舰船综合电力系统飞轮储能控制器设计

未来舰船综合电力系统将采用中压直流分布式供电网络结构,其动态特性易受故障、投切负载、脉冲负荷等影响,需配置储能模块以满足系统供电需求。为此,该文设计了由异步电机、飞轮和双向变流器三大模块组成的直流并联型飞轮储能装置,以空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)技术为基础,提出了飞轮调节阶段"电压外环+电流内环"和保持阶段"转速外环+电流内环"的双模式双闭环控制策略,以及相应的飞轮工作模式自动切换流程。通过构建飞轮储能装置试验平台及对应仿真系统,完成了突加负载时的仿真、试验对比分析,结果表明,所设计的飞轮储能装置能够根据系统监测结果自动切换工作模式,调整直流主网电压,补偿系统功率,有效抑制舰船综合电力系统的电压波动,提高供电品质。

基于HLA的舰船综合电力系统信息物理混合仿真

针对舰船综合电力系统中电力系统与信息网络紧耦合的特点,提出一种基于高层体系结构(high level architecture,HLA)的信息物理综合电力系统混合仿真平台设计方法。该平台分别利用OPNET和PSCAD仿真软件实现信息网络和电力系统的仿真,并通过OPNET中的HLA节点和PSCAD中的自定义模块,分别实现两个仿真平台的对外数据交互和运行控制。基于HLA框架提供的运行时环境(runtime infrastructure,RTI)接口,设计实现混合仿真控制器,使OPNET和PSCAD能同时接入HLA运行,同时提出混合仿真运行模式和时钟同步方法,实现信息物理混合仿真。在混合仿真平台中搭建基于CAN总线通信的舰船综合电力系统低压配电网保护策略仿真模型,仿真结果验证混合仿真方法的有效性。

混合电磁结构磁性部分元等效电路建模技术的解析及实验研究

磁性材料在电磁结构中广泛应用,而传统(标准)部分元等效电路(partial element equivalent circuit,PEEC)方法对包含磁性材料的各种结构进行分析时已无能为力。针对基于几何平均距离和空间磁介质均匀化处理的新型磁性PEEC建模方法(magnetic PEEC,MagPEEC),该文提出使用同轴电缆解析计算以及大型钢板耦合与邻近效应实验对该建模方法进行验证。利用解析法对给定同轴电缆单位长度电阻与电感参数进行了计算,并将计算结果与由MagPEEC建模计算的结果进行了比较;分大型舰船钢板差模回路耦合和共模回路耦合干扰两种情况,对MagPEEC建模计算的耦合阻抗进行了实验验证;利用所研制的钢板地电流测量装置在钢板中部进行测量,并将测量结果和MagPEEC理论计算的结果进行比较,从而实现金属壳体地电流测量和MagPEEC理论计算方法的直接验证。利用该文所提供的解析方法和3种实验方法,对MagPEEC建模技术进行了充分证明,为MagPEEC建模技术的推广使用奠定了基础。

面向舰船装备的电工软磁材料精细模拟技术综述

中国电工系统学科在能源动力、交通运输、高端制造等领域的重大装备中已取得一系列标志性成果,随着国防军工装备不断升级,对电磁设备高品质运行性能提出了更高的需求,即高功率密度、高可靠性、高环境适应性、低损耗、低振动噪声。从舰船装备研发的需求出发,针对电工软磁材料复杂特性测量、表征、应用三个方面,较系统地梳理了技术现状以及若干共性基础科学问题,并对中国电工软磁材料模拟技术的前沿发展方向进行了展望,指出了中国电工学科发展中的薄弱之处。

