子发射光谱(OES),包括Ha、Hb、Hg 氢原子等Balmer谱线和CH、C^+、C_2等谱线,并利用Ha 的Stark展宽效应估算了电子密度约为1017cm-3量级。利用ICCD和单色仪获得了电子密度和CH、C_2发射光谱演变过程,实验结果表明电子密度随时间逐渐减少;C+几乎仅在外加脉冲时存在,CH仅在外加脉冲结束后出现,说明C+主要是由电子碰撞产生的,而C+在放电结束后与H发生反应生成CH,CH进一步复合生成C_2H2。

基于电力电子变压器的新型贯通式同相供电变流器

本文在对同相供电系统分类研究的基础上提出了一种基于单相-单相电力电子变压器(PET)的新型贯通式同相供电变流器电路拓扑。相对于传统的基于工频变压器的同相供电变流器方案,该拓扑可以取消工频变压器,并大幅减少低频滤波电感数量;相对于模块化多电平变流器(MMC)的方案,所提出的拓扑所需储能电容和低频滤波电感数量均可减少60%以上,而功率半导体数量几乎不变,可显著提升系统功率密度,降低系统造价。此外,当单台PET故障时系统可继续降额运行,而非系统全部停运,可靠性高。本文分析了所提出拓扑的工作原理并设计了控制策略。在所搭建的基于单相-单相PET的20MV·A贯通式牵引同相供电变流器模型上的仿真结果验证了该拓扑的正确性和有效性。

高速磁浮牵引控制系统半实物实验研究

针对高速磁悬浮列车使用的长定子直线同步电机的高性能牵引控制,提出了一种双端供电下的牵引控制策略,包含位置环、速度环、电流环的控制方法,并且重点分析了电缆长度和信号传输延时对于控制性能的影响,在分析的基础上提出了对应的补偿办法。基于硬件在环的高速磁浮交通半实物实时仿真平台,通过实验验证了控制策略和补偿算法有效性,在此仿真平台上可以实现从0到500公里时速的高速磁浮牵引控制。

级联H桥型电力电子变压器隔离级高频电流波动抑制策略

串联谐振型双有源桥变换器(DABSRC)由于具有控制简单及软开关范围宽的特点,可用在级联H桥型电力电子变压器隔离级DC-DC电能变换环节中。考虑电力电子变压器各相单元存在二倍电网工频瞬时功率波动,导致隔离级DABSRC高频电流幅值呈现相同波动,且过大波动将会增加隔离级开关器件导通损耗和电流应力。为解决该问题,文中以优化高频电流有效值为目标,提出一种零序电压注入控制策略,通过在交流侧级联H桥变换器中注入零序电压,降低了隔离级DABSRC开关器件电流应力。最后,利用苏州同里10 kV交流/750 V直流3 MVA级联H桥型电力电子变压器工程示范样机进行验证,仿真及样机测试结果证明了控制方法的有效性。

串联谐振间接矩阵型电力电子变压器高频电流特性分析及开关频率设计

串联谐振间接矩阵型电力电子变压器(PET)通过高频开关并减小直流电容容值可实现高功率密度。然而,小直流电容会改变谐振回路等效电容,并影响高频谐振电流特性,进而影响零电流软开关(ZCS)的实现。该文建立小直流电容下串联谐振间接矩阵型PET等效电路,推导高频电流时域解析表达式,并对ZCS条件下的开关频率进行设计,揭示直流电容和死区时间对开关频率的影响规律。仿真和实验结果验证了该文理论分析的正确性。

绝缘材料二次电子发射系数的测量及其影响因素研究进展

固体绝缘材料的二次电子发射现象会导致介质表面的电子倍增及电荷积累进而产生放电造成器件的失效,准确测量固体绝缘材料的二次电子发射系数对于指导材料选型、评价材料性能具有重要的意义。文中对比了绝缘与金属材料在二次电子产生、输运和发射过程的差异,总结了现有的绝缘材料二次电子发射系数测量手段,分析了初级电子能量、束流、入射角度、材料表面状态及样品表面电荷积累对二次电子发射特性的影响。初级电子在绝缘材料中的平均自由行程远大于二次电子,所以初级电子激发的内二次电子只有很少一部分能够逃逸为二次电子。绝缘材料的二次电子发射系数测量中,样品表面很容易积聚电荷,积累的电荷从改变初级电子能量和出射二次电子能量两个方面影响样品的二次电子发射,最终会达到一个出射和入射动态平衡的带电状态。绝缘样品表面积聚电荷的中和是二次电子测量的难点,目前大多采用加热法和电子束辐照法,不能定量的消除累积电荷。目前绝缘材料二次电子发射特性测量装置性能不一,可重复性差,如何全面消除样品电荷累积对于提高测量装置的精度和可重复性具有重要意义。

