以串联谐振型DAB变换器SRDAB(series resonant DAB)为研究对象,针对在移相调制策略下SRDAB变换器运行效率的问题,提出1种回流功率减小的效率优化策略。首先,在移相调制下建立SRDAB变换器传输效率的数学模型,推导出变换器工作时回流功率的数学表达式,得出影响变换器回流功率的参数。其次,计算变换器运行时产生的暂态损耗与通态损耗数学表达式,构建变换器运行效率数学模型,得出移相比和开关频率与谐振频率之比二者与变换器效率的关系,进而优化这2个关键参数使运行效率提升。最后,通过搭建仿真和实验电路验证了效率优化策略的正确性和有效性。

在消费类和商用产品中,反激式变换器必须遵守相关传导和辐射电磁干扰EMI(electromagnetic in- terference)的严格标准。随着高速宽禁带WBG(high-speed wide bandgap)半导体器件在现代电力电子中的普遍应用,系统布局越来越紧凑,EMI的管理变得日益复杂。本文综述了针对传导EMI的成熟建模技术与抑制策略,重点分析了差模DM(differential mode)和共模CM(common mode)噪声,以及反激式变换器中的辐射EMI。讨论内容涵盖了器件级设计和变换器系统优化2个层面的解决方案。

研究Boost变换器分数阶PID控制设计问题,利用Oustaloup滤波器近似算法拟合系统的分数阶电感和电容模型。针对粒子群优化PSO(particle swarm optimization)算法整定分数阶PID控制器参数时学习能力不充分、迭代收敛乏力的问题,提出1种改进的粒子群优化算法,该算法引入了自适应惯性权重、自适应学习因子及加权变异3种策略用以提高粒子多样性,增强收敛速度与精度。将改进的粒子群算法应用于分数阶Boost变换器PID控制系统设计。仿真结果表明,经改进的粒子群算法设计的控制系统的输出电压和电感电流动态响应更快,在负载突变时输出电压的抗干扰能力更优,电感电流的跟踪调节能力更强。

微处理器的发展越来越迅速,随着输出电容及其等效串联电阻ESR(equivalent series resistance)逐渐减少,微处理器电源数字控制的优势逐渐受到重视。这些数字多相Buck变换器需要足够的稳定性,故研究了数字恒定导通时间多相控制器。首先通过数字补偿斜坡(在1个开关周期内斜率固定的斜坡)、总电感电流信息、输出电容两端电荷变化来推导系统的稳定性条件。然后通过稳定性条件得到补偿斜坡斜率的要求,其中需要考虑模数转换器ADC(analog-to-digital converter)采样延迟和电路传播延迟等因素的影响。针对多相的重叠和非重叠2 种占空比进行分类分析可得出结论。通过SIMPLIS仿真,设计并调整最小补偿斜坡和实际的斜坡参数,得到仿真结果与推导的理论分析结果一致,说明了数字多相Buck变换器稳定性分析的准确性。

开关电源SMPS(switch mode power supply)中的DC-DC变换器是影响装置体积质量和工作效率的核心。LLC谐振变换器作为经典的DC-DC拓扑结构,其运用软开关技术和磁集成技术,具有高效率、高功率密度及抑制谐波等特点。从变压器绕组结构方案和控制拓扑优化方案出发,综述了应用于开关电源中的LLC谐振变换器的优化方法研究现状,并针对同步整流和APR(all-primary-referred)磁集成模型下平面变压器对电路的影响提出自身见解,最后依据第三代宽禁带材料及电磁兼容性进行优化方法的展望。

LLC谐振变换器集成式高频变压器的气隙通常放置在磁心的中心,且采用单气隙结构。采用有限元分析法,基于Ansys分别建立了不同气隙位置的三维非线性变压器模型,研究了气隙位置对损耗的影响。通过仿真模拟,得到不同气隙位置的损耗曲线,证明了气隙位置放置于二次绕组侧更有利于降低变压器损耗和提升变换器效率,为集成式高频变压器的优化设计提供了参考。在此基础上,提出了1种二次侧三气隙磁路结构的集成式高频变压器结构,可进一步降低变压器损耗。最后,在1台160 W的LLC调光型LED驱动器实验样机中进行了实验验证,证实了所提方法的正确性与可行性。

