• 2021年第6期文章目次
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    • 动态过程的幅频调制统一本质与系统稳定问题分类及新能源发电构网能力创新

      2021, 19(6):1-9. DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2021.6.1

      摘要 (291) HTML (0) PDF 1.10 M (582) 评论 (0) 收藏

      摘要:新能源发电引起的新型稳定问题日益凸显,引起了业界对电力系统稳定问题分类的重新关注。然而,由于目前未能基于系统的基本运行机制与目标建立起系统统一的稳定问题分类,对系统面临的各种失稳现象难以进行合理分类。同时,新能源发电作为主力电源,将自然承担着维持电力系统安全稳定运行的责任,对新能源发电具备构网能力的需求变得越来越迫切。针对上述需求,基本思路是回归到系统运行机制,从电压的幅值与频率稳定是系统运行一般化目标的本质认识上讨论系统基本稳定问题以及运行对设备的需求。为此,首先阐述了电力系统基本运行机制与目标,并以此为主线,基于系统的基本运行机制与目标,对不同装备的一致性与不同装备动态时间尺度的差异性提出了统一的电力系统稳定问题分类框架。在此基础上,基于系统运行目标并结合新能源发电的特点阐述了对新能源发电构网能力的一般需求及暂态构网能力的需求。

    • 双馈异步发电机序阻抗建模简化方法

      2021, 19(6):10-18. DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2021.7.10

      摘要 (190) HTML (0) PDF 1.24 M (437) 评论 (0) 收藏

      摘要:新能源发电系统的序阻抗模型广泛应用于系统的稳定性分析和谐振分析。双馈异步发电机进行序阻抗建模时可以使用电机的电压和磁链方程或等效电路,虽然等效电路使建模过程得以简化,但是其建立的模型忽略了励磁支路的影响,且没有对简化的条件进行分析,使此类建模方法的使用产生困难。因此,基于是否计及励磁支路的电机等效电路,利用谐波线性化方法建立了双馈异步发电机转子侧的序阻抗模型,在此基础上分析两种阻抗模型之间的差异并明确简化模型的使用条件。仿真结果验证了所建立序阻抗模型的准确性。分析表明,当电机的励磁支路阻抗远大于定转子阻抗时,简化模型可代替准确模型。

    • 弱电网条件下考虑频率耦合的三相并网逆变器简化阻抗建模及宽频带振荡分析

      2021, 19(6):19-29. DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2021.8.19

      摘要 (210) HTML (0) PDF 1.86 M (597) 评论 (0) 收藏

      摘要:并网逆变器作为新能源并网时的关键接口,弱电网条件下其输出阻抗和电网阻抗的交互,可能会引起10~2 000 Hz宽频带振荡问题,通过分析锁相环、电流环及延时环节对阻抗特性的影响发现,锁相环和电流环是引起系统中低频振荡的主要原因,延时是引起系统高频振荡的主要原因。在考虑频率耦合的情况下,建立了并网逆变器单输入单输出SISO(single input single output)序阻抗模型,并根据不同控制环主导影响不同频段的动态,建立了中低频段(10~800 Hz)和高频段(>800 Hz)简化模型。针对不同控制器对系统阻抗影响界限模糊的问题,通过对系统阻抗曲线的分频段分析明确了不同控制器对于系统稳定性的影响界限,通过阻抗匹配和奈奎斯特判据对逆变器并网系统的稳定性进行了研究。最后,通过仿真和实验验证了本文的分析。

    • 采用VSG策略的MMC阻抗建模及并网稳定性分析

      2021, 19(6):30-41. DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2021.9.30

      摘要 (145) HTML (0) PDF 2.18 M (420) 评论 (0) 收藏

      摘要:随着分布式能源并网的增多,局部电网逐渐呈现出弱电网特性。虚拟同步发电机VSG(virtual synchronous generator)控制由于可以模拟同步发电机的特性,能够为弱电网提供惯性和阻尼支撑。采用谐波线性化方法对采用VSG控制策略的模块化多电平换流器MMC(modular multi-level converter)进行阻抗建模。所得到的阻抗模型在低频段主要呈容性,在高频段主要呈感性,在复杂电力系统中,可能会与电网阻抗存在谐振点。分析了VSG主要控制参数对MMC阻抗的影响,发现有功-频率下垂系数、阻尼系数和虚拟转动惯量主要影响50 Hz附近的阻抗。根据阻抗稳定性判据对MMC并网系统进行稳定性分析,发现并网系统在中高频段有振荡的风险。

