Abstract ：

针对国内轨道交通120 kW辅助电源系统输入DC 1 000~2 000 V,输出DC 700 V的实际应用需求,相比于传统的半桥零电流隔离型DC/DC拓扑结构,此设计采用基于1 700 V IGBT的双机Boost和LLC两级串入并出(ISOP)的主电路拓扑结构。单机Boost升压电路调节输入电压至恒定直流母线电压。LLC电路工作于固定谐振频率点作为直流隔离变压器(DCX),获得全功率范围最优的软开关性能和最小电力半导体器件应力,进一步给出详细的闭环控制系统的设计参数。最后实验验证了此设计方案的正确性。

Keyword ：

辅助电源系统 轨道交通 谐振软开关变换器

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中高压直流变流器在直流输电、社区中压直流供电和全电船舶等领域有巨大的应用潜力,已成为学术界研究的热点。当前在中高压直流断路器尚未商用的情况下,具有直流故障阻断功能的中高压直流变流器成为技术研究的重点方向之一。受低压Cuk电路启发,提出一种兼顾模块化特性和直流故障阻断功能的新型非隔离型中高压直流变流器拓扑。该拓扑可在维持子模块电容电压均衡的前提下,实现串联电力半导体器件的软开关操作,避免了动静态均压问题。与现有的具有直流故障阻断功能的直流变流器相比,所提拓扑减少了开关器件的数量,降低了系统的成本和体积。基于MATLAB/Simulink的仿真,研究验证了该拓扑的可行性。

Keyword ：

大功率变流器 多电平变流器 软开关技术 直流变压器

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针对国内轨道交通120 kW辅助电源系统输入DC 1 000～2 000 V,输出DC 700 V的实际应用需求,相比于传统的半桥零电流隔离型DC/DC拓扑结构,此设计采用基于1 700 V IGBT的双机Boost和LLC两级串入并出(ISOP)的主电路拓扑结构。单机Boost升压电路调节输入电压至恒定直流母线电压。LLC电路工作于固定谐振频率点作为直流隔离变压器(DCX),获得全功率范围最优的软开关性能和最小电力半导体器件应力,进一步给出详细的闭环控制系统的设计参数。最后实验验证了此设计方案的正确性。

Keyword ：

辅助电源系统 轨道交通 谐振软开关变换器

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中高压直流变流器在直流输电、社区中压直流供电和全电船舶等领域有巨大的应用潜力,已成为学术界研究的热点.当前在中高压直流断路器尚未商用的情况下,具有直流故障阻断功能的中高压直流变流器成为技术研究的重点方向之一.受低压Cuk电路启发,提出一种兼顾模块化特性和直流故障阻断功能的新型非隔离型中高压直流变流器拓扑.该拓扑可在维持子模块电容电压均衡的前提下,实现串联电力半导体器件的软开关操作,避免了动静态均压问题.与现有的具有直流故障阻断功能的直流变流器相比,所提拓扑减少了开关器件的数量,降低了系统的成本和体积.基于MATLAB/Simulink的仿真,研究验证了该拓扑的可行性.

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大容量电力电子装备的可靠性综合分析与评估方法对装备的优化设计至关重要,而其核心问题仍未被解决。通过对器件的物理失效机理分析,可以获得不同关键器件的不同失效模式,建立多物理场耦合下的可靠性研究的理论基础,更为准确地针对具体器件、系统、物理场以及不同时间尺度展开可靠性量化评估。介绍了电力半导体器件、电容器和装备相关的可靠性研究现状,分析了器件失效物理机理、可靠性分析方法,总结了现有研究存在的问题,提出了相应的解决方案,展望了大容量电力电子装备可靠性的未来研究方向。

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大容量电力电子装备 电力半导体器件 电力电子可靠性 电容器 可靠性建模 失效物理机理

