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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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%。

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。

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。

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%。

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。

氮化镓/碳化硅级联GaN/SiC Cascode(gallium nitride/silicon carbide Cascode)器件是1种利用低压GaN器件作辅助开关,将高压耗尽型碳化硅器件转变为增强型工作模式的组合结构。结合氮化镓高电子迁移率晶体管GaN HEMT(gallium nitride high electron mobility transistor)开关速度快、栅极驱动简单和碳化硅结型场效应晶体管SiC JFET(silicon carbide junction field-effect transistor)高耐压的特点,利用低压增强型GaN HEMT和高压耗尽型SiC JFET构建了常关型级联器件。详细分析了GaN/SiC Cascode器件的工作原理和开关过程,测试了GaN/ SiC Cascode器件的静态特性,搭建了双脉冲测试平台,对比了GaN/SiC Cascode器件、Si/SiC Cascode器件和SiC JFET 3种器件在不同电流等级下的开关损耗,结果表明,GaN/SiC Cascode器件具有更低的关断损耗。将3种器件应用到零电压开通的LLC谐振变换器,测试了变换器的转换效率,结果表明,基于GaN/SiC Cascode器件的LLC谐振变换器具有更高的转换效率。

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。

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。

随着对传统电网的安全稳定性提出更高要求,能源危机和环境污染问题日益加剧,“绿色”“低碳”成为电力系统发展的迫切需求,基于此现状提出一种含有电能质量治理的多功能光伏并网逆变器。根据改进自适应谐波检测法检测出并网电流中的谐波分量,随后通过准比例谐振对指令电流进行跟踪控制。通过主客观CRITIC(criteria importance through intercriteria correlation)博弈论组合赋权法,建立电能质量综合评估模型,对谐波分量、无功分量进行综合评估,然后考虑到实际中逆变器容量有限的情况下,构建容量匹配系数,对突出问题进行重点补偿。最后,通过仿真验证并网逆变器在并网过程中对谐波分量和无功分量进行优化补偿,改善了并网点的电能质量,大大提高了逆变器的利用率。因此,验证了所提策略的有效性和可行性。

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。

负载谐振软开关可有效降低单相并网逆变器的开关损耗,是逆变器高频应用的研究热点。然而,基于线性模型的传统PI控制策略在大信号扰动时易失稳,系统输出波形较差。基于非线性理论的无源控制策略,可有效改善系统输出,提高系统稳定性。提出了基于E-L模型的负载谐振软开关逆变器无源控制策略,对单极性临界导通BCM(boundary conduction mode)调制模式下的单相全桥并网逆变器进行了详细建模,并基于阻尼注入方法设计了无源控制器。为验证所提控制策略的有效性,搭建了谐振软开关逆变器仿真模型,并在稳态和暂态工况下与传统PI控制策略进行了对比分析。

高压柔性直流输电系统中,模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)有其独特优势。相比于MMC,子模块与IGBT构成的混合桥臂MMC即HL-MMC(hybrid-leg MMC)在相同的子模块数量下,输出电压电平数增加了1倍,输出电压谐波含量少,直流母线电压利用率提高了1倍。串联型HL-MMC即SC-HL-MMC(series-connected HL-MMC)由3个单相HL-MMC构成,直流母线电压相同的情况下,子模块数量可减少2/3。为了具备直流短路故障容错能力,采用由半桥子模块与全桥子模块构成的混合式SC-HL-MMC,分析满足故障穿越的全桥子模块与半桥子模块的配比方案。为验证所提拓扑的有效性,搭建仿真模型。仿真结果表明：额定工况下,SC-HL-MMC可输出稳定的谐波含量少的三相电压,直流短路故障工况下,SC-HL-MMC能迅速阻断短路电流,验证了该拓扑的有效性。

