智能电网中的新一代高频隔离功率转换技术
摘要：随着智能电网的发展,主要由变压器和开关构成的传统配电网结构将会改变,功率转换系统将作为更为核心的角色并实现更为系统性的功能。首先论述智能电网中功率转换技术的研究意义;在此基础上,对传统功率转换技术的局限性以及新一代高频隔离功率转换技术的概念和发展特点进行全面阐述。其次,从系统层面介绍国内外关于高频隔离功率转换技术的典型研究项目,从变换器层面介绍关键技术的研究进展。在此基础上,从技术层面提炼出现阶段高频隔离功率转换技术研究中需解决的关键问题。同时,以高频隔离固态变压器为典型案例,讨论新一代高频隔离功率转换技术在智能电网中的应用方案。最后,结合中国的研究现状,给出发展建议。模块化多电平换流器优化模型预测控制策略研究
摘要：模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）具有效率高、谐波小、模块化设计、易级联等优点,在高压大容量电能变换领域得到了日益广泛的应用。作为一种先进的控制策略,模型预测控制（model predictive control,MPC）通过目标函数可同时控制多个系统变量,具有建模直观、动态响应快等优点。传统MMC模型预测控制通过计算所有开关状态组合以实现最优控制目标,但随着桥臂模块数量的增多,计算量将呈几何级数增长,严重制约MPC的工程推广应用。针对N＋1电平MMC,提出一种优化的模型预测控制算法,在对子模块电压、交流电流、相间环流、器件开关频率有效控制的同时,将开关状态组合计算量从C N2N降至N＋1。针对子模块数高达数百的MMC,进一步提出分组排序优化模型预测控制（grouping-sorting algorithm combined OMPC,GSOMPC）策略,在降低桥臂子模块电压整体排序对硬件资源苛刻需求的同时,将开关状态组合计算量从N＋1降至2X＋M＋3（N=M×X）。基于2.7 kV/60 kW 23电平MMC背靠背动模实验平台的实验结果证明了所提优化模型预测控制（optimized model predictive control,OMPC）及GSOMPC策略的正确性与有效性。一种具备直流清除能力的MMC换流器改进拓扑
摘要：基于模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）的柔性直流输电系统（flexible high voltage DC transmission based on MMC,MMC-HVDC）,在可再生能源的远距离电力输送方面富有潜力。直流线路故障是MMC-HVDC必须解决的关键问题。提出一种具有直流故障穿越能力的MMC改进拓扑。该拓扑基于二极管嵌位式双子模块,利用子模块电容电压来抑制直流故障的二极管续流效应,关断故障电流通路,从而迅速地清除故障电流。对于瞬时性直流故障,由于故障清除过程中无需断开交流断路器,MMC还能够快速重启、恢复供电。这种改进拓扑附加功率器件的额定电压仅为常规功率器件的一半,额外成本较低。达到同等电压等级,所需子模块数目仅为常规设计的一半,降低了脉冲控制的设计难度和硬件成本。基于PSCAD仿真平台的结果验证了文中所提拓扑和保护方法的有效性。角接链式STATCOM的环流控制方法
摘要：以电弧炉负荷的综合补偿为背景,研究角接链式静止同步补偿器（static synchronous compensator,STATCOM）的环流控制方法。针对不对称电网电压下STATCOM补偿效果不理想的问题,从理论上分析电网电压负序分量与补偿偏差之间的关系。在此基础上提出一种基于网侧电流闭环的STATCOM环流控制方法,能够有效抵御不对称电网电压,消除负序电压造成的补偿偏差,同时保持较快的响应速度。RTDS混合仿真和现场运行试验,验证所提出的控制方法的有效性。双Boost逆变器半周期调制策略研究