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大容量电力电子装备的可靠性综合分析与评估方法对装备的优化设计至关重要,而其核心问题仍未被解决。通过对器件的物理失效机理分析,可以获得不同关键器件的不同失效模式,建立多物理场耦合下的可靠性研究的理论基础,更为准确地针对具体器件、系统、物理场以及不同时间尺度展开可靠性量化评估。介绍了电力半导体器件、电容器和装备相关的可靠性研究现状,分析了器件失效物理机理、可靠性分析方法,总结了现有研究存在的问题,提出了相应的解决方案,展望了大容量电力电子装备可靠性的未来研究方向。

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大容量电力电子装备 电力半导体器件 电力电子可靠性 电容器 可靠性建模 失效物理机理

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由于电力半导体器件在近半个世纪内的迅猛发展，使得逆变器的应用已经进入了各个领域，采用逆变器并联技术提高系统的可靠性实现冗余供电已经成为一个重要发展方向。目前逆变器并联研究方向主要为小功率逆变器并联，也有大功率逆变器并联，但其均为低频，中频领域还未有研究。本文从单台大功率中频电源出发，研究设计了一种专用的大功率中频逆变器并联系统，填补了中频并联领域的空白。 本文通过研究并机系统的原理及其关键技术，对单台变频器的拓扑结构进行了解释说明，选用了电压源型逆变器，并设计了其主电路各环节具体参数。然后通过单台逆变器进行组网并联，自主设计了大功率逆变器并机的系统拓扑结构。对SPWM波的数字生产原理进行了解说，通过自然采样法离线计算出正弦波的SPWM值表，然后利用查表法，用DSP生成所需的SPWM波。 本文介绍了4种适合控制逆变器并联运行的方法，最终选择了主从式控制方法，并对其进行优化改进，当主机出现故障时，系统可以根据一定的逻辑程序自动从所以有从机中选出一台作为主机继续工作，提高了并联系统的可靠性。 本文采用数字控制器，采用电压外环和电流内环的控制方法，结合数字锁相技术，由主机完成外环、内环的计算，将同步基准信号和电感电流瞬时值环给定发送至从机，通过对多台中频电源并机运行的控制，有效抑制了并联环流。 基于单台大功率中频逆变器完成了并联系统的创建，进行了空载与带载试验测试，给出了测试结果及应用情况，证明了大功率中频并联系统带载能稳定运行，满足系统运行技术要求，可以大范围应用于工厂生产中。

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SPWM 变频器并联 环流控制 中频电源

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一种超导限流混合式直流断路器及工作过程，该直流断路器由主支路、电力半导体开断支路及能量吸收支路并联构成。主支路由可加磁场的高温超导带材和与其串联的快速隔离开关组成；电力半导体开断支路由电感(含超导电感)和电力电子器件串联组成。发生短路电流时，高温超导带材失超变为电阻后导通电力电子器件将电流转移到开断支路，再利用快速隔离开关切断主支路电流；随后超导电感限制短路电流上升率，电力半导体器件关断限制后电流，并将电流转移至能量吸收支路，切除故障电流。本发明在开断支路添加电感(含超导电感)，减少了电力半导体器件的并联数量。主支路的超导限流模块和开断支路的超导电感共用一套冷却系统，降低断路器的体积和成本。