针对电动汽车800 V高压平台的多电机驱动系统逆变器开关器件数量较多、控制策略复杂等问题,提出1种十五开关三电平双输出逆变器,通过器件复用简化了逆变器拓扑结构、降低了逆变器成本。首先,对所提逆变器拓扑结构及工作原理进行了详细的分析研究,总结了该逆变器的结构特点,给出了有效开关状态及最大电压应力分析,为开关器件选型及系统设计提供了理论基础。然后,提出了1种单桥臂独立模型预测电流控制策略,建立了单桥臂双输出端口电流的预测模型,在实现三桥臂独立预测控制与单桥臂双输出电流综合最优控制前提下,有效降低了预测运算量。最后,通过Typhoon HIL 402平台对所提逆变器及其控制策略的正确性及有效性进行实验验证。

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。

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。

针对锂离子电池在进行剩余使用寿命RUL(remaining useful life)的直接预测时容量难以获取及间接预测时特征参数存在冗余或不足的问题,提出了1种基于数据预处理技术和改进支持向量回归SVR(support vector regression)的锂离子电池RUL间接预测方法。首先在电池充放电阶段提取多个间接特征参数,利用主成分分析法对众多参数进行去冗余处理,重构出1个包含充分信息的融合健康因子HI(health indicator);然后搭建基于鲸鱼优化算法和SVR的融合HI预测模型及容量预测模型,利用自适应白噪声完备集成经验模态分解将融合HI分解为若干模态分量,将各分量分别输入融合HI预测模型进行HI预测,将预测结果叠加并输入容量预测模型实现RUL间接预测;最后采用NASA电池退化数据集进行验证。结果表明,所提方法RUL预测结果的平均绝对误差和均方根误差控制在1.78%和2.5%以内,有效提高了RUL的预测精度,为锂离子电池RUL预测提供了新思路。

针对传统零电流开关ZCS(zero current switching)的开关电容变换器SCC(switched capacitor converters)的硬开关问题,提出了1种基于LC辅助网络的零电压电流开关ZVZCS(zero voltage and zero current switching)DC-DC SCC,使得所有功率开关均可实现全范围的零电压开关ZVS(zero voltage switching),并且在一定条件下可以同时实现ZVS和ZCS,大大减小了开关损耗。在此基础上,深入研究了死区时间对变换器的影响,揭示了不同负载条件下的死区时间选取与变换器损耗分布之间的定量关系,进而提出了基于死区时间的辅助网络关键参数的设计方法。最后,基于所提出的ZVZCS开关电容变换器,搭建了24 V DC-12 V DC、100 W的实验样机,实现了99.07%的峰值效率,验证了理论分析的正确性。

针对单个平面方形线圈的无线电能传输系统,提出1种基于垂直解耦线圈组的金属异物检测MOD(metal object detection)方法。检测线圈通过合理组合形成检测线圈组,与发射线圈和接收线圈同时实现解耦。在无金属异物时,检测线圈组的感应电压接近0,且受接收线圈偏移影响小。当金属异物落在发射线圈顶部时,会产生涡流,在检测线圈组中感应出电压。所提方法的检测准确度基本不受接收线圈偏移的影响,无需针对不同的线圈偏移位置进行检测电路置零或调整阈值。检测线圈的参数通过有限元仿真进行优化设计。基于300 W无线充电系统进行MOD实验,结果表明所提方法可以在偏移情况下实现准确的金属异物识别。所提方法解决了平面检测方案受接收线圈偏移影响的问题,检测灵敏度高,具有较高工程应用价值。

碳化硅(SiC)功率器件的热特性建模是其设计与开发中的关键。结构函数法是表征器件热特性的重要手段,其核心在于通过反卷积算法得到输入数据的时间常数谱。然而,在实际测试中,环境噪声的影响难以避免,这对结构函数的反卷积算法提出了更高的挑战。为此,提出1种基于改进维纳滤波的反卷积结构函数算法,有效解决瞬态热分析过程中测量数据的噪声问题。首先,提出1种基于维纳滤波反卷积的结构函数模型,并通过TDIM-Master基准问题进行分析,验证了算法的有效性。其次,针对基准问题加载不同量级的噪声,以探索不同噪声条件下时间常数谱的信号质量和峰值热阻,并与常规算法进行对比,验证改进方法在处理噪声问题时的准确性和优越性。最后,基于2颗不同规格的SiC功率器件,测量在有无导热硅脂下的瞬态热阻,并进行结构函数分析,验证所提算法在真实测量环境下的稳定性和适用性。

