基于节点导纳方程预处理的ISOP型DAB变换器双端口解耦等效模型

电力电子变压器是柔性直流配电网的主要设备,常包含大量开关器件与储能设备,且高频特征限制了仿真步长,仿真效率极低。文中针对典型的输入串联输出并联(input-series-output-parallel, ISOP)型双有源桥(dual active bridge,DAB)变换器,提出一种基于节点导纳方程预处理的双端口解耦等效模型。首先,将变压器用双端口等效电路表示,列写单个DAB单元的节点导纳方程。然后,通过嵌套快速求解法,列写DAB端子对外等效节点导纳方程,并利用矩阵的对称性与稀疏性进行节点导纳方程的预处理,求解等效参数表达式。其次,利用DAB单元端口电容电压不突变性质进行单步长约等,建立串并联侧解耦的单模块等效电路。最后,给出ISOP型DAB变换器的对外等效电路参数与求解流程。在PSCAD/EMTDC环境中对所提等效建模方法进行仿真加速比与精度的测试,结果表明,当DAB模块数大于50时,所提模型可实现2个数量级的提速,并且与详细模型相比具有极高的仿真精度。     

直流微电网高频振荡稳定问题的降阶建模及分析

为从等效电路角度揭示直流微电网高频振荡稳定机理,建立了直流微电网降阶电路模型.将直流电压控制单元降阶成等效电阻、电感串联电路模型,其中将下垂控制、直流电压控制及电流内环控制环节对系统高频稳定性的影响转化为可量化的等效电阻、等效电感.进一步结合采用等效电阻、电容并联电路的恒功率负荷模型,得到直流微电网全系统降阶电路模型,在此基础上提出了直流微电网高频振荡稳定性判据.并基于所提降阶模型,分析了直流电压控制单元详细控制参数对等效电阻、等效电感以及稳定性判据的影响,从等效电路的角度揭示了直流微电网发生高频振荡失稳的原因.最后,在PSCAD/EMTDC软件中对所提降阶模型进行了仿真验证.     

H桥单元主电路杂散参数对开关暂态过程的影响

以一台H桥IGBT功率单元为对象,基于部分单元等效电路(PEEC)方法建立直流母线的高频等效电路,以基于最小二乘法的曲线拟合提取电容组的等效参数。以单桥臂电路实验中获得的桥臂电压的交流分量作为激励,施加于由母线和电容组模型构成的等效电路上进行仿真,用母线电流的实测波形与仿真波形进行比较验证等效电路的准确性。以此电路为基础,研究了等效电路参数变化对暂态过程的影响。结果表明,变换器的开关暂态过程对主电路寄生电感参数的变化非常敏感     

大功率链式STATCOM电磁暂态快速等效建模和误差评估

针对含有大量模块的大功率链式静止同步补偿器(STATCOM)存在的电磁暂态仿真速度缓慢的问题,提出一种链式STATCOM级联H桥拓扑的等效建模方法,以提高仿真效率。主要开展了以下的研究:对比分析了经典电磁暂态建模和快速等效建模的原理;推导出级联H桥换流链电压、电流之间的数学模型;结合换流链数学模型及其控制方法,设计出基于MATLAB/Simulink的仿真流程;分析主要电气量如功率模块直流电压、换流链电流和功率等的理论误差。比较精确模型和等效模型的仿真精度和仿真速度,结果表明所提的等效模型与精确模型的仿真误差小于1.2%,仿真时间缩短了80%。可见所提的大功率链式STATCOM电磁暂态快速等效建模和误差评估方法,可以在精度允许范围内大幅降低仿真时间并精确评估模型,具有较强的科学和工程应用价值。     

级联H桥型电力电子变压器的闭锁状态等效建模方法

电力电子变压器(power electronic transformer,PET)是未来交直流混合配电网的关键设备,对其进行多工况高效仿真的一个关键难点为闭锁等效建模。该文提出一种适用于级联H桥型PET(cascaded H-bridge based PET,CHB-PET)闭锁状态的等效建模方法。首先,以一个实际算例说明闭锁状态的电路特征;其次,经过合理简化后,推导部分闭锁和完全闭锁状态下的戴维南-诺顿等效参数;然后,分析闭锁等效模型的3种实施方式,提出一种与非闭锁模型共用状态变量存储单元的集成方法;最后,在PSCAD/EMTDC软件中搭建典型的10kV/3kV三相CHB-PET系统,并进行启动、电压暂降及直流故障闭锁工况仿真。结果表明,与详细模型相比,所提闭锁等效模型具有足够的仿真精度。     