针对LLC谐振变换器在动态需求较高、负载变化频繁的应用场合,难以兼顾动态性能和抗扰动能力的问题,提出1种电荷自抗扰控制策略。该方法是通过采集谐振电容电压对谐振变换器的内环进行电荷控制,并在外环引入自抗扰控制来构成双闭环控制的复合控制策略。通过推导LLC谐振变换器谐振电容电压与谐振电流的关系,利用电荷控制方法设计变换器电压内环的控制器参数,并基于线性化自抗扰控制对电压外环控制器进行设计,进一步提高系统整体的抗干扰能力。设计并搭建了1台额定功率300 W的实验样机,通过与传统PID-PI控制进行对比实验,验证了改进控制策略的可行性与有效性。

单级Buck变换器的实际占空比受到开关速度与死区影响,难以满足宽范围调压需求。采用多级级联Buck拓扑结构并提出1种适用于多级级联变换器的输出电压协同控制策略。所述控制策略兼顾运行效率,采用脉宽调制与变频调制结合的混合调制方法,实现各级变换器输出电压控制切换并覆盖全范围输出电压。建立开关损耗模型并分析混合调制对效率的优化效果。最后搭建仿真模型验证调制与控制设计的正确性,并搭建了1台50~75 V输入,1~40 V/200 A输出的8 kW两级式样机验证所提控制策略的可行性。

汽车充电桩应用电路中通常会使用双向DC-DC变换器,该双向变换器存在因负载扰动而导致系统动态响应慢、输出电压稳定性差等问题。因此,以电容-电感-电感-电容CLLC(capacitor-inductor-inductor-capacitor)谐振DC-DC变换器为研究对象,提出1种基于滑模自抗扰的CLLC谐振变换器控制方法。采用基于模型辅助的线性状态观测器提高扰动的估计精度,控制系统稳定运行。采用滑模控制设计线性状态误差反馈控制律,提升系统的动态性能和快速性。仿真及实验验证表明,所提控制策略能有效改善双向DC-DC变换器的动态响应能力,增强输出电压稳定性。

系统动态过程中,当网侧电流变化时变换器电流控制将通过调节输出的电压来实现电流与指令的平衡,表现为电流激励下的电压响应。由于变换器交流电压通过控制幅值和频率产生且系统运行需要维持电压的幅值和频率水平,因此当发生功率不平衡时,电流控制应被描述为有功/无功电流激励下的内电势幅值和频率响应。与此同时,从变换器对所并入电网影响的角度看,端电压幅值和频率激励下的有功/无功电流响应也是认识并网变换器特性的另一视角。因此对于变换器电流控制,提出了服务于大系统动态分析的有功/无功电流-内电势特性以及从单机视角认识设备对电网影响的端电压-有功/无功电流特性。在此基础上,通过说明电流控制中电流和端电压间的冗余关系,解释了2种特性在本质上是等效的。最后,通过仿真验证了2种特性间的等效性,并初步探究了锁相控制参数对电流控制特性的影响。

电路结构简单且易于控制的典型隔离型双有源桥DAB(dual-active-bridge)变换器,在需要能量双向流动的场合被广泛应用。因此,研究如何提高变换器的工作效率尤为重要。首先,对比分析国内外学者提出的效率优化策略,发现基于移相控制的优化方法中两侧桥内移相角和桥间移相角具有很强的相关性,造成变换器工作特性分析困难。然后,基于扩展移相EPS(extended-phase-shift)控制对变换器的整流平均电流进行优化,定义新的移相角,分析新移相角下变换器的传输功率和平均电流。最后,搭建Simulink仿真和实验平台进行验证。

