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关键词： 电力电子变压器   聚酰亚胺绝缘   空间电荷  

摘要： 电力电子变压器是实现分布式能源可靠并网和交直流柔性互联的关键设备，其绝缘材料的可靠性一直是电力行业研究的热点。聚酰亚胺作为电力电子变压器的主要绝缘材料，长期承受高频电热应力作用，其内部易积累空间电荷并导致电场畸变，最终引发放电发展和过早失效等问题。因此，聚酰亚胺的空间电荷特性是描述电力电子变压器绝缘性能的重要指标。数值模拟是分析空间电荷的有效工具。目前，仿真模型主要采用双极性电荷传输（BCT）模型。该模型存在如下问题：（1）适用性较差，无法对电热耦合应力条件下的试验结果进行充分拟合;（2）准确性较差，对空间电荷传输数学模型，需要作进一步探讨。针对上述问题，本文主要完成了以下几个方面的工作：　　(1)基于高频电应力条件下的瞬变特征，分析了直流肖特基电荷注入原理在高频电应力下的适用性，并结合载流子动态平衡方程、跳跃电导模型等和交流电导模型，提出了一种考虑不均匀电导率的载流子动态平衡（NCCDE）模型，相对于常规BCT模型，NCCDE模型所得仿真结果与试验较为吻合，验证了该模型精度。　　(2)为了深入研究各因素对电荷传输的影响，采用NCCDE模型构建二维平板聚酰亚胺模型，模拟了不同电压幅值、方波占空比、电压频率、电压波形、上升时间以及温度等参数下的空间电荷分布。还进一步分析不同应力条件对迁移率、电荷注入等因素的影响，探讨了产生这种现象的原因。　　(3)基于杂质离子模型和漂移迁移率理论，构建了改进的杂质离子模型(MIT)。通过该模型分别讨论了陷阱密度、陷阱深度、相对介电常数等因素对电荷迁移的具体作用;建立电流密度计算方程，探究纳米填料中不同参数对于空间电荷积累抑制机理;最后，本论文还探讨非均匀填充对空间电荷传输特性的影响。

关键词： 智能电网   电力电子技术   新能源  

摘要： 本文以智能电网中电力电子技术应用为研究内容，首先概述了智能电网的内涵与特征，从维护电网稳定、改善电能质量、优化资源配置、助力节能减排四个方面归纳了智能电网中电力电子技术的应用价值，继而探讨了FACTS技术、HVDC技术、SVC技术、智能开关技术等电力电子技术的应用，并提出了智能电网中电力电子技术应用对策。

关键词： 电力电子化电力系统   电力电子型电源   系统频率响应模型   频率特征定量分析   最小惯量需求评估  

摘要： 随着能源结构低碳化调整进程的不断推进,多类型电力电子型电源大规模并网,现代电力系统逐渐呈现电力电子化趋势。以新能源机组、储能系统、柔性直流输电为代表的电力电子型电源并网时,并网变流器的解耦特性使得主网频率出现跌落,且多元化调频单元的有功支撑交互使得电力系统频率特性逐渐复杂化。此外,由于新能源机组高比例渗透,传统电力系统的同步惯量被大量取代,即时同步惯量支撑能力迅速下降,电力电子化电力系统的等效惯性水平难以满足频率安全稳定运行的要求。因此,为保证电网在低惯量临界条件下仍可以安全稳定运行,计及频率特征安全指标下的最小惯量需求评估亟需研究。本文针对电力电子化电力系统惯量临界支撑能力评估的问题,展开了“考虑电力电子型电源调频的电力系统最小惯量需求评估”的论文工作。研究内容如下:(1)多类型电力电子型电源一次调频控制策略研究考虑典型的电力电子型电源参与电力系统一次调频,从暂态运行机理层面分析了风电机组、储能系统、柔性直流输电的一次调频控制数学模型。以传统电力系统一次调频控制策略为基础,分析传统一次调频控制模式下同步惯量支撑能力为主导的特点。结合电力电子型电源一次调频控制机理,提出一种计及风电、储能、柔直参与调频的电力电子化电力系统一次调频策略,为电力电子化电力系统的频率特性分析提供理论支撑。最后,基于MATLAB/Simulink建立交直流电力系统仿真环境,并对所提调频控制策略的可行性进行验证。(2)考虑电力电子型电源参与调频的电力系统频率特征定量分析首先提出多种调频资源参与调频下的电网频率特征定量分析总体思路,建立风-储-直调频频率响应模型。然后基于频率特性传递函数对电力系统稳态频率偏差、初始频率变化率、最大频率偏差和频率安全裕度进行理论推导;且定量分析了稳态频率偏差变化规律以及惯性时间常数、辅助调频单元控制比例系数对频率稳定性的影响,并计算稳态频率偏差与功率扰动的关系。最后,基于MATLAB/Simulink及PSD-BPA仿真平台验证了所提分析方法的可行性和有效性。仿真表明所提方法可有效定量分析电力系统频率特征,可为电力电子化电力系统频率安全稳定运行与控制提供指导依据。(3)电力电子化电力系统最小惯量需求评估研究以电力电子化电力系统频率运行安全为目标导向,基于改进系统频率响应(System Frequency Response,SFR)模型分析了风力发电机组、柔性直流输电参与调频下的电力系统惯量支撑能力受一次调频参数的影响。基于系统频率响应特性量化分析基础,以转子动能的形式建立电力系统理论惯量数学模型,并利用滑动窗口算法得到计算惯量。针对频率安全运行的要求,以频率变化率(Rate of Change of Frequency,RoCoF)、最大频率偏差、稳态频率偏差为约束指标,对电力电子化电力系统最小惯量需求进行量化评估。基于转子运动方程和频率响应推导机理,提出直接增加系统惯量、减小最大有功功率扰动大小、调节常规一次调频控制参数、调节电力电子型电源调频控制参数和放宽频率约束等针对电力电子化电力系统的最小惯量需求优化策略。综合电力电子型电源频率运行特性和系统最小惯量需求评估方法及其优化措施,提出计及多类型评估时间尺度分类下电力电子化电力系统最小惯量需求评估流程。最后,基于MATLAB/Simulink及PSD-BPA平台对所提惯量评估方法的可行性进行验证。

