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风电机组并联变流器主动热控制及功率分配优化策略

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风电机组并联变流器主动热控制及功率分配优化策略

作者：王启超西安理工大学

学位级别：硕士

随着新能源发电技术的快速发展,风力发电将迈入高质量发展的新阶段,因此对于系统可靠性的研究至关重要。由于风能的间歇性和随机波动性,风电机组中变流器的功率器件在系统运行过程中会产生热循环,并导致并联变流器产生寿命不平衡现象,... 详细信息

随着新能源发电技术的快速发展,风力发电将迈入高质量发展的新阶段,因此对于系统可靠性的研究至关重要。由于风能的间歇性和随机波动性,风电机组中变流器的功率器件在系统运行过程中会产生热循环,并导致并联变流器产生寿命不平衡现象,增大系统检修成本,降低系统可靠性,因此,对风电机组并联变流器主动热控制及功率规划优化策略展开研究具有重要的研究意义和实用价值。本文主要完成了以下研究工作:(1)分析了永磁同步风力发电系统拓扑结构的特点,建立了永磁同步电机在两相旋转dq坐标系下的数学模型,对机侧整流器的基于转子磁场定向的控制策略以及网侧逆变器基于电网电压定向的控制策略进行了研究,搭建了功率半导体器件的失效模型。(2)针对热循环导致功率器件产生热应力并引起累积损伤,降低变流器寿命的问题,提出了一种基于无功循环电流的风电机组并联变流器主动热控制策略,通过双闭环电流控制系统在并联变流器内部产生无功循环电流,控制器件功率损耗,实现了对功率器件结温波动的抑制;分析了变流器的电压电流矢量变化情况,计算出无功电流限幅值,防止了调制度过高,保持系统性能。算例表明,所提控制策略能有效减小功率器件的累积损伤,同时控制网侧变流器调制度的上限值,提高变流器寿命与系统可靠性。(3)针对风力发电系统中的并联变流器剩余使用寿命的不平衡现象影响系统检修计划,增大系统检修频率与成本的问题。提出了一种优化风电机组并联变流器检修计划的功率规划策略,设计了以累积损伤信息作为参考,动态调节变流器控制系统功率分配系数的控制算法;考虑到热循环强度与累积损伤对电流水平的指数关系,在功率规划策略中引入功率分配权重变量,控制功率分配收敛时间与累积损伤失效时间,实现了系统最佳检修计划优化效果。算例表明,所提控制策略能在各种不同的并联变流器初始累积损伤差异情况下有效延迟系统检修时间,最大程度地降低检修频率与成本。

关键词：风力发电热循环并联变流器主动热控制无功循环电流功率规划

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纳卫星PID主动热控制及其仿真研究

系统仿真学报 2008年第3期20卷 811-813页

作者：杨娟李运泽北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100083

建立了球状纳卫星的基本热环境模型。提出基于PID主动热控制的温度控制策略。分别向控制对象系统中舱内仪器、辐射器以及外壳热负荷输入一定大小的阶跃变化进行MATLAB仿真试验。仿真结果显示,PID控制系统能够较为准确、快速的对纳卫星... 详细信息

建立了球状纳卫星的基本热环境模型。提出基于PID主动热控制的温度控制策略。分别向控制对象系统中舱内仪器、辐射器以及外壳热负荷输入一定大小的阶跃变化进行MATLAB仿真试验。仿真结果显示,PID控制系统能够较为准确、快速的对纳卫星温度系统进行合理的调节与控制。

关键词：纳卫星主动热控制 PID控制器仿真

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功率器件主动热控制的PI参数优化方法

南京理工大学学报 2019年第6期43卷 667-676页

作者：万萌应展烽张旭东南京理工大学能源与动力工程学院

为了提高功率器件结温控制精度,提出了功率器件主动热控制的参数优化方法。基于功率器件主动热控制原理和热网络模型,构建比例-积分(PI)参数优化的目标函数。利用遗传算法对目标函数进行求解,获得最优PI参数。为了验证方法的有效性,以功... 详细信息