以双有源桥DAB(dual active bridge)变换器为研究对象,为了同时减小回流功率,提高变换器动态性能,提出1种基于扩展移相EPS(extended phase shift)的多目标优化控制方法。首先,全面分析推导扩展移相各模态下的输出功率和回流功率特性,建立数学模型,并根据KKT(Karush-Kuhn-Tucker)条件求解回流功率最优的移相角组合;然后,通过虚拟电压补偿方法快速改变当前的传输功率,进而提高系统的动态特性;最后,通过实验将所提方案与传统单移相方案、传统扩展移相方案进行对比分析,验证了所提方案的有效性及优越性。

随着光伏、风电等可再生能源的大规模开发和利用,基于下垂控制的逆变器也被广泛应用于分布式发电系统和微电网中。序阻抗建模是评估多逆变器并联系统稳定性及优化控制参数的重要手段之一,然而目前对下垂控制逆变器序阻抗建模的相关研究较少,故对其进行详细研究。首先确定下垂控制逆变器的稳态工作点,通过加入正负序小信号扰动,分析逆变器响应;其次,通过逆变器响应提取序阻抗模型描述逆变器阻抗特性;之后,通过PSCAD仿真验证序阻抗模型的准确性;最后,分析下垂系数、功率计算环节低通滤波器截止频率等关键参数对逆变器输出阻抗的影响,并通过实验进行验证。实验证明,所提序阻抗模型在下垂控制策略分析中具有较好的效果,为下垂控制策略的进一步优化与实际应用提供了重要参考。

电力系统中不平衡与非线性负载会产生电压电流不平衡与谐波,从而影响一些关键设备的正常运行。为提升多台构网型GFM(grid-forming)变流器系统的电能质量,需在合理分配负载电流基波负序与谐波分量的同时,尽可能降低公共耦合点PCC(point of common coupling)的电压不平衡与谐波。针对这一问题,提出了一种基于统一不平衡/谐波电压-电流下垂的构网型变流器电能质量控制策略。通过建立PCC电压与输出电流的基波负序及谐波分量的统一下垂关系,实现不平衡与谐波电流在各单元之间按容量分配,且同时抑制PCC电压的不平衡与谐波。该方案适用于多变流器在离网与并网2种模式,且不需对基波负序与各次谐波分别提取,相比于现有控制方法更加简单,更易于在嵌入式控制器中实现。详细讨论了该方法基于闭环极点分析的控制参数设计方案。通过与现有方法的对比分析,所提方法具有更优的动态性能与更少的计算需求。最后,实验结果验证了所提控制方案的有效性。

数据中心的供电系统是其关键基础设施,为数据中心所有动力驱动设备提供稳定、可靠的电源支持,以保证其正常运行。随着大数据、云计算、5G等技术的快速发展,我国数据中心的数量和规模高速增加,对供电可靠性的要求越来越高,总体电能消耗也不断增大,且由于数据中心目前所用电能主要来源于传统能源,高碳排问题愈发明显。因此,如何实现绿色、节能、低碳的供配电模式,是数据中心供电系统发展的重点。在分析数据中心供电系统典型供电架构功能和特点、介绍数据中心供电架构发展和演变的基础上,以“碳达峰、碳中和”为背景,结合数据中心供电系统发展中遇到的问题,对数据中心供电架构的未来作出了展望,为其深入研究及后续发展提供借鉴。

针对传统LLC谐振变换器电压增益范围窄,不能很好地适应宽电压增益的要求,提出1种基于多谐振结构的宽输入电压范围DC-DC变换器,其同时实现了对欠谐振和过谐振频段范围的宽电压增益。介绍所提出谐振变换器拓扑结构及其工作原理,建立其基波等效数学模型,并详细分析了电压增益特性和输入阻抗特性。在此基础上,分析各谐振参数对电压增益、输入阻抗和工作效率的影响,并给出500 W变换器参数设计流程。最后,搭建了额定功率为500 W的实验平台,实验结果表明,所提变换器不仅同时在欠谐振和过谐振频段范围具有较宽电压增益,而且可以传递基波和三次谐波功率,提高了变换器的工作效率,同时该变换器具有良好的软启动与短路限流能力。