    • 风电系统直流母线电压的自抗扰控制与分析

      2021, 19(6):42-49. DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2021.10.42

      摘要 (126) HTML (0) PDF 2.23 M (408) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对风电并网系统在运行中的强不确定性问题,提出一种应用于电流内环的一阶自抗扰控制1st-LADRC(first-order active disturbance rejection control)策略。首先分析了并网逆变器的频域模型并细化了耦合量,考虑实际误差,给出了真实值与测量值之间的关系式。然后,基于理论分析设计一个适用于电流内环的1st-LADRC,并基于频域分析法理论分析了系统的稳定性。最后,在Matlab/Simulink数字仿真平台,进行了不同工况的仿真验证,证明了所提控制策略的有效性、可行性。

    • 应用于储能变流器的LLC/CLLC谐振变换器综述

      2021, 19(6):50-63. DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2021.11.50

      摘要 (357) HTML (0) PDF 2.98 M (791) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对储能变流器中高效隔离型DC-DC变换器的应用需求,首先,分析了储能变流器高电压输入、宽电压输出及大功率的特点,着重比较分析了LLC/CLLC变换器实现宽电压调节范围、高压大电流输出的方法,并介绍了其软启动控制技术。然后,对比LLC变换器分析了CLLC变换器的特点,探讨其应用于高压大电流变流器所面临的问题。最后,介绍了2种拓扑在储能中的应用。谐振变换器是实现储能变流器DC-DC环节高效能量传输的有效途径,大功率LLC谐振技术相对CLLC更加成熟。随着大功率谐振技术的发展,LLC/CLLC谐振变换器将在高压、大功率储能系统中具有非常广阔的应用前景。

    • 直流分布式系统源荷对等型阻抗比判据研究

      2021, 19(6):64-73. DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2021.12.64

      摘要 (120) HTML (0) PDF 1.41 M (202) 评论 (0) 收藏

      摘要:传统直流系统的稳定性判据建立在明确区分源荷变换器的基础上。在储能单元加入后储能变换器将在源荷的角色间来回切换,这一特点对系统的稳定性判据提出了新的挑战。首先,建立多源系统稳定性模型,分别以传统阻抗比判据中右极点存在的数目与源荷变换器不对等的地位对多源系统中潜藏的不稳定区域进行了溯源。然后,构造出能解决该问题的源荷对等型阻抗比判据,并阐述了其特点与案例。最后,参照所提出的新判据及特征值法,描绘出了直流分布式系统中传统判据判断失准的区域。通过实验和建模,从时域、奈奎斯特曲线和零极点分布3个角度验证了所提判据的优势。由此表明,所提出的判据对直流分布式系统稳定性的研究具有重要的理论与实际意义。

    • 用于快速充电站的高频高效模块化固态变压器

      2021, 19(6):74-82. DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2021.13.74

      摘要 (138) HTML (0) PDF 1.55 M (516) 评论 (0) 收藏

      摘要:随着碳化硅器件的发展,基于固态变压器SST(solid state transformer)的充电站供电架构相比传统基于工频变压器的方案在效率、功率密度及扩展性等方面已展现出优势。为此,提出一种基于三电平功率单元输入串联输出并联的模块化SST。其中,隔离DC-DC级采用串联半桥LLC变换器,分析其软开关实现条件和参数设计表明,与中点箝位型三电平LLC相比更易实现ZVS,更适合高频高效运行。为实现单元间均压均流,基于后级均压前级均功率的协调控制思想,提出一种基于直流链电压反下垂的分布式控制方法,可同时实现均压、均功率和输出电压二次调节等多个目标。所提方法在一台电压10 kV、功率360 kW的SST样机上得到了实验验证。

    • 一种双向三端口车载充电机拓扑的调制及仿真

      2021, 19(6):83-92. DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2021.14.83