为了提高功率器件结温控制精度,提出了功率器件主动热控制的参数优化方法。基于功率器件主动热控制原理和热网络模型,构建比例-积分(PI)参数优化的目标函数。利用遗传算法对目标函数进行求解,获得最优PI参数。为了验证方法的有效性,以功率MOSFET构成单相全桥电路,以电流动态限幅为手段,在不同的电流限幅最大值、器件初始结温和环境温度等情况下,对功率器件进行了主动热控制仿真与实验。结果表明,该文PI参数优化方法能够提升功率器件结温控制准确性。

关键词：功率器件主动热控制 PI控制器参数优化结温控制遗传算法单相全桥电路电流动态限幅

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固态变压器级联H桥的主动热控制研究

固态变压器级联H桥的主动热控制研究

作者：周宗耀西南交通大学

学位级别：硕士

随着全球社会生产力的持续发展，人类对能源的需求逐渐从中小功率、分布式的应用场合向大功率、集中化的趋势发展，并且要求变流系统提高系统功率密度和变流效率。固态变压器由于其灵活、高效能、高功率密度等优势，是牵引系统和智能电... 详细信息

随着全球社会生产力的持续发展，人类对能源的需求逐渐从中小功率、分布式的应用场合向大功率、集中化的趋势发展，并且要求变流系统提高系统功率密度和变流效率。固态变压器由于其灵活、高效能、高功率密度等优势，是牵引系统和智能电网等应用领域中能够解决大功率电能管理难题的新兴变流技术和研究热点之一。本文研究级联型固态变压器中级联H桥的主动热控制方法，通过优化级联H桥的热应力，提高系统的可靠运行能力。　　本文首先介绍了级联型固态变压器的工作原理和常规控制方法。在此基础上，为了实现对输入级级联H桥主动热控制，需要对芯片的结温进行准确的提取。本文提出了一种优化的多芯片封装功率模块热网络建模方法，能够在大范围时间常数下，准确的提取芯片的结温。然后，针对由基频电流引起的结温波动，从调制层出发，采用零序电压注入的方式，将功率模块中开关的状态钳位至常通或者常断，通过减小一定的开关损耗并且重新分配损耗，降低芯片的平均结温以及结温波动，实现固态变压器中级联H桥的主动热控制。对于零序电压注入后系统产生的新问题，分析了产生的原因，并提出相应的解决办法，使得零序电压注入成为一种实用的热控制方法。　　本文最后搭建了包含输入级级联H桥的实验平台，并进行了实验验证。实验结果表明，一方面，在大范围热时间常数下，本文所提出的多芯片封装功率模块热网络模型的精度较高。另一方面，虽然零序电压注入热控制方法会导致中压侧电容电压波动的增大并且在电网电流中引入低次谐波。但是，在一定工况下，采用相应的解决办法后，零序电压注入热控制方法并不影响系统的正常工作，能有效的降低芯片平均结温和结温波动。

关键词：固态变压器级联H桥主动热控制零序电压注入

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多并网逆变器的协同主动热控制方法研究

多并网逆变器的协同主动热控制方法研究

作者：谭鹏飞山东大学

学位级别：硕士

近年来,以风力、光伏发电为主的新能源发电装机容量快速增长,风力和光伏发电在全国发电装机容量中占比逐年提高,突显了新能源发电在我国电力工业中越来越重要的地位。并网逆变器是新能源发电系统与电网连接的重要灵活可控装备,其运行可... 详细信息