针对传统线性控制动态性能不足、鲁棒性差的问题,以多相交错Buck变换器为对象提出了一种基于模型预测控制的动态响应优化方法。首先优化了交错并联Buck变换器的状态空间模型,并提出一种虚拟阻抗方法,实现了各相变换器的解耦控制。其次设计了负载扰动观测器和基于一步预测的连续集模型预测控制器,根据负载电流观测值以及输出电压偏差计算参考电流,以最小化电流偏差为目标将其代入预测模型中,求解得到各相最优占空比。最后在Matlab/Simulink上搭建仿真平台进行仿真验证,并在三相Buck变换器上进行实验。仿真和实验结果表明,所提算法能有效抑制由负载扰动而引起的输出电压变化,提升系统的动态性能,同时保证了系统的鲁棒性。

为实现双有源桥DAB(dual active bridge)变换器电流应力全功率范围最小化,研究了三重移相TPS (triple phase shift)控制下电流应力全局优化策略。首先分析三重移相控制下变换器的工作原理及工作过程,并建立传输功率和电流应力与移相比的关系模型;然后基于所建立的关系模型,以电流应力全局最小化为目标,通过寻求最优移相比组合对TPS控制进行优化,并从电流应力及回流功率2个方面将优化结果与双重移相DPS(dual phase shift)控制做了对比;最后通过实验进行验证,理论和实验结果证明电流应力全局优化的TPS控制在全功率范围内进一步减小电流应力的同时减小了回流功率。

电动汽车无线充电技术具有占地面积小、方便灵活、维护成本低、与电网交互性强等优点,因此得到了广泛的研究与应用。提出了1种基于双重移相控制策略的电动汽车双向无线充电系统,通过双重移相控制策略改变一、二次侧移相角,进而改变输出功率大小;通过改变一、二次侧的电压相角差进而改变能量流动方向,最终实现“削峰填谷”的功能。首先,给出了基于双重移相控制策略的电动汽车双向无线充电系统架构,分析了其工作模式及工作原理;接着,对电动汽车双向无线充电系统控制策略进行了详细的阐述,通过改变一、二次侧的移相角和一、二次侧的电压相角差来调节系统的输出功率和方向;然后,分析了系统的工作原理和实现双向充电的控制方法;最后,在MATLAB中搭建仿真模型并且进行实验验证。结果表明,设计的电动汽车双向无线充电系统能够实现能量的双向传输,控制性能好,正反向馈电具有良好的对称性。

随着电动汽车和储能产业的蓬勃发展,电力电子技术得到了越来越广泛的应用。在这些应用中,电力电子变换器不仅需要宽电压增益来适应不同场景,还需要高转换效率以减小体积。因此,能实现软开关的双向隔离型DC-DC变换器得到了广泛研究。通过分析隔离型DC-DC变换器的原理,从减小无功电流和实现软开关2方面提升宽电压增益下的转换效率。首先通过基波分析法建立数学模型,得到控制一次侧移相角、二次侧移相角和一、二次侧移相角实现无功电流消除的条件。然后分析一次侧和二次侧开关器件实现软开关的条件,通过死区时间调整一、二次侧之间的移相角,得到了在无功电流最小的基础上实现零电压开关ZVS(zero voltage switching)的调制策略。最后,设计9.6 kW的实验样机验证了所提调制策略的可行性。