光伏级联并网系统模块单元共模干扰建模及分析EI北大核心CSCD

为提高电能转换效率、降低器件的电压应力,大型光伏发电系统通常采用级联式拓扑、模块化设计。建立光伏级联系统模块单元的共模干扰模型是研究模块化光伏级联系统的电磁兼容特性,实施电磁兼容量化设计的基础。该文首先提出一种多绕组变压器结构电容的测试方法及等效共模耦合电容的计算方法,建立多绕组变压器高频共模耦合模型,对高频多绕组变压器各绕组之间的共模干扰耦合关系进行分析和评估;之后通过研究模块单元的共模干扰产生及耦合机理,建立一种新型LLC谐振变换器共模等效电路模型,并建立模块单元及系统的共模模型;最后,为解决大功率系统传导干扰测试困难的问题,采用退耦电容和高频磁环来隔离外部干扰,对功率缩比样机的共模电流进行测试。实验测试结果验证了所建模型的有效性。     

三相级联H桥型电力电子变压器电容值设计方法

针对三相级联H桥型电力电子变压器(PET),分析了输入侧瞬时功率波动特性,建立了其直流侧电容电压及中间级高频变压器原、副边电流的时域解析模型,并基于该模型提出一种PET电容值设计方法。基于MATLAB/Simulink仿真平台搭建三相级联H桥型PET仿真模型,并在功率模块测试平台进行实验验证。仿真及实验结果表明该解析模型可以准确地描述电容电压及变压器高频电流的波动特性,进而为主电路参数设计与控制系统设计提供研究基础。     

基于81电平铁路功率调节器的不平衡补偿策略

为进一步降低铁路功率调节器在大功率补偿过程的开关频率,采用开关频率较低的混合级联81电平变换器作为电压源、开关频率较高的单相全桥变换器作为电流源,将两个电压源背靠背连接,提出一种81电平铁路功率调节器。由于系统中承担85%的补偿功率的开关器件的开关频率在250 Hz及以下,开关频率高的电流源仅承担1%的功率,因此系统开关损耗小且对补偿电流参考信号的跟踪性能好。研究了系统的基本结构及其等效电路,通过构建等效对称三相电压源建立等效三相电路,采用有功功率平均分配法,使得补偿后的系统等效为Y-Y型对称三相电路,从而实现不平衡电流补偿,并提出一种新的补偿电流检测方法。仿真结果证明所提系统及其补偿方法的有效性和可行性。     

三相AC/DC型电力电子变压器高频直流环节回流功率优化控制研究

级联H桥AC/DC型电力电子变压器中的高频直流环节通常采用双有源桥电路DAB(dual-active bridge),并通过移相控制方式进行能量传递。单移相控制会在DAB中引入回流功率,增加系统损耗。在由理想直流电压源供电的DAB中,通过改进的移相控制可以显著抑制回流功率。然而在电力电子变压器PET(power electronic transformer)中,交流电网侧的PWM整流环节会引入二次脉动功率,导致其高频直流环节的输入/输出电压变比存在低频脉动,使得现有的回流功率抑制方法难以获得期望效果。针对这一问题,分析了在PET模块电容电压存在低频脉动的情况下,采用单移相和扩展移相两种控制方式下的回流功率分布特征;同时,结合功率通道型三相AC/DC电力电子变压器,提出了功率解耦和扩展移相协同控制的回流功率抑制方法;通过功率解耦控制,抑制模块电容电压中的低频脉动,维持高频直流环节输入/输出电压变比恒定,并结合扩展移相控制,抑制PET中的回流功率。仿真和实验结果验证了所提方案可以有效抑制三相AC/DC型PET中高频直流环节内的低频脉动功率及回流功率。     

串联型H桥级联多电平电压扰动发生器

提出了一种串联型H桥级联多电平电压质量扰动发生器主电路拓扑,由低频级联H桥和高频H桥模块构成。该拓扑是一种混合串联型结构,系统电源提供大部分基波功率,低频H桥逆变器只输出基波和低频波动闪变波形,高频模块输出所有谐波电压波形,从而实现电压扰动解耦控制,保证电压扰动的精度和响应速度。利用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)实现级联H桥逆变器的载波移相控制,同时完成对谐波模块的独立控制。制作了一套单相低压实验样机进行实验分析,实验结果表明主电路拓扑及控制策略能够良好地实现可控电压质量扰动发生。     