近年来,以风力、光伏发电为主的新能源发电装机容量快速增长,风力和光伏发电在全国发电装机容量中占比逐年提高,突显了新能源发电在我国电力工业中越来越重要的地位。并网逆变器是新能源发电系统与电网连接的重要灵活可控装备,其运行可靠性关系到电网的安全稳定运行。然而并网逆变器的故障率居高不下,成为新能源发电系统的薄弱环节。其中平均结温过高以及结温波动幅度较大易导致功率开关器件热疲劳失效,已成为了并网逆变器损坏的主要诱因。解决并网逆变器热疲劳失效难题对提高并网逆变器运行可靠性至关重要。为解决热疲劳失效问题,可以采用增大散热片、增装风扇等被动方法,但难以减小结温波动幅度,效果有限。因此,知名学者相继提出主动热控制理论,根据输出功率变化情况动态调节逆变器的关键控制参数,降低功耗波动幅度,进而降低结温波动幅度,提升热可靠性。其中动态调节脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)频率的主动热控制方法由于具有无需改变硬件结构,调控灵活等优点而备受关注。但该方法应用在并网逆变器时,受到并网谐波含量要求的限制,PWM频率调节范围受限,虽可以减小结温波动幅度,但导致平均结温升高,器件仍面临热疲劳失效风险。为此,本文充分发掘多并网逆变器协同潜力,利用并网逆变器集群运行的特性,提出了一种应用于多并网逆变器的协同主动热控制方法。该方法通过引入PWM相位协同控制,可以降低并网逆变器的PWM频率,提高了主动热控制的PWM频率调节范围,能够同时降低结温波动和平均结温。随后,针对所提方法只能应用在输出功率相同的工况下的问题,本文提出了基于加权开关频率调节的协同主动热控制方法,并且可以进行并网逆变器的寿命损耗均衡。针对在并网逆变器集群功率变化差异较大时主动热控制效果不理想的问题,本文又提出了基于相关性分组的协同主动热控制方法,将并网逆变器集群按照输出功率的相关性进行分组控制。随后通过仿真验证了所提的几种协同主动热控制方法对于减小结温波动和平均结温的效果,以及对寿命损耗减小以及均衡的效果。最后,本文搭建了包含4台并网逆变器的协同主动热控制实验平台,详细介绍了平台的设计方案,并通过实验平台完成了并网实验和协同主动热控制实验,对相关结果进行了分析,验证了所提方法减小结温波动和平均结温的效果。

关键词：多并网逆变器功率开关器件主动热控制协同控制脉冲宽度调制

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电动汽车感应电机主动热控制方法研究

电动汽车感应电机主动热控制方法研究

作者：于杏南京理工大学

学位级别：硕士

电动汽车不仅具有噪声低、能源利用效率高等优点,还可以缓解传统燃油汽车驾驶带来的环境污染和资源紧缺等问题,是目前最具发展潜力的新能源汽车之一。电动汽车用感应电机以其运行可靠、结构简单、制造方便等诸多优点,已成为电动汽车领域... 详细信息