中压直流综合电力系统建模与实时仿真实现方法

舰船中压直流综合电力系统包含大量特种电机和电力电子设备,其模型阶数高、非线性强,电磁暂态仿真计算量大。文章以典型中压直流综合电力系统为对象,首先,介绍了多相发电机整流系统、多相推进电机及其变频器、隔离型DC/DC变流器等组成设备的模型,构建了全系统电磁暂态实时仿真模型。其次,以开关分布平均化和节点数最少为优化目标,提出一种基于元件的启发式系统剖分方法,提高了系统优化剖分计算效率,在消耗较少计算资源的情况下,实现了系统高精度实时仿真。最后,物理试验验证了仿真模型的准确性,并通过对比分析,验证了所提出剖分方法的高效性。

长初级直线电动机分段供电技术综述

长初级直线电动机在实际应用中常需要将初级分段,并采用分段供电的驱动方式,其意义在于可以提高效率、节约电能并减小对电源容量的要求。首先,分析了磁悬浮列车所采用的分段供电技术并不适合于其它工业或军用领域的原因。其次,在充分总结国内外各种结构长初级直线电动机的研究现状的基础上,对分段供电方法进行了分类,并系统概括了分段供电技术需要研究的主要内容。最后,指出了直线电动机分段供电技术的热点应用领域和发展方向。

新型T源直流固态断路器技术研究

针对传统直流断路器分断短路故障时间过长、熄弧困难、需要快速的故障检测和严格的时序判断等问题,该文提出一种基于T源阻抗网络的新型直流固态断路器,该断路器可通过阻抗网络响应短路故障,从而快速分断故障回路,不需要外加检测、控制系统,增强了系统可靠性。文章采用等效二端口网络方法,分析T源直流固态断路器的拓扑结构,给出电压和电流传递函数,在稳态和短路暂态两个方面验证拓扑的有效性;从晶闸管反向恢复过程的固有特性出发,结合T源断路器短路过程的外部电路特性,对断路器的短路关断过程进行推导,阐释晶闸管反向恢复时间对断路器参数设计的影响,并对线路电感的影响进行分析;最后,仿真和实验表明,T源直流固态断路器可以自动并快速分断短路故障,对直流微电网系统的短路保护具有重要作用。

考虑电动机启动的舰船直流区域配电系统最大供电能力计算与分析

根据舰船综合电力系统采用直流区域配电的新特点,以电动机安全启动为目标,提出基于逆变器负载率的直流区域配电系统(DC zonal electrical distribution system,DC-ZEDS)负荷一次转供最大供电能力(total supply capability,TSC)模型,通过引入虚拟联络矩阵和综合负荷转移矩阵的概念推导负荷二次转供矩阵的表达式,并给出逆变器最大负载率的解析表达式。然后,根据DC-ZEDS的结构特殊性,建立基于逆变器过载约束的负荷二次转供TSC模型。最后,分别计算逆变器安全运行和区域内直接联络逆变器过载两种状态DC-ZEDS的负荷一次转供TSC及逆变器的最大负载率向量,分析负荷一次转供后逆变器过载的可能,进一步通过解析法和模型法求得负荷二次转供TSC,并根据逆变器负载率之间允许差额的不同给出几组不同的逆变器最大负载率向量,解决DC-ZEDS因电动机启动可能造成的切负荷问题,并给出该情况下DC-ZEDS的安全运行边界,为舰船综合电力系统安全预防控制提供研究基础。

一种混合并行算法及其在多相交直流混合电力系统中的应用

综合电力系统是典型的多相交直流混合电力系统,多由多相电机和电力电子设备构成。由于多相电机计算量大、端口数多,采用传统并行算法难以提高综合电力系统电磁暂态仿真效率,为此提出一种混合并行算法,该算法由元件级并行和网络级并行2部分组成。其中前者通过将计算量大的多相电机元件分拆为多个互相耦合的电机,以大幅减少单个元件的计算量和显著提高系统分区的灵活性;后者则利用元件级并行实现系统切分方案的优化设计和计算流程中等待时间的高效利用,从而显著提高网络并行计算的总体效率。典型综合电力系统算例的仿真结果验证了所提出算法的正确性和有效性。