摘要：可再生能源发电系统由于受环境因素的影响,其输出电压范围较宽,需要逆变器能够适应宽范围的电压输入。双Boost逆变器能够实现单级升降压逆变,具有电路结构简单、功率器件少等优点。然而传统的调制策略中所有功率开关在整个工频周期中均处于高频开关状态,同时承受较大的电压电流应力,导通损耗和开关损耗大,系统效率低。提出一种半周期调制策略,使功率开关工作于半周期高频调制状态,减小了器件导通和开关损耗。对两种调制策略下电压电流应力进行对比分析,设计一台400 W原理样机,并通过仿真和实验验证半周期调制策略的优点。一种桥型副边LLC谐振直流–直流变换器
摘要：提出一种副边侧LLC谐振的直流变换器拓扑。原边4个开关管采用一种桥型结构,并利用增加的一个储能电容Cc实现原边同时具有两个电流回路,达到两个变压器原边绕组并联工作而高频谐振电流均流的目的。副边采用倍压结构,利用变压器漏感、励磁电感和倍压电容构成LLC谐振来传递能量。原边开关管能实现零电压开通,且关断时的励磁电流小。副边两个二极管零电流关断,且额定电压为输出电压。分析电路各阶段的工作原理,详细推导电路与传统LLC谐振电路不一样的增益特性。设计一款40～56 V输入/360 V输出/额定负载300 W的样机,在不同输入下电路最高效率都大于95.5%。实验测试波形验证了电路的正确性及可行性。分布式发电并网逆变器的虚拟电机自然坐标控制
摘要：向电网传送有功电能的并网逆变器结构简单,但不能控制和改善电网中的电能质量。针对分布式发电中源/荷的不确定性问题,该文基于配电网静止同步补偿器（distribution static synchronous compensator,DSTATCOM）,采用类似于交流电机磁链观测的方法,构造出虚拟电机磁链作为逆变器的定向矢量,既能省掉交流侧电压传感器,又能滤除一部分谐波;同时,abc自然坐标控制实现了有功和无功的独立控制,无需任何坐标变换,计算简单,易于实现,节约时间。仿真和实验结果均表明无电压传感器的虚拟电机自然坐标控制策略能够有效维持公共耦合点（point of common coupling,PCC）电压的稳定。系统能够快速补偿无功电流,具有良好的动、静态特性和鲁棒性。基于开关瞬态过程分析的母排杂散电感提取方法研究
摘要：换流回路杂散电感和其中的di/dt共同作用,会使得开关器件在关断瞬态过程中,承受很高的感应电压尖峰,增大器件的电应力、增加系统开关损耗和电磁干扰,同时会使输出电压中包含大量高次谐波,影响系统性能。因此需要对包含换流回路在内的线路杂散电感进行准确计算,这其中以母排杂散电感最为关键。该文在对现有多种杂散电感提取方法进行分析比较的基础上,对换流回路开关瞬态过程的多个阶段进行梳理,寻找到开关瞬态过程中对杂散电感提取最有利的阶段,提出利用开通瞬态过程配合积分运算的方法代替目前利用关断电压峰值配合微分计算的方法。以实际3.3k V/1200A的IGBT构成的大容量变换器为分析对象,利用该方法对其进行杂散电感提取,并与部分单元等效电路的分析结果对比,验证该文提出的杂散电感值提取方法的准确性和实用性。发电电动机静止变频器起动低频运行阶段的谐波特性
