三相逆变电路的离线模型预测控制研究

针对电力电子电路传统开关函数模型只描述电路的控制变迁而忽略了电路的条件变迁,可能导致电路动态信息丢失这一问题,建立了电力电子电路的混合逻辑动态模型,并将其作为预测模型。在此基础上,以电路可行解代替最优解,将可行解及移动闭塞的思想用于电路的模型预测控制(MPC),可有效减少控制序列总数、降低开关频率,实现电路MPC的快速求解,克服了电路MPC的计算难题。详细研究了电力电子电路控制序列的求解算法及实现过程,并以三相逆变电路为例验证了控制方法的可行性与有效性。     

BuckBoost变换电路DCM动态建模分析

以Buck-Boost电路为例,求解了变换器的平均模型及其线性化后的小信号模型。利用Simulink软件分别搭建状态平均方程等效电路、线性化小信号模型等效电路。通过动态模型仿真与开关器件电路仿真结果对比,验证了动态模型的正确性,讨论了断续电流模式(DCM)平均模型的适用范围与存在的缺陷。理论分析结果表明:大信号和小信号模型,在宏观时间尺度上,可以较好地模拟实际开关电路的动态特性。小信号模型只能用来求解扰动较小的情况,即当扰动过大时,小信号模型求解的误差将会很大。     

非线性电路的数值分析(三)

本讲介绍非线性动态网络的数值解法,列举交流接触器直流运行电路等三个例子,说明离散化、线性化的方法,以及按友网络模型对非线性电路的瞬态过程进行数值迭代求解的方法。     

直接计算动态电压稳定Hopf分岔点的方法

对于一个n维电力系统,若用直接法求解Hopf分岔点,需要解1个3n+2维的方程组,计算量大,易陷入维数灾。该文提出一种降阶求解动态电压稳定Hopf分岔点的新技术,其特点是将直接法的3n+2维牛顿迭代方程组降为n+2维线性方程组求解。与传统直接法相比,该方法计算量小,适用于大型电力系统动态电压稳定的分析计算。2个典型电力系统动态模型的算例验证了其可行性和高效性。     

IGBT电力电子系统小时间尺度动态性能分析与计算的电磁场-电路耦合模型

为了解决现有模型不完全适用于小时间尺度电力电子系统瞬态性能分析与计算的不足,建立用于IGBT电力电子系统小时间尺度动态特性分析、计算的三维电磁场-电路耦合计算模型,并提出其求解的迭代计算方法。为精确描述小时间尺度下IGBT内部瞬态电磁场及其分布规律,建立的IGBT本体三维有限元模型考虑位移电流、趋肤效应和引线邻近效应等复杂因素的影响;为考虑极小时间尺度下线路中杂散参数的电磁效应,高阶杂散参数电路模型采用多段等效电路模拟杂散参数的影响,同时采用谐态电磁场数值分析计算方法提取模型参数以考虑趋肤效应等的影响。基于IGBT内部电磁暂态过程的分析,提出一种改进的IGBT电路模型;为兼顾计算精度和计算时间的要求,提出等效高阶电路模型的一种降阶方法。仿真计算和实验测试结果证明了所建模型及求解方法的有效性和正确性。     

大型电力变压器线圈中特快速暂态电压分布的计算

用集总参数RLC电路模型计算大型电力变压器线圈中的特快速暂态电压(VFTO)分布,即使以线匝为单元进行剖分,也不能准确模拟VFTO中的高频分量。分布参数电路模型虽然能够在较宽的频率范围内模拟快速暂态电压分布,但是由于其求解的复杂性,不能用于大型超、特高压变压器整体绕组的建模。为此,提出了一种解决思路:首先改进集总参数电路模型结构,提高其适用频率范围;其次在高频段简化分布参数电路模型,降低其求解的复杂性,使之能够适用于整个大型线圈的建模。基于这种思路形成了频域分段模型,能够比较准确和方便地求解大型变压器线圈中的VFTO分布。在改进集总参数电路模型方面,不是从场的模型出发,来改造传统的电路模型,而是从传输线的数学方程出发,在不明显提高求解复杂性的前提下,推导出一种新型的集总参数电路模型,把集总参数电路模型的适用频率范围提高近1倍。     

基于棱边有限元的变压器场路耦合瞬态模型

提出了一种新的基于棱边有限元法的变压器场路耦合瞬态模型。为讨论节点有限元法与棱边有限元法的计算区别,根据实际变压器参数建立模型,利用Ansys二维轴对称单元、三维节点单元和棱边单元,研究铁心磁场分布和磁通连续性,并得出结论,节点有限元法在变压器电磁场计算中存在较大的误差,棱边有限元法可以显著提高计算精度。基于棱边有限元法建立场路耦合瞬态模型,在电路模型中利用动态电感参数,建立瞬态电路偏微分方程数学模型,用四阶龙格库塔法求解;根据能量扰动原理,在磁场计算中根据能量增量计算动态电感;代入瞬态电路方程,实现场路耦合。分析线圈电流、电感参数和铁心漏磁情况,并说明瞬态耦合模型的有效性与合理性。     

