Abstract ：

随着环境的恶化，电动车代替汽油车已成必然趋势，而充电桩的充电效率制约着电动车的发展。随着生活节奏加快，各种电子设备的快速高效充电是人们所向往的。高效、高功率密度的电力电子设备一直是电力电子工程师的追求。负载谐振电路由于其电路特性，通过谐振可以自然的实现功率器件的软开关，提高电路效率。但是在一些低压大电流的场合，变压器二次侧的整流二极管已成为电路效率进一步提高的障碍。因此利用MOSFET代替二极管的同步整流应运而生，其中LLC谐振电路结合同步整流所构成的LLC同步整流电路具有比较高的研究价值。 论文对谐振电路的发展进行了介绍，先后比较了SRC和PRC两种谐振电路，并对目前最为实用的一种LLC拓扑进行研究。首先利用基波等效的方法对LLC电路建立了基波等效模型，利用模型对电路的增益特性进行研究，在增益特性中对电路的工作区进行划分，确定了电路的最佳工作区，给出了电路处于不同工作区时的工作状态。通过对MOSFET的双向导电特性分析，介绍了同步整流的工作原理，给出同步整流与二极管整流的损耗对比，并对现阶段LLC同步整流的控制方法进行总结与对比。在对LLC同步整流处于不同工作区分析的基础上，提出了一种新的混合式LLC同步整流控制方法，该方法不仅不用外加复杂的辅助电路，而且能对LLC同步整流实现精确的控制。 为了验证所提出的控制方法，论文先后对EMI电路参数、BOOST电路参数、LLC槽路参数、同步整流电路、驱动电路、采样电路以及磁性元件进行设计，给出了硬件电路中关键器件的选型依据。由于数字控制有利于实现电力电子设备的模块化，缩短产品的开发周期，节省产品开发成本的优势。因此论文还对LLC同步整流控制方法的数字实现进行了研究，以TMS320F28335为数字控制器，给出了控制算法在DSP中的实现方法与程序流程图。针对所设计的系统在PSIM环境中搭建了仿真模型，进行了闭环仿真。不同输入下的结果表明了设计的合理性。同时也搭建了一台50W的样机，通过对实验结果的测量，验证了论文所提出的LLC同步整流控制方法能够在不同的开关频率下对电路实现正确的控制，证明了控制方法的可行性。

Keyword ：

LLC 数字控制 同步整流 谐振变换器

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随着分布式能源的大量引入，“即插即用”的对等式微电网因无需中央控制器可靠性高而被广泛应用，而由于其缺乏同步机所具有的惯性和阻尼，为了增强微电网的稳定性，有学者提出了虚拟同步机控制的方法以模拟传统同步机的运行特性。同时为了满足微电网既能实现孤岛模式及并网模式的运行以及两者之间的无缝切换，其同步并网方法也是研究的重点，而无锁相环的并网方法相比于传统的并网方法具有降低成本及减少通信线的使用的优点故具有实际工程意义。 本文首先建立了LC滤波电压源型逆变器在 坐标系及 坐标系下的连续时间模型和离散时间模型，并对比了其优缺点，其中离散时间模型还考虑了数字控制的PWM延迟以及控制延迟，其次在两相静止坐标系下设计电压电流双环的控制方法，其中内环电流环加入了电容电流反馈以减小谐振峰。接着对储能虚拟同步机控制与传统同步机的运行特性进行比较，并得到数字控制下的虚拟同步机控制参数。接下来本文证明了虚拟同步机的作用与增强型锁相环等效，在此基础上提出了无锁相环并网方法，该方法无需锁相环仍可以实现并网预同步，与传统的调频并网相比加快了并网速度减少了并网计算步骤。再次本文对并网后储能虚拟同步机既能输出功率又能吸收功率原理进行了分析。 最后本文基于MATLAB的仿真环境对单台储能虚拟同步机的孤岛运行、并网预同步、并网运行下的充放电进行了仿真验证，在以TMS320F28335为基础的微电网实验平台上验证了单台储能虚拟同步机可在各个运行状态下运行。