级联H桥多电平变换器由多个单元模块组成,故障发生率相对较高,采取容错运行控制可以有效提高系统的性能和可靠性。通过注入零序电压来增强变换器故障后输出能力的容错控制方法具有不增加额外成本、实现简单的优势,不同的实现方式所注入的零序电压值和基波分量值各不相同,但是过大的零序电压会在电机驱动中对电机轴承和绝缘产生较大的影响。针对该问题,探讨了1种包含三次谐波的零序电压注入方法,减小所注入零序电压的基波分量,从而减小注入的零序电压对电机运行的影响。通过仿真和10 kW七电平变换器样机实验,验证了所提出的容错控制策略的有效性。

为了提升带恒功率负载情况下直流Boost变换器无源控制PBC(passivity-based control)受外部扰动时的动态性能,提出了1种基于神经网络的无源自适应控制策略。该策略采用含比例、积分项的无源自适应控制结构,利用单神经元网络对注入阻尼、比例系数、积分系数进行实时优化。此外,采用功率观测器对未知恒功率负载CPL(constant power load)的功率进行实时观测,可提高CPL变化时Boost变换器的动态和稳态性能。与PI+PBC、PI双闭环控制策略相比,基于神经网络的无源自适应控制可使Boost变换器具有更好的性能。仿真结果表明,所提控制策略具有可行性和有效性。

在传统电动汽车锂电池预测中,往往将健康状态SOH(state-of-health)预测视作一个整体,进而给出单一SOH预测结果。但在汽车实际运行中,直接进行SOH的单一预测误差大,预测效果不好。为了提高电动汽车电池的SOH预测精度,提出了1种基于变分模态分解和麻雀搜索算法优化的核极限学习机集成模型的新预测方法VMD-SSA-KELM。该方法通过变分模态分解电池SOH序列,降低SOH回升的影响;同时利用Person相关法减少噪声的影响,提高预测的准确性;引入核极限学习机KELM,在保留极限学习机优点的基础上,提高了预测的精度。基于4辆电动汽车的运行数据对提出的模型进行验证,结果表明与VMD-DBO-KELM、VMD-POA-KELM、VMD-KELM、VMD-ELM模型相比,所提模型的预测趋势与原数据趋势一致,其他模型的结果波动较大,新模型预测的均方根误差在0.20%内,预测精度更高,预测效率更快,所用时间更短,故可以证明所提方法具有更高的准确性和鲁棒性。

针对常规虚拟空间矢量脉宽调制VSVPWM(virtual space vector pulse-width modulation)在高调制深度下,母线中点电位存在不可控区域问题,提出1种可在整个线性调制区实现中点电位快速均衡的优化型VSVPWM算法。基于VSVPWM母线中点电位均衡原理重构虚拟中矢量,为保证重构后虚拟中矢量的均压性能,同时提高算法对系统参数摄动的适应性,设计用于中点电压闭环控制的模糊推理确定重构因子对VSVPWM进行优化。即使在直流母线电容不对称情况下,优化型VSVPWM仍可实现线性调制区全范围的快速均压控制。进一步在60°坐标系内对算法简化,参考电压矢量子区域的判断条件、伏秒平衡方程组从30个减少至5个。实验结果表明,该控制策略具有良好性能,均压调节时间显著降低,直流母线中点电位稳态偏差可控制在1.14%内,相较于传统VSVPWM,并网电流总谐波含量更低。

为满足多端柔性直流电网保护的快速性和可靠性要求,提出1种基于故障电流分量的故障识别方案。方案利用故障电流行波分量的传播过程,对区内和区外故障时的电流进行分析,通过故障电流的变化差异对区内外故障进行识别;将双极线路解耦得到线模分量,故障电流线模分量的极性可作方向性判据;用计算得到的正、负极故障电流的平均值之比来实现故障的选极。在PSCAD/EMTDC中建立多端柔性直流输电线路仿真模型,仿真结果表明,所提的故障识别方法无需两端通信,仅利用单端故障电流特征量就能对各种故障进行快速、准确地辨识,且具有一定的抗过电阻能力,满足柔直输电的故障保护要求。