一种带线性动态负载的十二相飞轮储能发电机系统

未来多相储能发电机系统具有广阔的发展应用前景,本文在一套十二相/12kW同步发电机硬件系统的基础上进行了带线性动态负载的十二相飞轮储能同步发电机系统的设计与仿真模型研究。系统中的线性动态负载模块由Buck电路构成,励磁功率放大器模块采用全桥电路,励磁控制器模块采用一种新型变参数反馈加前馈的控制方式。为检验设计效果,基于EMTDC软件建立了系统仿真模型,其中电机模型应用Fortran语言对EMTDC软件二次开发获得。仿真结果表明:所有设计模块均能完成基本功能,线性动态负载的输出功率能够按照期望的速率线性增加,励磁控制系统具有较好的控制精度与响应速度;系统模型求解准确、高效。     

基于源网荷统一链式电路的交流电气化铁路动态潮流计算

为了实现交流电气化铁路列车供电系统仿真一体化,并考虑公共连接点处多负荷的相互影响,将列车供电系统分为电源层、电网层和负荷层。通过建立输电线、馈线和牵引网的链式电路模型及各接口之间的转换关系模型,构建列车供电系统源网荷统一链式电路通用模型。基于该模型进行列车供电系统动态潮流计算,分别建立采用电流源和功率源迭代模型求解的基本型模型。为了降低计算机仿真耗时,在基本型模型的基础上,提出相应的改进型模型及求解方法。以某电气化铁路线路为例,分别对不同求解方法的计算精度、迭代收敛次数、计算机仿真耗时和模型应用场景等进行仿真分析。结果表明基本型和改进型计算精度一致,但改进型仿真耗时更少;进行源网荷潮流计算具有必要性,尤其电网薄弱地区,同时表明功率源迭代模型较电流源迭代模型应用场景更广。     

基于Blackman-Nuttall窗改进FFT校正的新型三相动态谐波电能表设计

针对电网动态谐波检测与电能计量的急切需求,建立了改善动态谐波FFT频谱泄漏和旁瓣效应的基于Blackman-Nuttall窗三谱线改进FFT校正的谐波电能计量方法,提出了ADS1178+TMS320C6745+K60架构的新型三相动态谐波电能表的设计和研究方案,详细介绍了多通道、高采样率、同步采样ADC的数据采集和调理电路单元,以及以高性能浮点DSP芯片TMS320C6745为核心的电网信号数据处理电路单元,提出了基于牛顿插值的动态谐波电能计量的误差校正方法。实验与测试表明,新型三相谐波电能表的基波有功功率相对误差≤0. 1%,基波无功功率相对误差≤1%,2次～21次谐波电压幅值相对误差≤0. 6%、谐波电流幅值相对误差≤0. 7%、谐波相位误差≤0. 5°,符合国家标准GB/T 14549-93中的A类谐波测量仪器相关精度要求。     

基于动态混沌粒子群的接地网腐蚀分块诊断方法

分析和总结了目前现有的接地网腐蚀诊断方法,提出了基于动态混沌粒子群优化算法的分块诊断方法。该方法针对不规则接地网拓扑结构,将其分块成规则的子模块,并根据电路分析原理,建立了数学关系模型及诊断方程组。通过诊断模型的优化和采用动态混沌粒子群优化算法来求解,以搜索全局最优解。该方法降低了诊断方程组的病态程度,提高求解精度。通过适应度评价准则动态增减混沌粒子数目,从而达到既提高了求解精度和加快求解速度的目的。通过某变电站地网结构的实际算例分析,证明了该算法的可行性。     

变压器电磁耦合模型中动态电感的计算方法

变压器瞬时电感参数计算是备受关注的研究内容。本文结合变压器直流偏磁问题,基于能量平衡原理计算动态电感。建立变压器电磁耦合模型,求解时变非线性磁场,利用局部线性化方法获取系统能量,从而计算动态电感;通过电路求解时域电流,并回馈磁场实现耦合。在此基础上模拟变压器直流偏磁电磁特性,分析在不同直流扰动下动态电感与非线性励磁的对应关系,并总结其规律。搭建实验平台,对比实测数据与计算结果,验证本文所采用方法的准确性。     

基于动态混沌粒子群的接地网腐蚀分块诊断方法

分析和总结了目前现有的接地网腐蚀诊断方法,提出了基于动态混沌粒子群优化算法的分块诊断方法.该方法针对不规则接地网拓扑结构,将其分块成规则的子模块,并根据电路分析原理,建立了数学关系模型及诊断方程组.通过诊断模型的优化和采用动态混沌粒子群优化算法来求解,以搜索全局最优解.该方法降低了诊断方程组的病态程度,提高求解精度.通过适应度评价准则动态增减混沌粒子数目,从而达到既提高了求解精度和加快求解速度的目的.通过某变电站地网结构的实际算例分析,证明了该算法的可行性.     

