网格型螺线管线圈单管逆变无线电能传输系统研究与设计

无线电能传输系统磁耦合机构发生偏移和偏转时,存在耦合系数和效率急剧下降的问题。该文面向中小功率无线充电应用,设计了一种单磁通回路网格型螺线管(GFSP)磁耦合机构,磁场均匀分布兼具抗偏移和抗偏转性能。此外针对补偿拓扑构建了一种单管逆变P#LCC-S谐振网络拓扑结构,在保留传统LCC-S补偿网络性能的同时有效简化电路结构。首先,建立磁动势模型,揭示机构不同空间位置磁场分布规律,并对机构参数进行优化;其次,建立双路P#LCC-S谐振网络电路等效模型,推导出在发射线圈激励电流恒定及输出电压恒定状态下的谐振元件参数配置条件;最后,搭建一台300 W实验样机,分别在XOY平面偏移±120 mm,Z轴偏移50~100 mm,绕Z轴偏转0°~90°范围内,样机的耦合系数保持率始终高于50%,传输效率大于80%,从而验证了所提出系统的有效性与可行性。

并网逆变系统的复合控制技术研究

LCL型并网逆变系统已成为消除高次谐波的重要拓扑结构,成为国内外学者的研究热点。在拓扑结构和调制策略确定的情况下,对系统的解耦控制成为系统稳定性与性能好坏的决定性因素。论述传统单一控制策略在LCL型并网逆变系统的局限性、复合控制策略的优势及2种复合控制的不同组合方式的优缺点。对并联复合控制——比例积分控制(proportion-integral,PI)+重复控制(repeat-control,RC)的内在控制机制进行分析,通过调节PI控制的参数降低耦合程度对系统的影响。

面向电流源型PWM整流器的双矢量模型预测直接功率控制

电流源型脉宽调制(Pulse width modulation,PWM)整流器因其网侧存在LC滤波器,系统的控制难度增加。传统直接功率控制策略下的整流器功率波形存在脉动,因模型预测控制具有卓越的动态特性以及直观的控制规律,采用模型预测直接功率控制(Model predictive direct power control,MPDPC)对传统控制策略进行改进。首先建立了三相PWM整流器的数学模型,给出了每个采样周期内的功率变化率,并推导出相邻采样周期之间的功率关系,然后给出基于单矢量的模型预测直接功率控制策略,提出了基于双矢量的模型预测直接功率控制策略,并优选出两个电流矢量,计算在一个采样周期内的作用时间,并对其进行修正。最后,在Matlab/Simulink仿真软件验证了所提控制策略的可行性和有效性。

基于改进和声搜索的配电网WSNs多路径QoS路由算法

针对智能配电网(Smart distribution network,SDN)中无线通信数据传输不可靠且网络寿命低等问题,提出一种基于改进和声搜索的无线传感器网络(Wireless sensor networks,WSNs)多路径QoS路由算法(Multipath QoS routing algorithm,MQRA)。首先,分析配电网的通信需求并建立数据传输模型;然后,针对无线传感器路由问题的特点对和声搜索算法(Harmony search,HS)做出改进;再将其自适应参数公式进行改进以避免算法陷入局部最优;通过在源节点与目的节点之间构建前传区域来优化转发节点集以避免数据回传,提升算法的运行效率;最后,在初始和声库生成阶段,综合考虑距离、丢包率以及节点剩余能量来改进轮盘法中的概率公式。仿真结果表明MQRA算法能有效降低数据传输的时延,提升数据可靠性并均衡节点能耗延长网络使用寿命。

交直流混合微电网并联双向互联变换器环流抑制与功率控制

针对交直流混合微电网中多台双向互联变流器(Bidirectional interlinking converter,BIC)并联运行时功率流动、分配以及环流问题,提出一种用于多并联BIC的分布式电源管理控制策略,其中每个BIC设计有独立的局部分布式控制器,计算出各自的功率参考值,并可根据不同功率额定值按比例分配,实现两子网间功率流动及不同BIC间的功率分配;此外,在零矢量前馈控制策略的基础上,提出一种虚拟BIC概念,以实现多并联BIC环流抑制。仿真与硬件在环试验结果表明该策略可有效控制两子网间的功率流动及多模块间环流抑制。