一种实用的大容量电力电子系统高速光纤环网拓扑及其协议

基于串行光纤通信技术的分布式控制是大容量电力电子变流系统的一个发展方向。该文针对现有电力电子变流系统分布式控制方案存在的一些缺陷,提出一种软件控制可切换数据通道的高速光纤环形网络拓扑结构,并制定了简单可行的通信协议,简化了通信控制的软件编程和测试难度,提高了同步精度,同时也较大程度地减小了整个高速光纤环形控制网络的传输延时,扩展了基于高速光纤环网通信拓扑的分布式控制方案在复杂高性能电力电子变流系统中的应用范围。最后,该文给出了相应的数据传输、数据源切换以及反馈数据上传等方面的实验结果,验证了该种网络拓扑及协议的正确性、有效性和可行性。

混合励磁电机结构原理、设计与运行控制技术综述及展望

混合励磁电机内部励磁源由永磁和电励磁两种励磁源有机结合而成,具有气隙磁场调节方便、功率密度高和宽转速范围效率高等优点,在工业驱动、新能源发电和交通运载装备等领域具有广阔应用前景。从混合励磁电机的基本概念出发,重点围绕混合励磁同步电机和混合励磁磁场调制电机两种拓扑形式,阐述不同拓扑混合励磁电机的结构特点及其磁通调节机理。在此基础上,归纳出不同应用场合下混合励磁电机的通用设计方法和多维度协同控制方法。最后,围绕交通电气化背景,对此类电机在多电飞机、舰船和电动汽车上应用的技术现状和前景进行总结,并讨论该类电机的关键技术和发展方向。

弓形磁极永磁电机谐波削极技术的优化研究

为实现电机高功率密度和低转矩脉动的双重设计目标,该文在考虑永磁体相对磁导率、定子开槽、极间漏磁、磁极边缘效应以及磁路饱和对气隙磁密的影响基础上,建立平行充磁弓形磁极三次谐波削极修正解析模型。然后通过有限元,对比不同磁极电机的电磁性能。结果显示,修正谐波削极电机的平均转矩较简化正弦削极、修正正弦削极电机和简化谐波削极电机均有一定程度的提高,同时转矩脉动低于简化正弦削极和简化三次谐波削极电机,证明修正模型的优越性。最后通过实验验证修正模型的准确性。

采用周期轨Poincaré映射的非线性电力电子系统小干扰稳定性分析

拓扑结构切换、占空比控制方法和非线性元件均可使电力电子系统具有非线性特性,因此其小干扰稳定问题属于微分方程周期轨的稳定问题。由于状态空间平均法误差较大、难以预测分叉,而数值仿真法物理概念不清晰,因此,提出了基于梯形积分法的非线性电力电子系统周期轨稳定性分析方法。利用梯形积分法描述系统占空比方程和每阶段的非线性状态方程,由隐函数求导法和链式求导法计算周期轨Poincaré映射的雅可比(Jacobian)矩阵,提出了系统稳定裕度指标,建立了基于周期轨Poincaré映射的非线性电力电子系统小干扰稳定性分析方法。该方法能够克服小干扰稳定传统分析方法的困难,揭示非线性电力电子系统失稳的动力系统机制。仿真分析验证了算法的有效性。

电磁发射用直线感应电机位置检测系统关键技术研究

电磁发射用直线感应电机采用基于传感器阵列的位置检测系统。该系统以电感式接近开关作为位置传感器并构成传感器阵列,通过电涡流效应感应动子运动并生成相应位置信号。利用位置算法对位置信号进行计算可以实时准确地得到动子位置。设计了位置检测系统的基本原理和拓扑结构,提出系统的参数设计方法。深入研究位置传感器的工作机理,建立传感器内部参数与输出特性的数学模型,分析了适用于电磁发射工况的传感器参数条件。进行位置传感器的性能测试,并在此基础上研制了实际的位置检测装置。通过实际发射平台验证,所设计的位置传感器和位置检测系统能够较好地实现电磁发射特殊工况下的动子位置测量并顺利完成发射任务。