      摘要 (190) HTML (0) PDF 2.64 M (408) 评论 (0) 收藏

      摘要:车载充电机和低压输出DC/DC进行集成化设计是近年来的研究热点,实现方式上可分为物理集成和磁集成,其中后者因拓扑简洁、系统集成度高,对提高功率密度和降低成本贡献度大而备受关注。然而,在实际应用中磁集成的方法也面临着挑战,即:由于3个端口在磁路上的强耦合造成了输出功率的非自由调节性,必须采用新的控制策略或拓扑结构来实现3个端口的解耦。为此,在对比分析相关文献的基础上,结合基于延时控制的双向谐振型DC/DC的控制,提出一种磁集成双向三端口电路拓扑的解耦实现方法,同时考虑到车辆运行特点,给出了不同应用场景下的控制策略。最后,根据实际工况,采用SIMetrix/SIMPLIS软件搭建了仿真模型,给出了不同工作模式下的仿真结果,验证了该方案的可行性。

    • 基于二极管-电容倍压单元的DC-DC升压变换器

      2021, 19(6):93-102. DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2021.15.93

      摘要 (107) HTML (0) PDF 1.41 M (254) 评论 (0) 收藏

      摘要:基于二极管-电容倍压单元,提出了一种新型高增益升压变换器。该拓扑在实现高增益的同时可以避免使用极大的占空比,并且可有效地降低开关管和二极管的电压应力。分析了变换器的工作原理,推导了变换器工作在连续导电模式CCM(continuous conduction mode)和断续导电模式DCM(discontinuous conduction mode)下的电压增益、开关器件的电压应力和电感电流纹波。与传统的Boost变换器相比,CCM状态下所提变换器的电压增益是其(5-D)倍,电感电流纹波近似减小为原来的一半。最后通过仿真与样机实验,验证了理论分析的正确性,表明提出的变换器具有良好的综合性能。

    • 一种耦合电感双倍压单元高增益Boost变换器

      2021, 19(6):103-110. DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2021.16.103

      摘要 (91) HTML (0) PDF 1.26 M (211) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了进一步优化耦合电感型高增益Boost变换器性能,提升电压增益,将2组倍压单元与耦合电感原边和副边结合,提出了一种耦合电感双倍压单元高增益Boost变换器。耦合电感原边与二极管-电容组成的倍压单元消除了漏感影响,抑制了电压尖峰;耦合电感副边组成桥式倍压单元,副边电流双向交替,2个电容分别储能后一起放电,提高了电压增益,缓解了二极管反向恢复的问题。主要从变换器的工作原理及稳态性能两方面进行了分析,并通过实验平台制作了一台100 W的模型进行验证,理论与实验结果相一致。

    • 新型级联型磁集成开关电感高增益Boost变换器

      2021, 19(6):111-120. DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2021.17.111

      摘要 (89) HTML (0) PDF 2.93 M (223) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了提高传统级联Boost变换器的电压增益、减小支路电感电流纹波,减弱开关管电压应力、减小变换器的体积,将磁集成技术、开关电感和储能电容应用到级联Boost变换器中,提出了新型级联型磁集成开关电感高增益Boost变换器。通过引用两个开关电感和储能电容,可以使所提出的变换器的电压增益提高为传统级联Boost变换器的4倍。利用磁集成技术合理设计出耦合电感系数,不仅可以有效减小变换器电感支路的电流纹波与开关器件的电压应力,同时还提高了系统暂态响应速度,减小了变换器的体积,从而提高了变换器的电气性能。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。

    • 新型磁集成组合式CUK变换器

      2021, 19(6):121-128. DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2021.18.121

      摘要 (84) HTML (0) PDF 1.22 M (208) 评论 (0) 收藏

      摘要:提出了一种磁集成组合式CUK变换器。该组合变换器由2个基本CUK变换器组合而成,同时将变换器中3个电感进行磁集成。通过对组合变换器进行模态及工作性能分析,组合变换器的电压增益是基本CUK变换器的2倍,电感磁集成后电感电流纹波显著降低。分析给出了减小电流纹波磁集成电感耦合度设计准则。仿真和实验验证了理论分析的正确性。磁集成组合式CUK变换器可以应用于光伏、燃料电池等发电系统。