Keyword ：

并网控制 电压源型虚拟同步机 数字控制

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三相PWM变流器是交流微网和分布式供电系统与电网之间最为常见的接口，而且它具有动态响应速度快、交流输入功率因素高等优点，因此它越来越受到电力电子行业的广泛关注。但当电源频率波动时，三相PWM变流器的特性将发生一些变化，这些变化可能会对分布式供电系统以及三相交流微网的稳定性产生一定的影响，严重的情况下可能导致整个系统的崩溃。因此对电源频率波动条件下三相PWM变流器的研究有着重要的意义。同时也为分布式供电系统以及三相交流微网的稳定性研究与分析奠定了基础。 三相PWM变流器分为三相PWM逆变器与三相PWM整流器，本文选择三相PWM整流器作为例子，对电源频率波动条件下三相PWM整流器进行小信号建模与分析。为此，论文先推导出了不考虑电源频率波动条件下三相PWM整流器的建模；又在考虑电源频率波动条件下，分别分析了三相PWM变流器的开环与闭环模型。由于电源频率的波动通过锁相环传递到整流器系统，本文先从锁相环入手，针对电源频率波动条件下，锁相环输出相角与电源电压的实际的相角并不是完全相等，故将锁相环相角对应的控制器旋转坐标系与电源电压相角对应的旋转坐标系进行了严格的区分开来，从而完成了锁相环的建模。在这个基础上，依次建立了电源频率波动条件下三相PWM整流器的开环模型与闭环模型。另外，本文利用了MATLAB软件对三相PWM整流器进行了理论分析，还利用了SABER软件对上述推导的三相PWM整流器的开环与闭环模型进行了时域仿真，包括：利用TDSA模块对开环与闭环模型进行扫频，将其与MATLAB求得的理论结果进行了比较，验证了模型的准确性。 最后，本文基于DSP中的TMS320F28335编写了相应的数字控制的软件程序，在可编程交流电源上以及整流器平台上进行了三相PWM整流器的实验，同时搭建了三相交流系统的端口特性测量平台，为测量三相PWM整流器模型的传递函数奠定了基础。

Keyword ：

建模 频率波动 锁相环

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双转子定子无铁心永磁同步电机空载损耗小、效率高、过载能力强，尤其适用于飞轮储能系统，论文针对用于飞轮储能系统的双转子定子无铁心永磁同步电机的无位置传感器控制进行较为深入的研究。 首先，建立同向旋转双转子、定子无铁心永磁同步电机数学模型，针对该电机无磁饱和效应的特点采用低频注入法以达到对其零低速区的无位置传感器控制，同时对滑模观测器的开关函数和滑模增益进行优化设计，并采用串联LC滤波器拓扑结构以减小电机在高速运行状态下的电流谐波，实现对飞轮电机中高速区的稳定控制。 其次，根据飞轮储能系统的需求与特点提出了分别采用基于恒压频比法与滑模观测器复合控制和基于低频注入法与滑模观测器复合控制对系统进行升速储能、采用前馈解耦双闭环PI法控制系统稳压发电的系统控制策略。通过搭建的系统仿真模型对以上算法的有效性和动态响应进行了仿真分析，表明：策略一可以迅速控制飞轮电机运行至额定转速，但存在起动阶段控制精度较低等问题；策略二可在多次变速与加减载的工况下，对飞轮电机的转速与角度进行准确估算，具有反应速度快、鲁棒性好的优点，但存在参数调试困难的问题；前馈解耦双闭环PI控制方法能够实现系统在过载、额定转速以及较低转速下发电模式的稳定运行。 最后，根据飞轮储能系统需求对系统软硬件进行设计，搭建以DSP芯片TMS320F28335为核心的飞轮储能永磁同步电机控制实验平台，进行飞轮储能电机控制系统实验，验证了采用的控制策略一及所研制控制系统的有效性。