单相电力电子变压器中串联谐振型双有源桥电流特性分析

三级式电力电子变压器(PET)因其良好的控制特性,受到了广泛关注和应用。三级式PET由输入级、隔离级和输出级构成,各级之间通过储能电容相连。由于功率半导体器件的耐压水平有限,一般此类PET由多个功率模块级联构成。各功率模块的中间环节通常采用串联谐振型双有源桥(DAB)变换器来实现不同直流电压等级之间的电能变换与电气隔离。本文在考虑PET交流输入侧、直流输出侧瞬时功率分布规律的基础上,建立了单相PET功率模块的动态等效电路模型,推导了其中串联谐振型DAB的电流时域解析表达式及其简化模型。通过所搭建的Matlab/Simulink仿真模型和电力电子变压器功率模块测试平台验证了该模型的正确性。

分布式电驱动车辆回馈制动控制策略研究

回馈制动能有效提高分布式电驱动车辆的能量效率。论文分析了分布式电驱动车辆回馈制动系统的结构、电机的性能及制动法规的约束条件,提出了基于非线性规划方法的最大能量回馈制动控制策略,并结合回馈制动系统的特性分析了制动力分配的特点。通过仿真分析了典型制动过程及典型工况循环的制动能量回收效果,结果表明,与理想制动力分配策略相比,本文提出的回馈制动控制策略能获得更高的能量回收效率。

级联矩阵型交直流电力电子变压器预充电策略

与现有四级型交直流电力电子变压器(PET)相比,级联矩阵型PET具有电能变换单元少及功率密度高等特点。级联矩阵型PET内部输入级经高频变压器后直接与输出级耦合,在预充电过程中,若采用传统高压交流侧或低压直流侧充电方式,则需增加相关辅助充电设备或实施复杂的开环充电策略。为解决该问题,本文针对级联矩阵型交直流PET,提出一种简单的开环充电策略。在充电过程中,高低压侧H桥变换器同时解锁,利用辅助充电设备,高压侧级联H桥变换器以固定数量循环轮换投切以产生50%占空比高频方波电压,低压侧H桥变换器持续输出同频同相的方波电压。所提出的充电方法操作简单,无需增加相关辅助充电电路,且充电过程中无电流冲击,实验验证了所提充电策略的有效性和可行性。

电动汽车用高功率密度碳化硅电机控制器研究

碳化硅(Siliconcarbide,SiC)作为世界公认的替代硅(Silicon,Si)的下一代半导体材料,具有耐压高、开关速度快、开关损耗小的优势,是实现车用电机控制器功率密度提升的关键要素。该文针对构成SiC控制器的关键部件,研究SiC金属氧化物场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)模块、直流支撑电容器、控制和驱动电路以及电磁干扰(electro-magneticInterference,EMI)滤波器的设计方法。在SiC模块方面,研究多芯片并联结构MOSFET的布局评价体系,以此为基础设计包含72个SiC芯片的SiC MOSFET模块。在直流支撑电容器方面,以减小电容器体积为目标,结构上与控制器壳体统一设计,电气参数上建立描述电机系统性能与电容器容值及许用纹波电流关系的数学模型,优选最为合适的参数,减小电容器体积。在控制和驱动电路方面,通过采用非隔离电源系统、多层电路板等手段,减小电子系统的电路面积,开发出仅信用卡大小的超紧凑主控板和能够与SiC模块直接插接的紧凑型驱动板。在EMI滤波器方面,提出滤波器拓扑和滤波元件参数同步设计方法,有助于解决EMI滤波器设计中反复试验迭代和过设计的问题。基于上述研究成果,开发出峰值功率85kW,开关频率20k Hz,最高效率98.6%,功率密度37.1kW/L的全SiC电机驱动控制器。

基于谐波观测器的永磁同步电机谐波电流抑制策略研究

针对传统基于谐波注入的抑制策略只对特定的次电流谐波有效,而对其他幅值较高的低次谐波抑制效果不够理想的问题,在推导出与永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)、变流器及负载非线性等因素有关的电压、电流谐波解析表达式的基础上,提出一种新颖的基于谐波观测器的电流谐波抑制策略,通过对电压谐波的控制实现对PMSM/变流器系统中全频次低频电流谐波的有效抑制。所设计的谐波电流调节器通过与电流内环的基波电流调节器的并联,实现了对电流的基波分量和谐波分量的解耦控制,在不影响基波电流控制目标的前提下,实现了对于低频各次电流谐波的有效的抑制。为验证算法的有效性,在实验室搭建PMSM/变流器系统测试平台,进行电流谐波抑制策略的实验验证工作。动静态实验结果表明,该方法运算量小、实现方式简单,对各次低频电流谐波均有较为明显的抑制效果,可以有效的改善电流波形。