兆瓦级宽频带阻抗测量装置设计及其控制方法

为了测量新能源发电基地内大型光伏、风力等新能源发电装备的频域阻抗特性,提出了一种兆瓦级宽频带阻抗测量装置设计及其控制方法,该测量装置可接入35kV待测新能源并网发电系统,测量频宽为10Hz~1kHz。首先分析了阻抗测量的基本原理并推导了待测系统在dq坐标系下的阻抗矩阵计算公式;然后介绍了所提阻抗测量装置的总体设计方案,并重点分析了电压扰动注入单元各部分的设计,包括功率子模块设计、LC输出滤波器设计和耦合变压器设计;电压扰动注入单元采用多功率子模块级联的结构,各功率子模块由三相不可控制整流、高频隔离DC/DC变换器和单相H桥模块先后串联构成;根据兆瓦级宽频带阻抗测量装置高压大容量和宽频带输出的要求,针对电压扰动注入单元提出了一种级联H桥模块调制比固定,通过实时调整高频隔离DC/DC变换器的输出电压来控制扰动注入单元输出电压幅值的控制方法,该方法输出电压畸变率低且控制简单可靠。最后,Psim仿真验证了所提阻抗测量装置设计和控制方法的有效性。     

STATCOM直接功率控制仿真研究

基于H桥级联的STATCOM具备易拓展、体积小、可模块化实现等突出优点,现已成为国内外电力领域的热点。本文首先研究并分析了它的拓扑结构、补偿原理及开关状态,并在此基础上分别建立了STATCOM和H桥模块的数学模型。然后,分析STATCOM数学模型,引入线性PI控制器对其解耦,并建立了功率解耦控制策略。另外,根据虚拟磁链理论和功率估算方法,建立了基于虚拟磁链的直接功率控制。最后,利用MATLAB进行仿真,论证了方法的可行性,并得出了基于虚拟磁链的直接功率控制方法具有响应速度快,能够快速跟踪电压矢量角,但电流谐波含量高,PI参数难设计;功率解耦控制策略实现简单,电流谐波含量低等结论。     

基于空间矢量嵌入的优化载波移相控制方法

随着分布式能源的不断发展,直流级联变换器被广泛应用于分布式能源接入中高压直流电网的场景中。然而,分布式能源的随机性使得各子模块的功率无法保持一致,进而导致各功率单元输出的电压矢量幅值不同。此时,传统的载波移相调制策略将无法消除开关频率处的电压/电流谐波分量,导致滤波器体积增大。针对直流级联变换器在开关频率处的谐波抑制问题,从几何图论的角度提出了一种基于空间矢量嵌入的优化载波移相控制方法。所提方法使用相量图来获得具有任意数量子模块单元的直流级联系统中的各子模块的优化载波移相角,不仅计算过程简单清晰,且无需要复杂的数学迭代搜索算法。最后,通过3个模块单元的直流级联系统实验平台验证了该方法的有效性。     

适用于统一迭代潮流计算的扩展型“Sen”变压器模型

为了发展基于扩展型“Sen”变压器(Extended Sen Transformer, EST)的潮流计算理论与方法,从简化EST潮流模型的角度出发,提出了一种适用于统一迭代潮流计算的EST模型。首先,根据EST的工作原理,将串、并联侧绕组等效为电压源与阻抗串联组成的支路,进而把EST简化为一种双电压源型等效电路。然后,基于统一迭代法的解算思想,并结合EST的电压调节、相角调节和功率调节运行模式,建立了EST的稳态潮流模型。最后,借助Matlab软件,算例分析在一个修改的IEEE6机30节点系统中展开。通过比较所提模型与软件仿真所得系统节点电压幅值和相角,二者之间偏差在合理范围内,验证了所提模型的有效性。     

外网扩展电压源支路Ward等值模型及其在状态估计中的应用

随着互联电网建设的加强,各区域网络之间的联系日益紧密,在内网状态估计时考虑外部电网的影响已成为一种趋势。现有的基于外网扩展Ward等值的状态估计方法,不仅需要外网提供等值阻抗参数,还需要等值状态信息,同时要求等值状态和内网状态在采样时间上保持一致。在实际系统中,互联电网一体化的计算周期和内网独立状态估计的计算周期难以保持一致,从而易因采样时间的不同步而使外网等值状态和内网不匹配,给内网状态估计带来较大误差。鉴于此,在已有的外网扩展电压源支路Ward等值模型的基础上,提出了等值阻抗参数和状态参数的计算方法。该模型与扩展Ward等值相比,相同之处是等值阻抗支路的结构及其参数,不同之处是等值注入功率。后者在边界节点,前者在等值电源节点。相应所提模型的等值状态信息只有等值电源节点的电压和功率,该状态量可以基于节点功率平衡方程仅通过边界节点的内网电压和支路功率来确定。因此,所提模型的状态量与内网的状态量完全匹配,不存在扩展Ward等值的状态不匹配问题,从而可以大幅度提高含外网等值独立内网状态估计的精度。同时,所提模型继承了扩展Ward等值的阻抗支路结构与参数,因而在全网信息已知时具有与扩展Ward等值相当的等值精度。IEEE39节点系统的仿真结果验证了所提方法的有效性。     

