基于多FPGA的电力电子实时仿真系统

大功率复杂电力电子装置通常需要实时仿真系统来加速装置开发和功能验证。然而,商业化电力电子实时仿真系统均由国外公司垄断,价格昂贵,系统升级维护费用高,开放性差,仿真容量和接口数量也受限。为此,文中提出了一种基于多现场可编程门阵列(FPGA)的实时仿真系统的实现架构,以多片FPGA作为并行核心运算单元,有效增加仿真容量和缩短仿真步长。分析了数据实时传输的需求,并提出了一种满足通信需求的增强型串行外设接口(SPI)通信方式。基于该架构自主开发研制了实时仿真平台,并采用硬件描述语言构建10kV 12级联H桥静止同步补偿器(STATCOM)电路模型进行系统实时仿真验证。实验结果表明:实时仿真步长可以达到2μs,实时仿真波形与MATLAB仿真波形误差在0.5%以内。     

n电平空间矢量算法的优化及其硬件实现

 本文提出了一种适合硬件实现的多电平空间矢量调制算法,该算法利用空间矢量图的几何对称性来实现算法优化.多电平空间矢量图可以划分为几何形状完全一致的六大扇区,优化算法通过扇区之间的对应关系把矢量调制算法的计算集中在一个扇区内完成.与传统的空间矢量算法相比,计算量减少为原来的1/6,更适合用硬件实现.为了设计出的硬件电路具有通用性,本文给出了具体设计过程.最后,文章以两电平和三电平IP(Intellectual Property)核的设计为实例验证了优化算法的正确性和有效性.     

多相同步电动机中压变频调速装置系统集成

电力电子系统集成对于中大功率电力电子装置而言是要实现其系统结构和部件的标准化.作者以多相同步电动机中压变频调速装置为研究背景,探索了复杂大电力电子装置中的系统集成问题.作者对大电力电子装置进行模块化研究,首先分析如何选择主电路的一级标准模块,如三电平逆变单元的一级标准模块为一相NPC三电平桥臂;然后又分析了如何划分系统的二级标准模块,如整流模块、逆变模块、励磁模块等;随后作者又以多相同步电动机调速系统为例对控制系统进行分层研究,设计了各控制管理层的任务及各层问的信息流通信方式.利用这些研究成果,作者设计、制作了模块化的同步电机调速装置,试验取得了成功.     

输入输出电流连续的非隔离直直变换器

针对航天器电源系统的应用背景,提出输入输出电流连续的非隔离变换器拓扑.该类变换器具有输入输出电流纹波小的特点,能够显著地减少变换器的输入输出电容容量,特别适合对体积和可靠性要求较高的航天应用领域.在传统非隔离变换器的基本结构基础上,根据电感电流不能突变的原理,通过对开关单元的构造,提出能够实现输入输出电流连续的非隔离变换器拓扑结构和开关单元,通过组合推演得到输入输出电流连续的非隔离变换器.给出该族拓扑的推演过程,以其中一拓扑为例进行仿真分析及实验验证.仿真与实验结果表明所提推演方法的有效性,验证了该类变换器具有输入输出电流连续的特点.     

一种基于三电平矢量调制波的多电平调制方法

以五电平为例简述了多电平空间矢量调制（SVM）的实现方法，在此基础上分析了多电平SVM与多电平载波调制的联系和区别，指出多电平SVM比载波调制在开关组合的选择上更加灵活，使得多电平SVM更有利于输出电压波形的优化和输入直流侧的功率平衡，但是多电平SVM的实现相对复杂。因此文中提出了一种改进的多电平调制方法，该方法基于三电平矢量调制波，折衷了多电平SVM和载波调制的优缺点，既利用了SVM在调制波过零点附近增加开关次数来减小输出电压波形畸变的优点，又可以通过三电平矢量调制计算出调制波，使用载波调制的方法实现，使得该方法的计算量不会随着电平数的增多而大幅度增加。所建立的五电平实验模型验证了该方法确实可行。     