基于多线圈阵列的单管无线电能传输电路优化

针对多线圈的单管无线电能传输系统提出一种P#型LCC-S补偿网络和输入电流纹波抑制方法,以改善输入电流波形、降低输入电流THD及纹波,从而提高系统效率。该文首先分析P^(#)型LCC-S补偿网络的工作模态和波形,同时给出P^(#)型LCC-S补偿网络参数的计算方法;其次推导了三线圈在非均衡耦合情况下输入电流与输入电压、线圈互感、负载阻抗等参数间的解析关系,利用傅里叶变换分析了输入电流的构成,并对交流分量进行移相抑制;最后搭建实验平台并进行相关实验验证。实验结果表明,在额定传输功率下,纹波抑制后系统效率最高达88.2%,验证了该方案的有效性。

基于自学习的直流系统绝缘故障研究

针对常用的直流系统绝缘检测方法的不足,在直流漏电流检测法基础之上,提出将漏电流转换为漏电压,运用运放检测的方法,克服灵敏度低的不足。首先,在MATLAB上建立等效电路模型,模拟其工作状态,确定拓扑可行性,然后分析拓扑的工作方式以及工作原理。其次,提出卡尔曼滤波分析法,收集直流系统的历史数据,运用卡尔曼滤波纠正和修改历史数据。再次,系统分析数据,得到规律,建立数学模型,通过不断地进行自学习,预测直流系统绝缘故障,保证电力系统安全稳定的运行。最后,在电厂模拟故障,比较系统测试值与人工测试值,验证系统的可行性。

基于三矢量的并网逆变器模型预测直接功率控制

并网逆变器采用双矢量模型预测直接功率控制策略时,存在输出电压矢量覆盖范围受限、并网电流谐波含量高、功率脉动大的问题。对此,提出了一种基于三矢量的并网逆变器模型预测直接功率控制策略,通过构建αβ坐标系下预测功率模型,在每个控制周期进行2次电压矢量选择,用相邻2个非零电压矢量和1个零电压矢量合成出期望电压矢量,使输出电压矢量方向与幅值均可调,同时对有功功率和无功功率进行无差拍控制,有效改善并网电能质量及减小功率脉动,并通过空间矢量脉冲宽度调制使开关频率固定。仿真和实验结果表明,相比单、双矢量模型预测直接功率控制策略,所提方法并网电流谐波含量低、功率脉动小,具有良好的动稳态性能。

不平衡下电流源型PWM整流器无网侧电流传感器功率反馈控制策略

三相脉宽调制电流源型整流器在电网电压不平衡时,传统直接功率控制会导致功率脉动、直流侧输出低频波动和网侧电流畸变严重等问题,影响整流器性能。针对上述问题,提出一种无需采集网侧电流的改进型直接功率反馈控制策略,使得整流器在理想电网和不平衡电网下都能够获得良好性能。首先建立电流源型整流器在电网电压不平衡时的数学模型,推导出直流侧输出电流与网侧电流的关系表达式,然后在有功控制环中增加反馈控制直接抑制低频脉动,同时在调制环节中引入陷波器,以此减小网侧电流谐波。最后通过Matlab/Simulink仿真和试验样机测试,比较两种功率控制方案,验证了所提改进控制策略的正确性和优越性。

三相矩阵式隔离整流器的最优调制比模型预测控制策略

以三相矩阵式隔离整流器(Three-phase matrix isolation rectifier,3MIR)为研究对象,为减小网侧电流畸变率、维持输出电压恒定、加快系统动态响应速度,对传统模型预测控制策略改进,提出一种基于最优调制比的模型预测电流控制策略。首先,通过3MIR离散化数学模型预测网侧电流值,以最小网侧电流误差作为控制目标构建评价函数;其次,为了实现系统固定开关频率、减少运算量,利用评价函数求导最小电流误差对应的最优调制比,并结合双极性电流空间矢量调制策略产生脉冲信号驱动功率开关工作;最后,将所提模型预测控制与传统双闭环PI控制、传统模型预测控制进行仿真对比,仿真结果验证了所提控制策略可行性和有效性。