基于电路等效变换的二极管箝位式模块化多电平换流器电磁暂态并行仿真模型

针对模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）常规电磁暂态仿真模型计算资源消耗较大的问题,基于电路等效变换原理,提出了二极管箝位式模块化多电平换流器电磁暂态仿真的并行等效模型。首先将换流器子模块等效为受控源,实现子模块与换流器主电路的解耦,便于应用并行计算方法;其次根据子模块电路结构预先分析出各种可能的工作模式,以避免开关动作时重新生成计算矩阵,便于根据桥臂电流与开关状态等信息实时计算出模块端口电压。对一个12电平MMC换流器的仿真结果,验证了所提方法的有效性以及该等效模型的正确性。     

基于倍频采样的两相交错并联三电平双向直流变换器功率均衡解耦控制策略

该文提出一种两相交错并联三电平双向DC-DC变换器功率均衡解耦控制策略,并有效地减少了电流传感器的使用。通过对变换器拓扑工作原理的分析,得出两相交错三电平拓扑的等效两电平分析方法。在此基础上,提出基于总电流分时倍频采样功率均衡解耦控制策略,使变换器的电压调节与相间电流均衡控制实现了完全解耦。此外,将常规均衡控制所需的四路电流采样,减少为两路,达到了简化控制结构的目的。建立基于等效拓扑下的小信号模型,利用该模型对所提方案进行理论验证,并给出控制器参数的具体设计方案。最后通过小功率物理仿真实验对所提控制策略进行了有效验证。     

能量回馈型电力电子负载的控制方法

提出一种新颖的基于电压源型变流器(voltage source converter,VSC)能量回馈型电力电子负载主电路拓扑。其由背靠背H桥构成,负荷侧变流器采用H桥级联以提高电压等级,并网侧变流器采用H桥并联以提高电流容量。网侧变流器和负荷侧变流器采用解耦控制方法,负荷侧变流器采用PQ解耦控制模拟负载消耗功率;网侧变流器采用直流电压稳定并保证并单位功率因数并网,并将负荷侧吸收的有功功率馈送回电网。建立基于PSCAD/EMTDC软件的电力电子负载仿真模型,设计制作一台400V/100kVA低压原理样机进行实验验证,仿真和实验结果表明提出的电力电子负载的主电路拓扑和控制方法是有效可行的。     

级联多电平准Z源逆变器的无差拍并网控制策略

以单项级联准Z源逆变器为研究对象,以提高动态响应速度和减小并网电流总谐波畸变率为研究目标,提出一种总分式无差拍并网控制策略。首先,针对级联型准Z源逆变器各模块输入功率有差异的特点,定义模块功率比例因子并将其应用于模块功率控制,实现各模块差异化功率分配和最大功率输出,并实现各模块直流链电压平衡。其次,建立并网电流与系统反馈状态量模型,采用无差拍控制策略实现并网电流快速控制。最后,通过建立仿真模型验证了所提算法的有效性和正确性。     

基于拓扑解耦的矩阵式高频链逆变器控制新方法

针对矩阵式高频链逆变器复杂的拓扑结构,提出了一种基于拓扑解耦思想的新型控制策略.根据高频逆变桥生成高频电压波形的极性,将单相交流变换到三相交流的矩阵变换器拓扑解耦成2个常规的三相电压源逆变器,从而可将常规电压源逆变器的控制策略引入到对矩阵变换器的控制中.与应用矩阵变换器的交/直/交等效模型和优化控制算法相比,拓扑解耦控制策略从矩阵变换器拓扑本身入手,原理实现简单,并能极大简化对矩阵变换器的分析过程.为便于系统理论分析,提出了"双向桥臂"概念.应用Saber仿真软件进行了仿真研究,并搭建实验样机进行了实验验证,结果表明该控制方法能获得良好的输出电压波形,验证了所提控制策略的正确性.