船用磁悬浮轴承关键技术与发展综述

磁轴承具有与转子无物理接触、支承刚度可调等优点,在提高船舶旋转机械的运行转速和效率、实现减振降噪等方面展现了良好的应用前景。文中通过对磁轴承的发展概况进行梳理,分析磁轴承在船舶应用中的技术优势和挑战,进一步提炼和总结了船用磁轴承的关键技术,并详细介绍国内外应用现状。最后对船用磁轴承技术的发展方向进行展望。

三相电力变压器高频传输特性研究

考虑高频下变压器寄生参数的影响,通过简单的RLC电路来描述三相整流变压器高频传输特性,并以此得出信号传输特性计算公式。通过变压器外部端口阻抗测量提取寄生电容,同时对绕组电阻及激磁参数进行了提取。测试结果与计算结果对比验证了该方法的正确性。

一种低电磁干扰载波斜率随机分布脉宽调制技术

针对固定载波脉宽调制技术输出电压谐波在载频及其倍频附近集中的问题,提出了一种载波斜率随机分布脉宽调制技术,无需滤波电路即可分散谐波能量,减少谐波突出幅值给电力系统带来的电磁干扰问题。在分析固定载波脉宽调制谐波特性的基础上,类推出随机载波脉宽调制技术的可行性;从随机信号的数理统计参量出发构建了载波斜率随机分布脉宽调制数学模型,对输出电压功率谱进行推导,阐释了载波斜率随机分布脉宽调制技术分散谐波能量的原理,并对影响谐波能量分布的参数进行了分析;最后,仿真和实验表明载波斜率随机分布脉宽调制输出电压谐波能量更为分散、平缓,对于中大容量电力系统中谐波处理具有重要意义。

基于改进广义导抗法的独立电力系统静态稳定性分析

系统稳定性是独立电力系统设计和运行时需要被重点考虑的因素。由于现有稳定性判据的保守性,使得独立电力系统在设计时为保证稳定运行而付出了更多代价,对电力电子装置级联的条件提出了更严格的限制。为此提出同时考虑增益裕度约束和相位裕度约束的改进广义导抗稳定性分析方法,推导了具有更小禁止域的稳定性判据,用以计算多运行点系统的电源广义阻抗约束集和负载广义导纳集。以某同步整流发电机带恒功率负载的独立电力系统为例,验证了所提出的稳定性分析方法的正确性。与现有方法相比,该方法有效降低了保守性,提高了分析精度。

兆瓦级脉冲供电用间歇整流装置技术研究(一):新型晶闸管触发策略设计

脉冲间歇整流装置负载功率变化迅速、交流供电频率变化范围大、交流电压/电流畸变严重,对其晶闸管触发策略的研究鲜见报道。以输出侧为直流电容的兆瓦级脉冲间歇整流装置为研究对象,提出并实现一种适用于此种应用的新型晶闸管触发策略。所提出的触发策略根据晶闸管阳极—阴极端电压的变化来实时调整晶闸管的触发脉冲,较好地克服了现有触发策略在脉冲间歇整流应用中的不足。策略结构简单、可靠,实用性强。设计中同时集成一种实时的晶闸管触发状态诊断机制,完了触发策略的执行构架。试验结果表明:在提出的触发策略下,装置运行正常,在负载突变的情况下,所提出的触发策略仍表现出色;脉冲运行中,触发状态实时诊断结果与理论分析一致,可为控制提供实时可靠的信息。

基于突变理论的独立电力系统电压稳定性分析

电力电子变换设备高度集成的独立电力系统电压稳定性是系统设计与运行阶段需要重点考虑的因素。为了减小系统稳定性分析时的计算量,提高分析速度,提出一种基于突变理论的独立电力系统电压稳定分析方法。通过数学推导的方法得到典型独立电力系统的势函数、平衡曲面和分歧点集合的数学描述,建立燕尾流形突变的稳定性分析方程,并给出基于突变理论的独立电力系统电压稳定裕度指标。最后通过某独立电力系统例子,说明所提方法的有效性。