摘要： 《电力电子技术》是一门理论与实践结合度强的专业基础课程，具有教学内容多、更新快、学习难度大等特点。在教学过程中需要通过引导、启发和督促相结合的方式，使学生逐步掌握学习方法，具备自主学习的能力。同时，通过开展创新教育、提供创新资源等方式，引导学生注重提高综合实践能力，强化学生创新能力的培养。

关键词： 智能电网技术   电力系统   电力技术   智能科技  

摘要： 本文以智能电力系统中的电力电子技术应用作为主要研究方向，首先简要概述了电力电子技术在智能电力系统中应用的意义，然后分析了智能化电力系统的运行特点，并对推动电力系统智能化管理的主要电力电子技术展开深入分析。在新时代智能电力系统中，合理应用新型电力电子技术，能够对电力系统的智能化控制与规范化管理起到良好的推动作用。与此同时，神经网络、模糊控制与遗传算法等新兴技术在与电力电子技术融合的过程中，能够推进电力系统的智能化发展进程。

关键词： 项目导向式教学   电力电子系统建模与控制   教学探索   国际留学研究生  

摘要： 随着“一带一路”倡议的提出，留学生教育已成为我国高校教育中的一个重要组成部分。目前国际留学研究生课程存在的教学模式传统单一、考核方式不全面等问题，导致留学研究生学习积极性不高，基础专业知识掌握不牢固，教学质量及效果未达到要求。文章探索了“电力电子系统建模与控制”课程的项目导向式英语教学模式，围绕实际工程案例讲解专业知识点，从而激发留学研究生的学习兴趣；采用期末闭卷考试和课堂项目仿真设计相结合的考核方式，提升留学研究生对专业知识的实际应用能力。通过基础知识与专业知识相辅助，理论与实际相结合的教学模式，为培养电力电子装备方面的国际高端应用型技术人才奠定基础。