准确的开路电压特性OCV-SOC(open-circuit voltage-state of charge)曲线是保证锂离子电池建模精度的基础。静置法与涓流法在获取磷酸铁锂电池OCV-SOC曲线时分别存在无法描述非静置点OCV特性与极化效应影响的问题,为此,基于对磷酸铁锂电池特性的分析,结合静置法与涓流法提出1种高精度磷酸铁锂电池OCV-SOC曲线获取方法。该方法以分段形式拟合的涓流放电曲线为优化对象,基于静置法测量数据与一阶RC等效电路模型设计约束条件,采用差分进化方法寻优获取OCV-SOC优化曲线。实验结果表明,OCV-SOC优化曲线能够精确模拟磷酸铁锂电池的OCV特性。相比静置法获取的OCV-SOC曲线,基于OCV-SOC优化曲线进行的电池建模与SOC估算精度更高,其模型精度提升41.8%,SOC估算精度提升58.3%。

应用于燃料电池系统的四开关Buck-Boost变换器在传统的两模式控制下理论上可以获得更高效率,但是实际上,在2个模式切换的过程中,受电压增益盲区影响,系统的动态性能较差,大大降低了变换器工作的稳定性。在电流较大的大功率场合,为了减小电感电流纹波,提高变换器的功率密度,通常会在变换器中使用并联技术。基于此,以四相交错并联的四开关Buck-Boost变换器的模式平滑切换为控制目标,首先介绍变换器的拓扑结构,得到变换器的基本数学关系;接着使用1种图形化方法分析了变换器的电压增益盲区产生的原 因,并在传统三模式控制策略的基础上提出1种消除盲区、实现模式之间平滑切换的控制策略,在动态过程中 实现了占空比变化量的最小化,电感电流性能也得到了优化,变换器的效率及稳定性得以提高;最后通过实验验证了该控制策略的有效性。

非隔离型光伏逆变器并网系统中,电磁干扰易引发漏电流问题。为此,针对三电平逆变器提出1种改进的模型预测控制策略。首先,建立逆变器并网系统数学模型,分析漏电流产生机理及其与共模电压的关系;其次,通过控制共模电压变化率,改进模型预测直接功率控制算法,优化寻优结果,实现对漏电流的抑制;最后,从输出功率、并网电流谐波畸变、直流侧中点电位平衡及漏电流幅值方面,通过仿真对比分析传统策略和所提改进模型预测控制策略的效果。结果表明,所提策略在上述4个方面均有良好表现,相比传统模型预测控制策略,漏电流抑制效果可达99.5%。

为了减少三电平逆变器模型预测电流控制MPCC(model predictive current control)算法的计算量,消除权重因子,实现固定开关频率并改善系统动静态性能,提出1种基于矢量集选择的三矢量固定频率模型预测电流控制算法。首先,通过分析电流和电压的关系,利用无差拍思想将对旋转坐标系下电流的控制转换为对静止坐标系下电压的控制,根据参考电压所在扇区选择候选矢量集,减少计算量。其次,为实现中点电位控制,根据中点钳位NPC(neutral point clamped)型三电平逆变器不同开关矢量对中性点的作用不同和切换平滑原则,合理选择不同的候选矢量集,利用伏秒平衡原理计算开关矢量作用时间,之后根据评价函数选择最优开关序列。最后,对比研究传统MPCC算法和所提算法,实验结果表明,所提算法具有计算量小、开关频率固定、电流谐波含量低等优点。

谐波污染是限制新能源并网的关键问题之一,导致并网逆变器电流谐波增加的因素较多,其中包括电网的谐波电压和并网逆变器系统中电压电流信号的采样误差。分析了并网逆变器系统电压采样误差和电流采样误差影响逆变器二次谐波电流的原理,研究了1种基于高精度谐波采样和二次谐波三相二倍频旋转dq反馈的二次谐波电流的抑制方法,并建立了二次谐波电流抑制环路的模型,给出了二次谐波电流抑制环参数的设计方法,推导了抑制效果的表达式,最后通过100 kW装置的实验进行了验证。