基于脉冲频率调制的高增益隔离型软开关直流变换器

提出一种基于脉冲频率调制(PFM)的高增益隔离型软开关直流变换器,该变换器在反激变换器基础上,集成了有源钳位单元和准倍压结构,在实现高增益的同时,所有功率管均具有软开关的特性,且电路结构简单。与脉宽调制(PWM)方式相比,采用PFM的控制方式进一步降低了功率管上的电流应力,有助于提升变换器效率。详细分析PFM方式下的高增益软开关变换器拓扑的工作原理及其特性,并对PFM和PWM的策略及特性分别进行分析比较,最后搭建一台160W、45V/380V的实验样机,验证了理论分析的正确性和有效性。

三相交错并联双向直流变换器无电流传感器均流控制

针对三相交错并联双向直流变换器均流策略中,控制环路多、电流检测电路设计复杂的缺点,基于传统单闭环电压型控制方法,提出一种无电流传感器均流控制策略。以变换器降压模式为例,根据戴维宁定理建立其等效电阻电路模型,通过分析相间电流与等效电阻、有效占空比的关系,明确了相间电流不平衡的主要原因是阻抗失配。为了消除其引起的电流不均衡,以任意一相为基准,推导出其余两相应补偿的占空比△D。同时给出了无电流传感器均流控制系统控制环路的设计方法,采用数字控制技术对控制器离散化处理,并对开关节点处占空比失配进行了补偿,避免因电流传感器精度低和设计不足对变换器的影响。仿真和在25 kW样机的实验结果表明,在各种失配与不同负载下,均流性能表现良好,稳压精度高,验证了理论分析的正确性与可行性。

用于改善直流链电流纹波的电流源型整流器扇区优化调制策略

电流源型整流器采用十二扇区空间矢量脉宽调制(SVPWM)可缩短器件换流过程并减小开关损耗,但整流器在运行时直流链电流纹波较大,而采用增大电感值的方法抑制电流纹波会增大电感的损耗和体积,影响系统整体运行性能。为此,该文首先提出一种适用于宽范围运行情况下直流链电流纹波的优化调制策略。其次,基于十二扇区实现机理和电感电流纹波产生原理,通过所提出的电流纹波分析模型推导分析电流纹波表达式,并深入对比分析两种调制策略的直流链电流纹波峰值分布规律。最后,通过仿真和实验样机验证了理论分析的正确性和调制策略的有效性。

多相交错并联DC-DC变换器单电流传感器控制策略

针对多相交错并联DC-DC变换器相间均流问题,该文提出一种具有动态均流能力的单电流传感器控制策略。首先,根据变换器工作模态建立全息数学模型,深入分析造成相间电流不平衡的成因,推导出稳态下各相电流与寄生电阻、负载电流及占空比解析表达式。其次,考虑器件非理想特性,利用恒定占空比交替测试法估算各相寄生电阻;将电压环控制器输出量作为基准值,引入占空比补偿因子实现相间电流均衡。然后,基于系统小信号模型利用频域法对控制环路进行分析,辅助Matlab/SISO设计工具,优化控制器零点位置与环路增益,并利用根轨迹研究负载变化对系统稳定性影响;同时增加负载电流前馈补偿环路以降低输出阻抗,进一步改善系统动态性能。最后,搭建三相交错并联Buck变换器数字控制实验样机进行稳态与动态测试,其结果验证了所提出控制策略的可行性与正确性。

优化开关序列的PWM整流器模型预测控制策略

有限集模型预测控制(FCS-MPC)策略通过在一个采样周期内对有限开关状态遍历寻优,得到当前周期的最优开关状态作用于系统。但由于开关频率不固定,造成系统谐波频谱分散,增加了滤波器设计难度。该文以三相电压源型PWM整流器为研究对象,在分析模型预测控制原理的基础上,提出一种基于多矢量合成的优化开关序列模型预测控制(OSS-MPC)策略,在保证系统控制精度的同时,针对有限集模型预测控制策略系统计算量大、开关频率不固定的问题提出改进,通过对有限控制集优化,减小系统计算量;以多矢量合成为基础,通过开关序列重新排列解决开关频率不固定造成的网侧电流频谱分布不均问题。为验证所提出方法的可行性,进行仿真实验并搭建测试样机,在与有限集模型预测控制策略对比的基础上,增加与现有改进策略空间矢量调制模型预测控制(SVM-MPC)的对比实验,进一步验证该文所提策略的有效性与优越性。