摘要：磁动势与电磁转矩谐波特性的准确计算是对发电电动机起动运行性能进行分析的前提。在发电电动机静止变频器起动低频运行物理过程分析的基础上,建立了此运行阶段电流计算的精确模型,通过实例对电流谐波特性进行了定量计算;然后以此模型推导出了计及时间谐波影响的定子磁动势表达式,分析了不同时间谐波对定子基波磁动势的影响。最后,在计及转子凸极效应影响的情况下,推导出了低频运行过程中电磁转矩解析计算公式,样机电磁转矩的有限元计算结果验证了解析公式推导的正确性。计算结果表明：5次、7次时间谐波对定子磁动势影响最大,而11次、13次与29次、31次影响近似;6次谐波转矩幅值达到恒定分量的44.94%,12次谐波转矩幅值超过恒定转矩分量的30%。一种双定子型磁悬浮开关磁阻起动/发电机的运行原理与实现
摘要：针对开关磁阻起动/发电机中存在的机械磨损问题以及传统磁悬浮开关磁阻电机中存在的强耦合问题,该文研究一种新型的双定子磁悬浮开关磁阻起动/发电机。就其基本机构、起动/发电原理、电磁特性等方面,与混合定子磁悬浮开关磁阻电机进行了比较,验证了其主绕组与悬浮力绕组以及两自由度悬浮力绕组之间具有的自解耦特性,并且推导了系统的数学模型,介绍了悬浮和起动/发电系统的控制方法。该起动/发电机采用内–外双定子结构,由内定子上的悬浮力绕组实现悬浮功能,由外定子上的主绕组实现起动和发电功能,主绕组与悬浮力绕组的导通区间不存在彼此制约,可提高绕组导通区域选择的灵活性,增强控制策略选择和研究的灵活性。电压不对称跌落下双馈感应发电机转子低频谐波电流特性分析
摘要：双馈感应发电机（double fed induction generator,DFIG）作为当前应用最广泛的风力发电机,其特殊的结构设计使其暂态运行特性十分复杂。目前针对DFIG暂态特性的研究,只有少量文章分析了机组的谐波特性,特别是由转子励磁电源产生的机组谐波电流还鲜有文献提及。该文对电压不对称跌落下DFIG转子低频谐波电流的特性进行研究。考虑转子侧变流器的励磁调节对转子谐波的影响,推导转子电流中频率为（2＋s）fs的谐波分量解析表达式,分析转子（2＋s）fs电流分量的产生机理及其对风机影响,并通过仿真和实验验证分析的正确性。大型发电机机网动态分析的机–场–路–网耦合时步有限元法建模
摘要：为了更完善、更准确地研究系统扰动对大型发电机及电网的影响,建立了机–场–路–网耦合时步有限元仿真模型,实现了多段集中质量块弹簧机械轴系–电机二维瞬态电磁场–外电路–电网的全面耦合。模型不仅充分考虑了动态过程中不同时刻电机内电磁场畸变、饱和、涡流集肤效应及输变电系统参数等重要因素的影响,同时还进一步详细考虑了机械轴系的动态过程,包括各轴段传递的扭矩、阻尼转矩及各轴段转速的不同变化等因素的影响。为验证所建模型,对水力发电设备国家重点实验室内的动模实验系统搭建了仿真模型,并对机组120误同期并网工况进行了仿真及实验对比分析,结果表明该机–场–路–网耦合仿真模型正确、可靠。新型混合励磁磁通切换型磁阻电机的非线性等效电感模型
摘要：新型混合励磁磁通切换型磁阻电机（hybrid excitation flux switching motor,HEFSM）中电枢绕组、励磁绕组、永磁体三者所产生的磁场相互耦合,建立动态数学模型比较困难。为分析该电机的动态特性,该文提出一种构造三维非线性等效电感的方法,该方法是在将永磁体与励磁绕组的作用效果等效为一个整体励磁激励的基础上,利用傅里叶级数拟合单一电感曲线并利用特定转子位置的磁路确定电感非线性比例系数。最后进行了实验研究,仿真计算和实验结果的对比表明：该文所建立的电感模型能够较好地反映电机的实际特性,为该类电机的动态分析、控制策略研究等提供了参考。三棱柱形直线超声电机