峰值电流控制Boost DC-DC变换器的电流内环需检测IGBT集电极电流,现有电流检测方法需在IGBT主电路中串入元器件,使电路体积和成本增加,主电路效率降低。基于具有集电极电流检测功能的IGBT智能驱动技术,提出1种无电流传感器的峰值电流控制Boost DC-DC变换器。首先,进行智能驱动设计,在米勒平台期间集电极电流和栅极电流关系的基础上,提出三点法用于确定IGBT器件米勒平台期间集电极电流和栅极电流的关系,通过检测栅极电流来检测集电极电流;其次,建立考虑采样保持、量化误差及延时影响的前缘调制Boost DC-DC变换器小信号模型,对变换器进行稳定性分析;最后,搭建1台基于驱动侧电流检测的无传感器Boost DC-DC实物样机,验证电流检测和稳定控制效果。

微型逆变器可直接与光伏板连接,具有结构简单、体积小、输入输出隔离等优点。为了扩展光伏微逆功率范围,前级DC-DC部分可采用2个反激变换器交错并联,并采用有源钳位电路提高微型逆变器效率。针对户外高温环境下高频功率变压器温升高及功率密度低等问题,设计了1种应用于微型逆变器的平面变压器。首先分析了反激式微型逆变器的工作原理;其次对平面变压器的电气参数和绕组结构进行了设计,并通过Maxwell软件对平面变压器磁心磁密分布及损耗进行了仿真;最后搭建了1台220 W的交错并联反激微型逆变器样机进行实验测试。实验结果证明了设计的有效性,样机能够稳定工作。

针对目前相控型和全控型整流器在电解制氢领域无法兼顾高功率等级、高制氢效率和高可靠性的问题,提出一种由主功率整流器和辅助变换器并联构成的整流器混合拓扑及其控制策略,其中主功率整流器为晶闸管整流器,辅助变换器由脉宽调制电压源型变换器和移相全桥变换器级联构成。通过分析辅助变换器数学模型,并以补偿纹波电流和吸收谐波电流为控制目标,给出重复控制+比例谐振控制的电流控制方法,实现制氢单元高效运行的同时保证输入电流质量优化。此外,还提出整流器混合拓扑的3种容错运行模式,以提高其可靠性。通过搭建电解制氢平台以及半实物仿真对整流器混合拓扑及其控制策略进行验证,结果证明了所提整流器混合拓扑的正确性和有效性。

提出一种燃料电池FC(fuel cell)部分功率变换PPC(partial power conversion)的轻量化模块化多电平变换器MMC(modular multilevel converter)型燃料电池系统MMC-FCs,实现燃料电池系统并入混合中低压网络的功率控制。交流侧MMC-FCs基于高频链HFL(high-frequency link)同步开关网络可以实现MMC子模块SM(sub-module)基频和二倍频波动功率的耦合对消,减小SM电容容量需求。轻量化的电容约束减小了[2(1-m²/4)^3/2f_SM]/[(1+2m²)·πf_F],可减小子模块体积,提高功率密度,实现子模块轻量化。FC采用部分功率控制并入直流低压母线,降低燃料电池变换器部分的功率容量和损耗;同时燃料电池部分功率变换器复用了交流高频链方波功率信号,减少了功率变换级数,有利于进一步提升系统的轻量化水平。对MMC-FCs的结构、SM滤波原理、FC部分功率变换机理,以及SM电容和FC部分功率变换电压等参数进行详细分析和设计,并通过体积评估、损耗评估、仿真与实验验证了所提MMC-FCs方案的有效性。