关键词： 配电网   电力电子变压器   无功调节   下垂控制   一次调频  

摘要： 基于电力电子的新能源发电在配电网中的占比越来越高,而这些新能源发电装置存在间歇性、波动大、惯量低等特点,对配电网的安全稳定运行提出了挑战。同时,随着电力电子变压器(Power Electronics Transformer,PET)的大量示范应用,其在配电网中的电能质量治理、柔性电能传输、故障隔离等优势逐渐显现,未来有望替代传统变压器。为了提升配电网的稳定性,本文提出利用配电网关键节点设备——电力电子变压器对配电网的电压和频率进行调节,针对电力电子变压器的拓扑、建模以及配电网稳定调节方法展开研究,主要研究内容如下: 1.介绍三级式PET的拓扑及基础控制方法。按照其三级式结构分别建立每级的数学模型,并根据其数学模型给出其基本控制方式。其中根据输入级数学模型给出了输入级的电压电流双闭环控制;根据隔离级的数学模型及要实现的控制目标给出了隔离级单电压闭环移相控制;根据输出级的数学模型并参考输入级的控制方式给出了输出级电压电流双闭环控制。 2.研究三级式PET输入级对母线电压进行调节的控制方法。首先分析配电网电压与无功功率之间的关系,类比静止同步补偿器研究了PET输入级在配电网中无功补偿的作用。其次针对输入级运行方式进行研究,通过输入级进行无功补偿稳定配电网母线电压,并设计了母线电压控制器。进一步研究了母线电压下垂控制方法,引入无功电流反馈,并根据反馈增益的正负分为正向下垂控制和反向下垂控制。综合了下垂控制和反向下垂控制方式,使母线电压在基准电压的基础上略升高,提高了电压质量。 3.研究三级式PET输出级参与一次调频的控制方法。分析电力系统中有功功率与频率的关系,建立频率响应模型。其次研究使用PET对其负载进行电压灵敏度检测,通过负载电压灵敏度精确控制PET的输出电压改变负载的有功功率。当系统频率发生波动时,通过有功功率的平衡实现对频率稳定的控制,支持系统一次调频,避免频率偏差过大引起的系统失稳。并研究了PET的在系统中的占比以及负载电压灵敏度对调节效果的影响。 通过Typhoon半实物仿真对基于配电网PET的调压调频控制方法进行实验验证。所提出的控制策略能够改善配电网电压和频率质量,有效地提升了配电网的稳定性,为智能配电网的发展提供了参考。

关键词： 电力电子化电力系统   负荷类型   换流器   小扰动   系统级控制   秃鹰搜索算法  

摘要： 在缓解全球能源紧张、国家鼓励开发新能源的大背景下,大规模的光伏、风电等新能源发电装置通过电力电子设备接入电网,同时含大量电力电子元件的换流器设备在远距离高压直流输电中得到了广泛应用,使得电力系统的电力电子化趋势日益明显。电力系统的电力电子化使系统运行状态更加复杂,对系统小扰动稳定性的影响也日益凸显。近几年来,多地电力系统出现了机理不明的小扰动稳定问题,为厘清电力电子化电力系统的小扰动稳定机理,并通过控制措施提高其受扰的稳定性,本文进行了相关方面的研究,其主要研究内容阐述如下:首先,建立并分析了系统中发电侧传统发电机、风力发电、光伏发电的模型及原理,介绍了输电侧换流器的控制模型和直流输电线路模型以及负荷侧静态负荷和感应电动机动态负荷的模型,之后从理论分析的层面分析了简单电力电子化电力系统中负荷类型分别为恒功率负载(Constant Power Load,CPL)、恒电流负载(Constant Current Load,CCL)、恒阻抗负载(Constant Impedance Load,CIL)和感应电动机负载时系统的小扰动稳定情况,运用基于李雅普诺夫稳定性分析理论的特征值分析法,在MATLAB中搭建系统的仿真模型,计算不同负荷类型情况下系统对应状态方程的特征值,对理论分析的结果进行验证,分析不同负荷类型情况下电力电子化电力系统的小扰动稳定性。然后,在高压直流输电两端的电压源换流器中,以换流器逆变侧的有功控制环节为例,推导出了电压源换流器高压直流输电逆变侧输出电流变化的数学表达式,并将推导结果与典型的弹簧质量阻尼系统中弹簧运动过程表达式相对比,得出了电压源换流器高压直流输电逆变侧输出电流的变化具有与弹簧运动过程相似的惯性特征,电力电子化电力系统中该特征的存在为系统小扰动稳定性带来不利影响,通过MATLAB,在传统的简单三机系统和IEEE14节点系统以及它们对应的电力电子化电力系统中做了仿真验证,分析了电力电子化电力系统中电压源换流器高压直流输电逆变侧输出电流的变化和系统的小扰动稳定情况,验证了理论分析的正确性。最后,总结了前面理论分析中功率对系统小扰动稳定性的影响,分析了系统中功率变化对系统频率的影响,频率也是影响电能质量和系统稳定的关键因素,在此基础上,提出了使系统中发出总功率和消纳总功率达到最优平衡的系统级功率控制策略,该策略能够有效提高系统小扰动稳定性;同时,对传统的秃鹰搜索算法(Bald Eagle Search Algorithm,BES)进行了改进,在传统算法中引入了高斯变异和凹函数形式的动态惯性权重以提高算法的全局搜索能力和跳出局部最优的能力,利用改进的秃鹰搜索优化算法(Optimized Bald Eagle Search Algorithm,OBES)对所建函数模型求解,验证了所提系统级功率控制措施的有效性。