交直流混合模式下变压器动态电感参数辨识方法EI北大核心CSCD

电力变压器在交直流混合模式下运行时的电感和电流变化与传统情况具有明显区别,该文结合电磁耦合机理提出一种动态电感参数的辨识方法。建立磁场-电路耦合模型,以时域电流和动态电感为关键耦合参数,采用棱边有限元法求解磁场模型,利用局部线性化的方法获取系统能量,基于能量原理计算动态电感。采用四阶龙格库塔法计算时域电流,通过非线性磁场和微分电路迭代实现磁场与电路的耦合。研究无直流和交直流混合条件下变压器的电磁特性,结合励磁饱和状态,分析动态电感波动情况并总结其变化规律。通过仿真计算与实验数据对比,验证该文方法的有效性和所得结果的正确性。     

太阳能电池的动态模型和动态特性

太阳能电池的动态模型和动态特性对研究光伏发电系统的稳定性至关重要。该文从硅太阳能电池的物理模型出发,求解出太阳能电池的稳态、动态特性解析表达式;就此得出计及引线电感的太阳能电池动态电路模型;推导出太阳能电池的动态电阻、结电容、小信号输出阻抗的精确表达式,并对不同光照、不同输出电压下的小信号输出阻抗进行仿真研究;最后构建了基于LED灯和超级电容的太阳能电池动态实验平台,对光照突变时太阳能电池的短路电流响应以及电压突变时太阳能电池的暗电流响应进行了实验验证,并给出了太阳能电池少数载流子寿命的简便测量方法。     

新型逆变电路有限控制集模型预测控制

针对传统开关函数模型只能描述电路的控制变迁而忽略了电路的条件变迁这一不足,建立了一种新型逆变电路更为精确的混合逻辑动态(mixed logical dynamical,MLD)模型,并将其作为预测模型,研究了航空新型电路的有限控制集模型预测控制(finite control set model predictive control,FCS-MPC)。FCS-MPC充分利用电路的离散特性,通过比较预测电压值和参考电压值的大小,将其差值作为衡量输入量的目标函数,最后选择电路控制集中使目标函数值最小的开关状态作为电路的控制输入,有效地解决了模型预测控制中混合整数二次规划(mixed integer quadratic programming,MIQP)问题的求解。仿真和实验验证了该控制方法具有良好动静态特性,证实了所提方法的有效性。     

动态电路初始值的研究

储能元件初始值的确定对研究动态电路的分析至关重要。通过对四个典型的RC常态电路、病态电路的电容初始电压及冲激电流的分析,系统、深入地探讨了RC常态电路、病态电路在有界电源激励下的初始值的确定,并得出在病态电路中的电容电流必是冲激电流的重要结论和三种RC病态电路电容电压初始值的求解方法。从理论上更深入了对RC病态电路初始值乃至电路暂态响应的认识,解决了RC病态电路初始值求解难的问题。     

MMC通用快速仿真模型及其在多端直流系统中的应用北大核心CSCD

为了研究复杂交直流网络下模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)与电网的交互影响问题,本文提出了一种普遍适用于多种拓扑变化的MMC通用快速仿真模型。首先,利用可控电压源、理想开关和二极管来等效不同拓扑在各种运行状态下的电路结构,得到桥臂通用简化电路,实现了MMC的动态特性和控制行为的准确模拟;其次,通过对多子模块开关和调制过程进行平均化等值,计算出桥臂动态平均值,避免了大规模节点导纳矩阵的动态求解,实现了仿真效率的提升。基于PSCAD/EMTDC平台,验证了所建立仿真模型的仿真精度和仿真速度;最后,应用MMC通用快速仿真模型,研究了多端柔性直流系统的关键控制策略和直流故障保护问题。     

MMC通用快速仿真模型及其在多端直流系统中的应用

为了研究复杂交直流网络下模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)与电网的交互影响问题,本文提出了一种普遍适用于多种拓扑变化的MMC通用快速仿真模型。首先,利用可控电压源、理想开关和二极管来等效不同拓扑在各种运行状态下的电路结构,得到桥臂通用简化电路,实现了MMC的动态特性和控制行为的准确模拟;其次,通过对多子模块开关和调制过程进行平均化等值,计算出桥臂动态平均值,避免了大规模节点导纳矩阵的动态求解,实现了仿真效率的提升。基于PSCAD/EMTDC平台,验证了所建立仿真模型的仿真精度和仿真速度;最后,应用MMC通用快速仿真模型,研究了多端柔性直流系统的关键控制策略和直流故障保护问题。     

改进蚁群算法及其在变压器绝缘介质响应电路参数辨识中的应用

回复电压测量法是一种有效诊断变压器绝缘状态的元损检测方法,建立油纸变压器介质响应等值电路模型是分析绝缘老化与特征量之间关系的有效途径。为此,在建立等值电路数学模型的基础上,将等值电路参数辨识问题转化为数学优化问题,并采用改进蚁群算法进行了等值电路模型参数辨识。最后通过4种测试函数验证了：蚁群算法中将全局最优解结合当次迭代最优解进行全局信息素更新,能够在保证快速收敛的同时,扩展算法搜索范围,而动态信息素局部更新也增强了算法摆脱局部最优的能力。模型计算与实际测量的极化谱对比也说明了改进算法求解的等值模型能准确地反映油纸绝缘变压器的介质响应特性。