电动汽车不仅具有噪声低、能源利用效率高等优点,还可以缓解传统燃油汽车驾驶带来的环境污染和资源紧缺等问题,是目前最具发展潜力的新能源汽车之一。电动汽车用感应电机以其运行可靠、结构简单、制造方便等诸多优点,已成为电动汽车领域,尤其是低速电动汽车领域常用的驱动电机。与传统工业用电机不同,电动汽车用感应电机要求启动转矩大,瞬时出力能力优良,例如,在爬坡、越障等工况下需要电机能够在短时间内快速提高出力,以获得优良的驾驶体验。但是,大转矩运行会使电机温度上升迅速,为其可靠运行带来安全隐患。为了防止因电机温度过高而造成电机损坏的情况发生,通常会设置温度保护。然而,现有的温度保护措施通常是被动式保护,如设置一个静态的转矩电流限定值,或者为温度设定一个保守的温度保护值,当电机超温时,控制系统立即开启过温保护使转矩降额运行,以防止电机热过载。实际上,电动汽车用感应电机存在较大的热惯性,即电机温度变化总是滞后于电流的变化,这一特性为实现感应电机温度的主动控制提供了条件。作为一种闭环控制技术,主动热控制技术可以根据功率设备的温度反馈实现对关键参数的动态调整。相较于上述温度被动控制方法,主动热控制技术的控制手段更加灵活,控制精度更高,可更加有效避免温度敏感模块的潜在破坏应力,同时使整个系统能够在最大允许温度和温度周期内连续安全地工作。目前,主动热控制技术主要应用在功率器件、航空航天等领域,在电动汽车用感应电机控制领域的研究较少。本文基于功率器件的主动热控制思想,通过将温度闭环引入矢量控制系统,提出了电动汽车用感应电机主动热控制方法。本文首先以感应电机为研究对象,对其数学模型以及坐标变换进行了详细推导,在此基础上建立了基于Matlab/Simulink的仿真模型,并通过仿真研究验证了该系统具备良好的控制性能。之后,基于损耗分析及热平衡原理建立了感应电机温升模型,将电机温度信息与空间矢量控制相结合,提出了感应电机的主动热控制方法,并建立了基于Matlab/Simulink的主动热控制系统仿真模型,完成了仿真研究。通过对加入主动热控制前后的仿真结果进行分析比较,验证了所提感应电机主动热控制方法的有效性。然后,本文先后在软硬件方面对感应电机控制系统的电源电路、驱动电路、检测电路以及通信电路等主要模块进行了设计。其中,对于通信协议的设计,本文在MODBUS协议的基础上自主设计了应用层协议,完成了报文类型、格式定义以及通信规约的制定。最后,本文以型号为HHY3-72-H12-YJ的低速电动汽车鼠笼型感应电机为研究对象,建立了电动汽车驱动系统实验平台,使感应电机分别运行于加入主动热控制前后的控制系统中,对系统的控制特性进行实验研究。结果表明,本文所提的感应电机主动热控制方法能够在保障电机安全运行的前提下,显著提高感应电机的短时出力能力,具有重要的工程实用价值。

关键词：主动热控制电动汽车感应电机 DSP 矢量控制

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直流电机主动热控制方法研究

直流电机主动热控制方法研究

作者：赵辉西安建筑科技大学

学位级别：硕士

电机作为一种电能与机械能的转换装置,普遍应用于工业控制、国防、航空航天、农业生产、汽车驱动等众多领域。当电机温度较低时,通过过载运行可以最大限度地利用电动机的扭矩能力,但是,电机过载运行的程度和时间通常很难确定,电机在峰... 详细信息

电机作为一种电能与机械能的转换装置,普遍应用于工业控制、国防、航空航天、农业生产、汽车驱动等众多领域。当电机温度较低时,通过过载运行可以最大限度地利用电动机的扭矩能力,但是,电机过载运行的程度和时间通常很难确定,电机在峰值转矩的运行时间也往往通过经验估测。此外,电机过载运行会使其内部温度迅速上升,而电机温升过高会加速绕组绝缘层老化或导致永磁体矫顽力下降,进而使电机效率下降,严重时可能导致电机烧毁。因此,电机的热控制研究具有重要的工程实用价值。由于过载能力与电机温度密切相关,本文以直流电机为研究对象,提出了一种基于单节点集总参数热模型的模型预测电机主动热控制方案。首先,基于主动热控制技术,结合模型预测控制和集总参数热网络法,详细分析推导了直流电机的单节点模型预测主动热控制算法,并设计了直流电机主动热控制系统整体方案。其次,在MATLAB/Simulink中分别搭建了红外温度传感器、霍尔电流传感器、转矩转速测量仪的软件通信模块以及直流电机主动热控制系统整体控制模型。最后,在所设计的电机转子温度监测系统的基础上,搭建了以dSPACE为核心的电机主动热控制系统硬件实验平台,并在一台永磁直流电机上进行了实验验证。实验结果表明,所提出的基于单节点集总参数热模型的电机模型预测主动热控制方案,可以自适应地产生电机过载运行时保障电机转子温度低于限制温度值所对应的电机转矩极限包络线,以保证在电机过载运行期间,转子温度被限制在预设温度值附近。在提升电机过载能力的同时,可以减少电机过载运行时的热应力,避免转子过热,提高电机寿命。将基于MPC的控制方案与基于PI控制器的控制方案进行比较。结果表明,所提出的MPC控制方案在过载运行期间比基于PI的控制方案具有更大的扭矩能力。