面向电流源型PWM整流器直流侧电压的多环路控制策略

三相电流源型PWM整流器作为低压直流配电系统有源前端时,因网侧LC滤波环节和直流侧电容的存在使系统控制难度增加。首先,在同步旋转坐标系下建立电压定向数学模型,通过控制网侧电流d轴与q轴分量,完成系统有功、无功功率的独立控制;其次,基于相量法提出一种电容电流补偿方法,仅构建电容电压前馈通道,实现间接电流控制策略下功率因数校正;然后,采用电容电压反馈有源阻尼法对网侧LC谐振进行抑制,详细分析反馈增益对系统稳定性的影响;此外,该文通过在内环引入直流侧电感电流反馈以及阻尼因子,进一步改善系统性能;之后,利用频域法与根轨迹法对整个控制环路进行分析,辅助Matlab/SISO设计工具,在离散域中直接优化设计控制器零点位置与环路增益;最后,通过仿真和实验结果验证了所提出方法的可行性和有效性。

非理想电网条件下PWM整流器优化预测功率控制

模型预测功率控制(MPPC)基于代价函数最小化原则,选取下一时刻最优开关状态作用于系统。然而当电网电压处于不平衡状态时,MPPC网侧电流将发生严重畸变进而对PWM整流器输出性能产生危害。针对此问题,该文将扩展无功功率新定义应用于MPPC,无需复杂的正负序提取和功率补偿算法,获得恒定有功功率和网侧正弦电流。此外,针对传统模型预测功率控制(C-MPPC)存在的开关频率不固定、系统计算量大的问题,提出一种优化模型预测功率控制(O-MPPC)策略。通过对有限控制集优化,减小系统计算量;同时采用多矢量合成方法取代单一矢量作用,将所选矢量开关序列重组优化并计算每个矢量作用时间,解决C-MPPC开关频率不固定的问题,提高系统控制性能。通过与C-MPPC进行对比实验,验证了所提优化控制策略的可行性与优越性。

带新型死区补偿策略的感应电机磁链转速观测器

感应电机转子磁链观测准确与否直接影响电机的控制性能。传统的电压、电流磁链观测模型在低速时观测结果存在显著的幅值误差和相位滞后问题。采用电压-电流混合模型构成闭环磁链观测器,将混合模型的磁链角作为反馈实现电流模型的转子磁链定向,避免了检测转子的速度或瞬时角度;并采用模型参考自适应法,将混合模型得到的转子磁链作为参考模型,电流模型作为可调模型,转速误差信息经PI调节获得准确的转子角频率。为了抑制死区效应对观测器性能的影响,提出一种相电压对称补偿策略,消除了输出电压的偏移,并辅助一种新型滤波器,有效滤除高频分量,提高电流极性判断的精确性。通过仿真和实验测试验证了所提方法的可行性及有效性。

一种低压电动汽车用逆变器非线性因素的新型补偿方法

针对低压电动汽车用电压源逆变器(VSI)低压大电流的工况,充分考虑死区时间、开关管开通及关断延时等因素,特别是开关管导通时呈现电阻性质导致的导通压降变化,建立低压电动汽车用电压源逆变器输出特性方程,依据推导的输出特性方程和参考量得出误差,从而在低压大电流的工况下进行精确地补偿。同时考虑到逆变器非线性因素的补偿过程中需要获取准确的电流极性,而相电流过零点附近存在电流检测毛刺与零电流箝位效应,导致电流过零点附近电流极性判定不准确,提出一种反向补偿的方法促使电流提前过零,在电流过零点附近避免了复杂的电流极性判定与计算的同时,也进行了有效的逆变器非线性因素补偿。最后通过仿真及实验结果证明了所提出的逆变器输出特性方程及补偿方法的正确性与可行性。

DSP数字控制的电流源型整流器实验装置研制

为了满足电力电子课程实验及创新教学需要,设计一种基于DSP28335作为主控制器的电流源型整流器实验装置,介绍了装置的总体结构,并给出详细的设计过程及相关硬件参数。实验过程采用Matlab/Simulink自动代码生成技术,直接将代码下载到DSP中,同时配合采样、驱动电路实现对整流器装置的控制;通过CCS可查看并修改程序,实验装置的电气量能够实时利用示波器进行观察。