基于输入串联输出并联的双向全桥串联谐振DC-DC变换器系统控制策略研究

对基于输入串联输出并联(ISOP)的双向全桥串联谐振DC-DC变换器(DBSRC)系统的控制策略进行研究。采用周期平均法构建DBSRC及其ISOP级联系统的小信号模型及对应传递函数,其中各DBSRC子模块输入电压均受其他模块移相角影响。为了实现子模块输入电压的均衡,提出一种差分输入电压均压(DIVS)控制策略,该策略实现了系统控制框图中输出电压环和输入均压环的解耦控制。相比传统输入均压控制策略,该策略所需的通信数据量较少,具有较高的动态响应性能。最后,通过仿真和12kW样机的实验结果验证了DBSRC小信号模型的准确性及DIVS控制策略的有效性和优越性。

面向高压直流输电的电流源型主动换相换流器研究综述

采用自关断功率半导体器件的电流源型主动换相换流器(actively commutated converter,ACC)具有有功与无功功率可解耦、不存在换相失败、无需大量储能电容等特点,在高压直流输电领域具有较好的应用前景。该文针对适用于高压直流输电(high voltage direct current,HVDC)的ACC功率半导体器件及其均压方法、电路拓扑、调制方法、功率特性、控制策略、故障及保护方法等进行调研和分析。结合具体实例,将ACC与现有HVDC的2种换流器,即电网换相换流器(line commutated converter,LCC)和模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)进行对比分析。同时,对ACC的潜在应用、存在的问题以及发展的方向进行总结和归纳。

三电平ANPC变流器中点电位控制策略研究

本文详细分析了三电平有源中点箝位(ANPC)变流器中点电压波动产生的根本原因,提出了一种分区域控制的中点电位的平衡方法,该方法能够实现在变流器全范围工作区域内的中点电位平衡控制,且该方法运算量小,易于实现,对于空间矢量脉宽调制和三角载波比较脉宽调制方法都适用;本文同时利用三电平ANPC变流器的拓扑结构优势提出一种损耗平衡控制算法,改善了在高调制度低功率因数时中点电位平衡控制引起的开关损耗大的问题。通过仿真和实验验证了本文提出的控制方法能够同时实现三电平ANPC变流器的中点电位波动抑制和桥臂损耗平衡的控制,具有较强的工程应用价值。

适用于±500kV/3000MW柔性直流输电换流器的电路拓扑损耗特性研究

电网异步互联和可再生能源装机容量增加的现实需求,推动柔性直流输电系统已经达到3000MW的级别。当前,受功率半导体器件发展水平所限,需要设计组合式模块化多电平换流器(MMC)拓扑实现柔性直流输电系统的扩容。但是,不同组合方式下系统参数设计以及所适用IGBT器件类型差异很大,这对多变量下的组合式换流器损耗特性研究提出了挑战。本文首先提出了一种单台MMC的损耗计算方法,然后推导了组合式MMC的损耗计算解析表达式。在此基础上,对比分析了采用4500V/1500A和4500V/3000A IGBT器件的情况下,四种适用于±500kV/3000MW柔性直流输电换流器的组合式MMC拓扑损耗特性。PSCAD/EMTDC仿真结果表明,四种拓扑中并联式MMC拓扑的损耗最小,验证了损耗特性分析的正确性。

大气压CO2/Ar混合气体射频放电光学特性研究

脉冲调制射频具有调制频率、占空比、输入功率等多种可调参数,可以较大范围地调节放电等离子体参数,因此其放电特性与传统交流或直流放电相比具有独特的特点。该文研究在大气压条件下13.56MHz射频电源系统激励的CO2/Ar气体放电光学特性,主要考察了不同调制参数以及气体组分对等离子体羽流、发射光谱强度以及电子激发温度的影响。研究结果表明,改变射频调制参数可以明显调控上述光学特性:增加输入功率、占空比,或者降低调制频率和CO2含量,可以增大等离子体羽流长度和电子激发温度;其光谱主要包含OH(A→X)、 N2(C→B)、 Ar(4p→4s)、 O(3p→3s)、C(1p-1s)、C2 swan谱带等,且均随着输入功率的增加和CO2含量的降低而明显增强。所做研究为射频放电等离子体技术提升CO2资源化利用效率提供更多的选择。