关键词：电机转子温度集总参数热网络模型预测控制主动热控制

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基于新型热网络模型的逆变器主动热控制策略

基于新型热网络模型的逆变器主动热控制策略

作者：张星湖南大学

学位级别：硕士

碳化硅(SiC)功率半导体器件以其宽禁带、高饱和速率、高导热率和高击穿场强等特性在未来的电动汽车逆变器中具有巨大潜力。已有研究表明功率循环波动和热应力冲击是造成功率模块失效的主要原因。为了快速准确的估计功率模块结温并通过... 详细信息

碳化硅(SiC)功率半导体器件以其宽禁带、高饱和速率、高导热率和高击穿场强等特性在未来的电动汽车逆变器中具有巨大潜力。已有研究表明功率循环波动和热应力冲击是造成功率模块失效的主要原因。为了快速准确的估计功率模块结温并通过有效措施提高电动汽车逆变器可靠性。本文提出了基于新型热网络模型的逆变器主动热控制策略,来实现对SiC功率模块结温在线观测和主动热控制。保障SiC功率模块的安全可靠运行。本文首先从SiC功率模块内部的传热机理和开关特性入手;介绍了两种常用的热网络形式以建模方法和特点,总结了两种模型存在的缺陷。并利用器件厂商提供的数据手册中的数据建立了逆变器功率器件的损耗模型。其次针对现有热网络模型存在的模型结构复杂,热阻抗参数易受模型参考点的选取以及环境温度的影响等问题。提出了基于内置温度传感NTC的新型热网络模型。新型热网络的温度参考点不再以散热器温度或环境温度作为参考而是以模块内部温度传感器温度信息为参考,无需建立散热器到环境的热网络,简化了模型结构;同时模型中考虑了芯片热耦合影响,提高了模型精度。仿真和实验结果分析表明,本文所提新型热网络模型参数不会受到散热条件和环境温度变化的影响同时验证了在正弦和方波工况下模型计算精度与有限元法相当但计算速度更快。为逆变器主动热控制提供良好基础。最后提出了逆变器主动热控制策略,即利用逆变器的电热模型计算功率器件的结温,然后设计电流限幅控制器根据功率器件的最大结温及其可用热容量来动态调整逆变器的最大运行电流值,从而控制逆变器的功率器件的最大结温。测试结果表明本文所提控制策略能够很好地控制逆变器在低频大功率输出工况以及堵转工况下的瞬时结温冲击,使逆变器工作在安全结温以下,降低器件因结温过高而发生失效的概率,延长器件使用寿命;另外,相比于预留裕量,设置固定最大运行电流的控制策略,所提控制策略能充分利用逆变器的最大瞬时可用热容量,提高了逆变器的瞬时负载能力,可实现系统运行极限最大化。

关键词：碳化硅(SiC)功率器件逆变器热网络结温观测主动热控制

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IGBT模块失效机理和主动热控制综述

电子技术应用 2020年第2期46卷 18-23页

作者：周小康马奎梁蓓贵州大学大数据与信息工程学院贵州贵阳550025 半导体功率器件可靠性教育部工程研究中心贵州贵阳550025

随着新能源发电、混合动力汽车以及工业设备等领域中电力分配及控制的有效性需求的增加,IGBT的运行可靠性问题亟需解决。梳理了IGBT模块的主要失效机理,并以此为理论基础,对国内外在IGBT模块主动热控制方面的研究进行归纳分析。最后结... 详细信息

随着新能源发电、混合动力汽车以及工业设备等领域中电力分配及控制的有效性需求的增加,IGBT的运行可靠性问题亟需解决。梳理了IGBT模块的主要失效机理,并以此为理论基础,对国内外在IGBT模块主动热控制方面的研究进行归纳分析。最后结合实际对主动热控制的发展前景寄予展望。

关键词： IGBT模块失效机理主动热控制