环形电感的不同绕组绕制方式会影响自身的磁场泄漏情况,而磁场泄漏会加剧电磁干扰EMI (electromagnetic interference)滤波器的近场耦合。采用部分元等效电路法分析环形电感的等效径向电流和切向电流产生磁场泄漏的情况发现,由切向电流合成的等效电流环是环形电感轴向磁场泄漏的主要来源。为此,提出一种绕组绕制方法,该方法使用双磁芯夹PCB的方式,使PCB上下面绕组产生反向电流环进行磁场抵消。实验环节中,通过三维有限元仿真表明,所提方案能够在与传统方案电感量基本一致情况下,进一步减少轴向磁场泄漏;通过阻抗测试与EMI滤波器的插入损耗测试,验证了所提方案相比于传统方案能够弱化高频寄生参数对电感阻抗特性的影响,能进一步优化EMI滤波器的高频滤波性能。

三电平逆变器在中高压场合受到了广泛关注,但是传统的连续脉宽调制CPWM(continuous pulse width modulation)方法具有开关损耗大、共模电压CMV(common-mode voltage)波动大、中点电位不平衡等缺点。为解决上述问题,在分析共模电压产生机理的基础上,推导出基于离散脉宽调制DPWM(discrete pulse width modu-lation)的共模电压抑制条件,提出1种改进的DPWM调制策略,其可在DPWM0~DPWM3调制下降低开关损耗的同时实现共模电压抑制。此外,在所提DPWM调制策略的基础上,探究了中点电位控制方法,最终实现了三电平逆变器的多目标优化控制。仿真和实验验证了所提DPWM控制策略的有效性。

忽略开关过程中SiC MOSFET寄生电容和电感的损耗和导通过程中占空比变化所导致的导通损耗会降低三相全桥逆变器的损耗计算精度。为了解决上述问题,提出了1种考虑寄生电容、电感的SiC MOSFET物理模型,通过数据手册分段取值和振荡法获得寄生电容和寄生电感,计算了开关过程中寄生电容和寄生电感产生的损耗,推导出在空间矢量脉宽调制SVPWM(space vector pulse width modulation)下的平均导通损耗公式,得到三相全桥损耗。最后在基于SiC MOSFET的永磁同步电机控制系统上进行实验,分析了PWM频率对三相全桥损耗的影响,验证了SiC MOSFET物理模型参数的准确性,且基于SiC MOSFET物理模型的损耗计算方法能提高逆变器的损耗计算精度。

随着新能源渗透率的不断提高,并网逆变器与弱电网之间的阻抗交互作用易诱发小信号振荡失稳问题。针对这一问题,首先分析了现有电压前馈阻抗重塑策略的局限性,接着提出一种自适应电压前馈阻抗重塑策略。该策略利用模拟退火-粒子群混合算法对不同输出功率和电网阻抗下的样本工况分别进行前馈通路参数的离线优化设计,进而利用多项式拟合来覆盖连续全工况范围。通过将拟合关系式部署于逆变器中,以根据实时输出功率和电网阻抗自适应调节前馈通路参数。所提自适应策略可保证并网逆变器在不同输出功率和电网阻抗情形下均具备较优的稳定裕度,并在一定程度上兼顾系统的动态性能。最后,通过OPAL-RT半实物实验平台开展实验,验证了所提策略的有效性。

针对级联H桥逆变器在传统的同相层叠PD(phase disposition)调制策略下,各单元之间存在功率不均衡问题,深入分析自由度控制原理,提出1种新型功率均衡调制策略,在保证输出功率均衡和电压谐波特性的基础上,缩短功率均衡时间,降低数字控制复杂度。该方法一方面在PD调制法的基础上对三角载波进行自由度重组,让其均匀分布于不同载波层间,充分利用各输出电平的开关冗余状态,使其在1个载波周期内实现功率均衡来缩短均衡所需时间;另一方面,对调制波垂直自由度进行重组,以降低数字控制的复杂度。最后通过仿真和实验对理论分析及可行性进行验证。