谐波补偿下考虑中点平衡的等效三电平调制

中点箝位型(NPC)三电平拓扑在较高电压场合被广泛应用,三电平调制算法和中点均压控制策略是该拓扑的关键技术.此处首先分析了三电平空间矢量脉宽调制(SVPWM)和载波脉宽调制(CBPWM)方法的等效关系,指出调节小矢量作用时间与注入零序分量来调节中点电位的等效性.针对传统中点平衡方法不适用于谐波补偿的应用场合,引入基于电压参考矢量和相电流方向判断的改进方法,并给出了在两种调制策略下的等效实现方式.最后,通过实验验证了两种调制算法的等效性以及改进中点均压控制方法在谐波场合的适用性.     

一种简易的三电平APF中点电位控制方法

中点箝位型(NPC)三电平有源电力滤波器(APF)存在直流侧中点电位不平衡的问题,常见的中点电位控制算法建模过程复杂.这里给出一种简易的控制方法,仅通过判断上、下电容电压差正负极性和中点电流方向,不仅可以实现中点平衡,还能减小开关损耗.通过仿真验证了所提控制方法的准确性和可靠性,并搭建了一台样机进行实验,实验结果证明了所提控制方法具有良好的控制效果和实用性.     

谐波畸变电网下的单相同步旋转坐标系锁相环

锁相环技术是并网变流器的核心技术之一。针对传统单相同步旋转坐标系锁相环在畸变电网下锁相精度差的问题,提出一种基于离散傅里叶变换(DFT)的高精度锁相环技术。基于DFT的锁相技术的核心问题是如何准确获取电网频率,将DFT和单相同步旋转坐标系锁相环相结合,利用DFT的优异选择性滤波性能和相角变换性质,从畸变电网信号中准确提取基波和生成虚拟正交信号,在同步旋转坐标系提取电网频率,实现DFT的频率自适应,最终无静差、高精度跟踪电网相位。仿真和实验结果表明,所提出的锁相环对电网电压的畸变谐波、直流偏置误差和电网频率脉动等有很好的适应性,在各种电网条件下,均能准确地跟踪电网电压相位,验证了该锁相方法的有效性和优越性。     

三电平六相同步电机变频调速技术研究

中压逆变技术是大容量变频调速的首选方案,但受到功率器件耐压等级和导通电流的限制,仅仅依靠中压逆变技术来进一步提升调速系统的容量已经变得非常困难。多相电机是实现大容量传动的又一途径。该文以这两种技术为研究背景,探索结合中压逆变技术和多相电机技术的调速方案：文章在三相同步电机矢量控制的基础上扩展建立了六相同步电机的气隙磁通定向矢量控制方法和六相同步电机的气隙磁链观测技术;文章将六相逆变器分解为两个三相逆变器来控制,从而简化了六相三电平逆变器的空间矢量调制和中点电位平衡处理。作者利用这些技术设计开发了"690V/ 200kW三电平六相同步电机变频调速装置",并在该装置上进行大量动态和稳态实验研究,取得良好的运行效果。     

基于电力电子标准模块的高速智能通讯网络拓扑

目前,通用数字控制功率变换器的控制结构尚未充分利用数字通讯的优点。分布式数字控制网络结构是复杂中大功率电力电子系统集成的方向。该文从分析基本环状网络结构出发,提出了一种基于电力电子模块(PEBB)的高速智能通讯网络拓扑,其最大优点是每个通讯单元的数据发送源可以根据该单元当前状态选择。该通讯网络可大大提高数据在网络上的传输速度,减小传输延时,可更好的解决电力电子高速通讯中由环形网络本身特性所带来的同步问题,也对降低光纤通讯网络的成本起到极大促进作用。通过实验,文章最后给出了每两个从节点间数据传输延时的时间,可以得出该控制系统对于有较高开关频率要求的电力电子变换器同样适用。