    • 5L-ANPC逆变器中器件过电压分析及抑制

      2021, 19(6):129-136. DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2021.19.129

      摘要 (87) HTML (0) PDF 1.62 M (235) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对光伏发电系统中的五电平中点有源箝位型逆变器进行研究,分析并抑制了三类引起低压器件过电压的问题。首先,通过引入吸收电容,抑制换流回路过长引起的高关断应力;其次,优化动作时序抑制前级高压器件切换引起的低压器件过电压;然后,设计特殊的关机模式抑制传统驱动全封锁关机造成的过电压问题。最后,在60 kW的实验样机上验证了电压应力抑制方法的有效性。

    • 基于储能型开关电感准Z源逆变器的模型预测控制

      2021, 19(6):137-145. DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2021.20.137

      摘要 (120) HTML (0) PDF 1.48 M (194) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对传统准Z源逆变器QZSI(quasi-Z-source inverter)升压能力和功率协调控制能力的不足,提出将储能电池与开关电感型准Z源逆变器相结合,构成储能型开关电感准Z源逆变器ES-SLQZSI(energy-storage switched-inductor QZSI),提高了系统升压倍数和功率协调能力。针对ES-SLQZSI系统,提出一种基于有限集模型预测控制FCS-MPC(finite control set-model predictive control)结构的功率控制策略,在单级变换系统中实现了最大功率点追踪MPPT(maximum power point tracking)和并网功率控制。建立ES-SLQZSI的离散时间模型,并基于此模型设计了预测函数与代价函数,然后设计了光伏功率MPPT模块和输出功率管理模块。相比于传统多级结构的储能光伏系统,所提系统结构简单,无需额外的DC-DC变换器。相比于传统双环PI+PWM控制策略,所提方法简单易行,所需PI控制器少,无需PWM调制器,且动态响应速度优良,适合被控变量较多的非线性系统。仿真结果验证了所提控制策略的有效性。

    • 双馈电机直接功率控制方法比较及实验研究

      2021, 19(6):146-153. DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2021.21.146

      摘要 (75) HTML (0) PDF 1.45 M (261) 评论 (0) 收藏

      摘要:传统的单矢量直接功率控制SDPC(single-vector-based direct power control)以其结构简单和动态响应快等优点在双馈电机DFIG(doubly-fed induction generator)并网发电控制中得到了广泛研究,但同时具有高采样频率、变开关频率和稳态脉动大等缺点。在传统矢量表直接功率控制的基础上,将占空比优化的思想引入双馈电机直接功率控制中,深入研究了双矢量直接功率控制,以期在取得较快动态响应的同时,减低稳态功率脉动。最后搭建了实验平台对3种直接功率控制方法的动静态性能进行了实验验证和比较,为实际应用中控制算法的选择提供了理论和实验依据。

    • 高压直流输电系统单极闭锁故障下同步调相机与STATCOM的对比研究

      2021, 19(6):154-163. DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2021.22.154

      摘要 (73) HTML (0) PDF 1.38 M (217) 评论 (0) 收藏

      摘要:当高压直流输电系统送端换流站发生单极闭锁故障时,换流站交流侧将出现无功功率过剩,导致换流站交流侧电压骤升,进一步会引起送端电网各发电设备端电压骤升。因此,需要在送端交流侧附近加装适当的暂态无功补偿装置以提高系统的稳定性。为此,当先从运行原理、响应特性等多个角度对同步调相机和静止同步补偿器两类暂态无功补偿装置进行分析。然后,对比分析单极闭锁故障下两者在高压直流输电送端系统的应用效果。最后,结合单极闭锁故障下切除部分无功补偿装置的措施,得出同步调相机具有更强的暂态无功支撑能力和暂态电压调节能力的结论。

    • 基于磁控电感低压电网线电压调节器的研究

      2021, 19(6):164-170. DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2021.23.164