关键词： 能源互联网   双有源桥变换器   扩张状态观测器   动态性能   电流应力  

摘要： 新能源发电以及分布式电源的快速发展,使得能源互联网成为了近年来研究的热点。而电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)作为其关键环节,受到了广泛关注。因此,本文以PET为应用背景,将其核心组成部分双有源桥(Dual-Active-Bridge,DAB)变换器作为研究对象,为提升其效率与动态性能,进行分析与研究,主要做了以下工作:首先,研究了DAB变换器的结构特点、开关函数及微分方程,在此基础上分析了单移相(Single-Phase-Shift,SPS)调制和拓展移相(Extended-phas-shift,EPS)调制的工作原理,进一步推导了两种调制方式下DAB变换器的传输功率、电流应力表达式,并分别进行了对比。其次,针对单个DAB变换器,建立了SPS调制下输出电压的离散模型,给出了一种基于SPS调制的预测前馈控制算法以优化变换器的动态性能。同时,完成了预测前馈控制器对于变换器电路参数的敏感性分析。随后,针对预测前馈控制算法受电路参数影响较大的问题,将扩张状态观测器(Extend State Observer,ESO)引入预测前馈控制算法,提出一种基于ESO的预测前馈控制算法,并通过仿真证明了该算法对电路参数依赖较小、能够有效提高变换器动态响应能力。最后,为同时优化DAB变换器的电流应力与动态性能,提出了一种基于ESO的电流应力优化预测前馈控制算法。考虑了EPS调制的两种工作模态,利用拉格朗日乘数法对最优移相比进行求解,来获得全局最小电流应力,紧接着将电流应力优化方法与EPS调制下基于ESO的预测前馈控制相结合,提出了基于ESO的电流应力优化预测前馈控制算法,以实现变换器动态性能及电流应力的同时优化。通过仿真验证了该算法的适用性及有效性。

关键词： 电力电子变压器   多模块双有源桥变换器   模型预测控制   功率均衡控制   高动态性能  

摘要： 随着我国能源安全与环境保护问题的日益严峻,发展新能源技术受到了更广泛的关注。在新能源电能变换中,电力电子变压器具有智慧电能变换、精确功率控制、无功调节、故障隔离等诸多功能,应用前景广阔。双有源桥变换器因具有双向电能传输、高频电气隔离、高功率密度、易于实现软开关等优点,迎合了电力电子变压器中间级DC/DC变换器的控制需求,成为了中间级变换器的理想拓扑。在大功率应用场景的多模块串并联双有源桥变换器中,快速动态响应、模块间功率均衡、高模块化程度和高可靠性是重要的性能需求,但现有方法难以兼顾以上需求。而将具有高动态性能、多目标优化能力、无多环嵌套结构的模型预测控制应用到多模块双有源桥变换器中,可实现其控制性能的综合提升,本文以此为目标开展研究工作。首先,针对单模块双有源桥变换器现有连续集模型预测控制易受采样噪声影响的问题,本文从最优移相比的计算式中分析模型预测控制的采样噪声敏感性,提出了一种变预测离散步长的采样噪声抑制连续集模型预测控制方法,无需增加滤波设备或算法且实现简单。经仿真和实验验证,结果表明所提方法可有效抑制采样噪声引起的输出电压纹波增大和电感电流应力增加,提高了双有源桥变换器模型预测控制的适用性。其次,多模块串并联双有源桥变换器的各子模块会因实际参数不一致而功率不均衡。本文分析并对比了电压梯度控制、双环解耦控制和主从独立控制三种经典功率均衡策略的原理和优缺点,针对主从独立控制动态性能差的问题,提出了一种多模块双有源桥变换器功率均衡连续集模型预测控制方法,兼具高动态性能、高模块化程度和高控制精度。经仿真验证,结果表明所提方法的功率均衡控制效果良好,动态响应速度有很大提升,克服了传统主从独立控制的缺陷。最后,为了进一步提高系统的模块化程度和响应速度,本文将易于实现多目标优化的滑动离散集模型预测控制应用到多模块串并联变换器,提出了一种多模块双有源桥变换器功率均衡滑动离散集模型预测控制方法。所提方法将输出电压控制和输入电压均衡控制两个目标集中在同一模型预测控制器中实现,具备更高动态性能的同时,实现了子模块控制器的标准化,提升了系统的易拓展性和可靠性。经仿真验证,结果表明所提方法实现了输出电压控制和功率均衡控制响应速度的进一步提高,且模块化程度更高。