为解决大容量电机启动导致的区域电网安全稳定问题,研究了大电机启动引起电压暂降的机理及影响因素。首先,详细分析了大电机启动的动态过程及其引起的电压暂降机理,并采用评估指标对电压暂降严重程度进行定量刻画。然后,以某石化企业区域电网大电机启动为例,建立了基于ETAP的时域模型,对大电机启动引起电压暂降的理论分析进行了验证。最后,对大电机启动引起电压暂降的影响因素进行了量化分析,研究了启动变压器容量和电网强度对电压暂降的影响规律,并对比分析了不同组合多台电机叠加启动和不同启动方式下的电压暂降指标。研究结果为降低大容量电机启动导致的电压暂降事故风险提供了理论依据。

为了保证三相桥臂安全可靠运行,需要设置合理的死区时间。氮化镓高电子迁移率晶体管GaN HEMT (gallium nitride high-electron mobility transistor)由于器件本身特性,死区时间内电压变化情况与传统Si器件存在差异。对GaN HEMT功率器件反向导通压降较大的问题进行分析,提出了一种基于GaN HEMT功率器件的改进型在线死区补偿方法。该方法既可以避免电路噪声对电流方向判断的影响,同时又可以减小相电压误差,降低电流谐波,提高电路稳定性。最后通过仿真实验和搭建实验平台验证了改进型在线死区补偿方法的有效性,在反向导通压降较大的情况下较传统的死区时间补偿方法具有明显的优势。

为了解决光伏并网逆变器漏电流过大的问题,提出1种低漏电流HERIC非隔离单相光伏并网逆变器拓扑结构。该逆变器拓扑仅需8个功率开关管,其中4个开关管构成4个准双向电压开关单元,4个准双向电压开关单元分为2组,以电网频率交替导通的方式实现续流,降低了开关管的损耗,能够对共模泄漏电流进行有效抑制。仿真和实验结果验证了该拓扑的正确性与有效性。

组合型非隔离三端口变换器TPC(three-port converter)作为航天器供电系统用能源管理器,可以实现太阳能光伏、蓄电池和负载3个功率端口之间的电能传输与变换,具有功率密度高、变换效率高、系统易构建、在轨易维护的优点。组合型非隔离三端口变换器采用交错双向Buck/Boost变换器和半有源全桥整流器以堆叠方式连接,实现了任意2个端口之间的单级功率转换,并采用脉宽调制+移相调制策略实现了其中2个端口的独立功率控制。详细分析TPC的工作原理、调制和控制策略,提出设计注意事项,并通过实验结果进一步评价其性能。

DC-DC变换器输入串联输出并联的组合技术广泛应用于大功率高电压场合。为了实现模块扩展连接后的平均运行,研究模块电源串并联组合后的输入均压和输出均流特性,提出一种从输出端进行模块均流的控制策略。控制策略包含2个环路,分别为输出电压环和输出均流环。所有模块公共的输出电压环采样组合系统的输出电压进行反馈调节,每个模块具有的输出均流环采样模块的输出电流进行平均控制。所提控制策略中所有的采样和控制芯片均在低压输出侧,可省去隔离单元,提高系统可靠性。选取半桥LLC谐振拓扑作为子模块搭建原理样机,验证所提输出均流控制方法的有效性。

随着交通与能源领域的深度耦合,推动交通用能电气化、绿色化是实现“双碳”目标的重要技术手段。以低温能源作为高温超导电缆的冷却媒介,实现电力与燃料联合传输,提高能源传输效率并降低综合成本,是大规模可再生能源传输的有效途径。以10 km传输距离为例,设计了1种适用于轨道交通的1.5 kV/10 kA液氢能源管道结构。同时,通过建立超导电缆有限元仿真模型,研究了正负双极超导带材的排布角度对其临界电流的影响,其中平行排布方式下临界电流最大约为15 240 A。最后,对比了15 MW/10 km的超导电缆与传统铜电缆的系统传输损耗。研究结果表明,1.5 kV超导电缆的传输损耗仅为10 kV传统交流电缆的15%,且略低于35 kV电压等级的损耗,可为液氢超导能源管道应用于大容量电能与氢能传输提供1种可行的技术思路。