      摘要 (55) HTML (0) PDF 2.32 M (159) 评论 (0) 收藏

      摘要:为解决低压电网线路中由于电压调节技术原因导致电压畸变的问题,提出了一种新型低压电网线电压调节器LVR(line voltage regulator),并设计了磁控电感MCI(magnetically controlled inductor)元件。该元件可以使用一个较小的铁芯,省去了开关元件和其他运动部件,减小了铁损耗和材料损耗。基于MCI设计三相电路模型及实验平台,通过实验与仿真结果,对比电压的变化和效率均达到预期结果,验证了具有电压的无极调节功能和高鲁棒性,使得该器件可以用于低压电网电路的调节,为电压调节器的进一步研究提供参考。

    • IGBT模块栅氧老化机理分析与表征方法研究

      2021, 19(6):171-178. DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2021.24.171

      摘要 (86) HTML (0) PDF 1.33 M (232) 评论 (0) 收藏

      摘要:绝缘栅双极型晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)作为电力电子系统的核心器件,广泛应用于新能源发电、轨道机车牵引、电动汽车驱动以及航空航天等重要领域。栅氧层作为IGBT中相对薄弱的环节,如何准确地预测IGBT栅氧层老化状态成为学术界和工业界的研究热点。首先,分析IGBT栅氧层老化机理以及栅氧层老化对IGBT关断过程的影响,提出关断延迟时间td(off)作为IGBT栅氧层老化状态的状态参数。其次,建立IGBT栅氧层老化仿真模型,并对td(off)表征IGBT栅氧层老化状态进行仿真分析。最后,搭建了双脉冲实验平台,获得了栅氧层老化影响IGBT功率模块相关电气参数的实验结果,并与仿真结果进行了比较验证。实验结果证明td(off)可以有效地表征IGBT栅氧层老化状态。该研究对电力电子器件和装置的运行维护与状态预测具有重要的应用价值。

    • 基于ZVS双管自激电路的等离子体电源设计

      2021, 19(6):179-186. DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2021.25.179

      摘要 (72) HTML (0) PDF 1.32 M (217) 评论 (0) 收藏

      摘要:目前等离子体激励电源通常以工频交流电作为供电输入,体积较大,与便携式等离子体发生装置不匹配,限制了等离子体技术的应用与推广。以此为研究背景,设计并研究了便携式介质阻挡放电电源。该电源重量为200 g,尺寸为102 mm×57 mm×30 mm,电源主电路采用ZVS双管自激电路。通过电路仿真软件辅助设计主电路,并进行了实验测试。结果表明,当电源输入电压为3~12 V时输出电压可达2~5 kV,输出频率可在20~30 kHz范围内变化,最大输出功率为60 W,功率重量比为300 W/kg,高于目前商品化高频高压等离子体电源。采用设计的电源能够成功激发沿面型介质阻挡放电SDBD(surface dielectric barrier discharge)等离子体发生器和悬浮电极介质阻挡放电FE-DBD(floating electrode dielectric barrier discharge)柔性等离子体发生器产生冷等离子体,经过实验研究,其相关特性满足大气压开放条件下空气介质阻挡放电工作电压2~20 kV、工作频率50 Hz~1 MHz的要求,为介质阻挡放电电源的便携性提供了良好的技术支撑。

    • SPWM电源频率对DBD臭氧产生影响的试验研究

      2021, 19(6):187-196. DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2021.26.187

      摘要 (78) HTML (0) PDF 1.39 M (271) 评论 (0) 收藏

      摘要:介质阻挡放电产生臭氧与工作频率关系密切,臭氧的产量、浓度与产率指标往往相互背离,研究工作频率对臭氧指标的综合影响有重要意义。SPWM电源与臭氧发生器负载的等效电路及仿真结果表明SPWM输出方波的基波为正弦波,幅值10%~95%可调,频率50~2 000 Hz可调,可方便地用于测试频率对臭氧产生性能的影响。搭建由145根放电单元组成的工业应用级臭氧发生器,设计单相三阶SPWM臭氧电源,试验结果表明:谐振频率点随调制度的改变、运行电压的高低会有些变化,当工作频率略低于谐振频率时,发生器性能指标较好,当工作频率大于谐振频率时,臭氧浓度、产率等性能指标出现较大幅度下降。该装置SPWM电源在三种不同的试验路径下,均可优选出合适的工作频率,其中一个优选工作频率为810 Hz,此时臭氧产量为2 095 g/h,臭氧浓度为150.7 g/m3,产率为135.1 g/(kW·h)。

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