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传统工频电力变压器是电力系统中的关键设备，用于实现电压等级变换与电气隔离，具有结构简单、可靠性高、效率高等优点，但同时存在环境隐患、无功消耗大与功能单一等缺点。电力电子变压器是电力变压器的一种未来替代方案，由大功率电力半导体器件、高频变压器与控制系统构成，除了能够实现电压等级变换与电气隔离功能外，还能够实现诸多额外功能，包括输入输出波形控制、电能质量控制、直流端口接入、保护、通信等。近十年来，电力电子变压器得到了学术界和工业界的广泛关注。在我国，面向配电网应用的电力电子变压器得到了重点关注，世界上首个配电网电力电子变压器已于2015年在国内投运。本文在第1章总结现有电力电子变压器研究现状的基础上，对配电网应用的三级式模块化电力电子变压器的拓扑与控制方法进行了深入研究。 本文的第2、3章对中压/低压电力电子变压器的拓扑结构及这些拓扑结构在低压侧负载不均衡情况下的中压侧控制进行了研究。在比较研究多种电力电子变压器拓扑补偿不均衡负载的原理与所需的中压侧器件裕量的基础上，对其中一种被认为具有优势的拓扑——中压侧Y接的交错相连接拓扑的控制策略进行了深入研究，提出了两套基于无功分量注入的控制算法。第一套算法包括PF1=1与mALL=1两种算法，这两种算法能实现补偿不均衡负载所需的无功电流最小，为最优算法，但计算量较大；第二套算法为均分Ud算法，不能实现无功电流最小，但计算量较小，为简化算法。与以往仅有的一套不能全范围运行的无功分量注入算法的同类研究相比，本文提出的两套无功分量注入算法能够在全范围内运行，并且其中一套能够实现无功电流最小。 本文的第4章对电力电子变压器在中压侧电网非永久性单相接地故障下的故障清除功能与控制策略进行了研究。提出了将消弧线圈接入中压侧的Y中点，能够实现消弧功能的电力电子变压器拓扑。针对消弧线圈需要接地阻抗可调的技术要求，本文提出了基于中压侧零序电压注入的接地阻抗调节策略。针对零序电流较大导致中压侧在消弧线圈运行过程中的电流应力较大的情况，提出了基于负序电流注入的降低中压侧电流应力的控制策略。本文通过消弧线圈接地的电力电子变压器拓扑提出对应的基于零序电压注入、负序电流注入的控制策略，是国际上首次提出的电力电子变压器在非永久性故障下实现熄弧以清除故障的解决方案，能够给电力电子变压器增加消弧功能，同时能够省去接地变压器与消弧线圈阻抗调节系统从而降低了全系统的成本。 本文的第5章对电力电子变压器在中压侧电网永久性单相接地故障下，故障相切除即单相开路状态的运行与控制进行了研究。提出了电力电子变压器在单相开路状态下的控制策略。在分析单相开路状态下的各序电流分解情况的基础上提出了只控制正序电流、不控制负序电流的电流控制策略，能够实现对单相输入电流进行控制的同时避免负序电流环输出不受控的随机电压指令。针对中压侧Y连接的电力电子变压器提出了一种负序电压注入策略，能够减小中压侧在单相开路状态下的THD与电容纹波。针对中压侧△连接的电力电子变压器提出了一种零序电流控制策略以减小中压侧桥臂在单相开路下的电流应力，提高了电力电子变压器在单相开路情况下所允许传输的功率。本文首次提出了电力电子变压器在单相开路状态下的中压侧电流控制策略并分别针对中压侧Y与△两种拓扑进行了优化。 本文的第6章对多端口电力电子变压器的拓扑与直流电压控制进行了研究。提出了一种基于串联H桥与多有源全桥的多端口电力电子变压器拓扑，并针对所提出的拓扑的直流电压控制问题提出了一种基于控制权重分配的直流电压控制策略，将直流电压调节所需的功率调节量按照一定系数分配到多个串联H桥级中。与以往两端口电力电子变压器的交流级+交流级与交流级+隔离级两种直流电压控制策略在多端口情况下的衍生策略相比，所提出的直流电压控制策略能够保证系统在失去一个端口情况下仍能正常运行，具有较好的鲁棒性，更加适用于多端口电力电子变压器。

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电力子变压器 多端口 负载 不均衡 接地单相 故障

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本发明公开了一种阻抗源整流器最大降压和最小开关频率脉宽调制方法，通过调节一相桥臂的直通时间使一个开关周期T_s内整流桥直流侧电压为交流侧输入开关线电压的瞬时最大值，从而可以将整流桥中电力半导体器件的等效开关频率减小为1/3f_s。本发明通过将阻抗源整流器中间直流侧电压控制为交流输入开关电压的包络线即三相线电压的瞬时最大值，有效地减小了高增益应用场合下电力半导体器件的电压应力和等效开关频率，有助于降低变流器中电力半导体器件的成本和提高电能转换效率。本发明提出的调制方法，阻抗源整流器直流侧电感电流和电容电压包含六倍基波频率的低频纹波。

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