摘要：提出一款三棱柱形直线超声电机。电机定子为由二片压电陶瓷片黏接在三棱柱结构的弹性体上构成。每片压电陶瓷片产生的空间激励力都与两个工作模态的振动方向有一夹角,单片陶瓷片即能激励出两个工作振动模态,而且两者振动响应存在一个相位差。研究了电机定子驱动机制模型,推导了电机单相、两相激励时驱动质点的运动轨迹,分析了电机单相、两相驱动原理。对制作样机的机械性能进行了测试,试验表明电机可在较宽的频率范围内平稳运行,当驱动电压峰峰值为250V时,该电机单相、两相驱动的最大速度分别为2.2、2.5mm/s,最大输出力分别为0.156、0.192N,是定子质量的8.6倍、10.6倍。新型双转子结构风力发电系统及其双模功率控制策略
摘要：研究了一种新型风力发电机系统,包括发电机、调速电机、行星齿轮和风力机,发电机与太阳轮连接,调速电机与内齿圈连接,风力机轴与行星架连接。分析了不同工况下两台电机的工作模式与功率流的变化,针对此种结构提出一种全风况下转速转矩模式控制策略,低于额定风速时调速电机转速控制能够实现发电机恒频并网,高于额定风速时通过控制调速电机转矩限制发电机输出有功功率在额定值附近。对控制策略进行仿真研究,并给出转速转矩控制平滑切换规则,搭建了双转子风力发电实验平台,实现了并网操作,验证了该系统结构的可行性与控制策略的有效性。直流–直流自耦变压器
摘要：该文提出了一种直流–直流自耦变压器的拓扑,用于互联两个电压等级不同的高压直流系统。常规的隔离型直流–直流变换器一般需要经过直流–交流–直流两级交/直变换,两个互联的直流系统之间没有直接的电气连接,而直流自耦变压器所互联的两个直流系统之间有直接的电气连接,只有部分互联功率需要经过两级交流/直流变换。为此,直流自耦变压器所使用的换流器总容量低于常规直流–交流–直流变换技术。该文详细介绍了直流自耦变压器的拓扑,推导了直流自耦变压器中每个换流器的额定直流电压和额定功率的设计方法,设计了直流自耦变压器的控制策略,在PSCAD/EMTDC下仿真验证了直流自耦变压器的可行性。研究结果表明,所提出的直流自耦变技术能显著降低所使用的换流器容量,并降低运行损耗。氧化铝填充环氧绝缘子SF_6气体中直流负极性闪络特性
摘要：直流气体绝缘金属封闭输电线路（gas insulated transmission line,GIL）在一些特殊环境下可替代部分架空输电线路或电缆提高输电走廊选择的灵活性。影响直流GIL中绝缘子水平的关键因素有氧化铝填料比例、自由导电微粒等。该文对SF6气体中,负极性直流电压下不同氧化铝含量（250～400 phr）的环氧绝缘子在准均匀场和极不均匀场下的沿面绝缘特性和烧蚀特性进行了研究。结果表明,准均匀场情况下,填料含量250 phr的绝缘子在短时闪络特性和长时耐压特性方面都具有最好的沿面电气强度,同时在极不均匀场中也具有最好的沿面电气性能。而填料含量为350 phr的绝缘子则具有最差的直流耐压特性以及耐烧蚀特性。通过对闪络微观图像的分析,可知闪络过程发生在绝缘子的浅表面。同时,通过分析电树枝发展图像的分形维数,发现了填料含量对环氧绝缘子闪络烧蚀特性以及直流电压下的绝缘子电树枝发展特性的影响。长空气间隙负极性操作冲击放电特性研究（Ⅲ）——统计特性
摘要：空气间隙的放电特性参数具有统计特性,采用数理统计和有限元数值仿真两种方法对空气间隙的放电特性开展了研究。数理统计结果显示：下棒电极高度对棒–棒长空气间隙的50%负极性操作冲击放电电压有一定的影响;20/2 500μs操作冲击电压作用下,棒–棒间隙和棒–板间隙的平均击穿时间基本出现在波尾;80/2 500s操作冲击电压作用下,棒–棒间隙和棒–板间隙的平均击穿时间基本出现在波头;10 m棒–板间隙放电电压服从正态分布,棒–棒间隙的伏秒特性低于棒–板间隙的伏秒特性。静电场计算结果显示：电场不均匀系数随着间隙距离的增大而增大,而间隙距离与电场不均匀系数的比值随着间隙距离的增大呈现饱和趋势,定性地解释了长间隙负极性操作冲击放电的饱和特性。所做工作对特高压输电线路绝缘配合设计具有一定的指导意义。