Keyword ：

低频注入法 飞轮储能系统 滑模观测器 双转子定子无铁心永磁同步电机 无位置传感器控制

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在电网中，随着电力电子设备等非线性负载的广泛应用，这些非线性负载向电网中注入了大量的谐波和间谐波。谐波和间谐波不但影响了计量传感装置计量准确性，还严重影响了电网的供电质量，因此需要对畸变信号条件下的谐波间谐波参数提取和电能计量问题进行研究。传统的谐波和间谐波提取算法大多基于FFT算法，但由于电网的频率是波动的，FFT的分析算法在非同步化采样下存在频谱泄露和栅栏效应的缺点。基于加窗FFT算法，虽然有一定抑制效果，但是不能完全消除频谱泄露。 提出了一种基于改进三次样条插值时域重构法的谐波间谐波提取和分析算法。首先利用Hanning窗双谱线插值法获得信号的基频，再应用改进的三次样条插值法对时域信号进行重构，完成同步化，同步信号通过梳状滤波器分离谐波和间谐波，再从同步波形中减去间谐波，最后进行FFT运算获得谐波信号的频率、幅值和相位信息。对比了本文算法与其他的算法在基波频率计算、间谐波/谐波分离以及重构过程的精度。研究了间谐波、噪声干扰和频率、幅值波动对精度的影响。算法仿真结果：频率达到±0.01Hz精度，基波幅值达到±0.05%的精度。 分析了现有的电能计量方式的不合理性，针对含谐波和间谐波的畸变信号进行有功电能的分析，将含谐波、间谐波的复杂电压电流信号作用所产生的电能归算为基波电能、谐波电能和间谐波电能，其中间谐波电能指间谐波分量和其他频率分量所产生的电能。研究了信号参数对间谐波电能的影响。采用基于改进三次样条插值时域重构的参数提取算法来计算信号参数和电能，仿真结果证明基波有功电能达到±0.05%的精度。 建立了实验平台对上述电能算法进行了验证。任意波形发生器产生含谐波和间谐波的电压电流信号；采集装置的控制器采用TMS320F28335芯片，数据采集模块采用AD7606芯片来实现高精度的数据采集，而后将数据通过以太网传输；在上位机上完成数据的接收和算法的实现功能。基于LabVIEW平台实现了基于改进三次样条插值重构法的谐波间谐波提取和分析算法以及电能计量。设置不同的波形参数进行实验，在参数提取实验中当基波受到间谐波干扰时，频率满足达到±0.01Hz精度，基波幅值达到±0.05%的精度；电能计量实验中基波电能达到±0.05%的精度，与仿真结果一致，证明算法能够实现高精度谐波间谐波参数提取和电能计量。

Keyword ：

FFT 电能计量 间谐波 时域重构 谐波分析

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并网逆变器是连接分布式发电系统和公用电网的关键设备，其控制性能的优劣直接影响着馈入电网电能的质量。LLCL相比传统LCL滤波并网逆变器可以更有效滤除入网电流中的开关纹波，在滤波效果相同的情况下可进一步减小逆变器的体积与成本，适用于开关频率较低的中大功率场合。然而，随着分布式发电并网渗透率的日益增加，多台逆变器并联导致电网等效阻抗的改变以及大量非线性负载引起公共耦合点（Point of Common Coupling，PCC）处的电压畸变共同形成了弱电网的主要特征。电网阻抗的参数不确定性和电网电压的畸变都会引起控制器性能的下降，造成入网电流谐波成分加剧，甚至影响系统的稳定性。所以，弱电网下LLCL滤波并网逆变器的建模方法与控制器的设计研究具有重要工程实际意义。 本文首先分析和建立了含有延迟环节的LLCL滤波并网逆变器的离散时间模型，在此基础上用多面体模型描述弱电网的阻抗参数不确定特性。接着，本文提出一种基于线性矩阵不等式（Linear Matrix Inequality，LMI）理论的入网电流鲁棒H∞控制策略，该策略直接得到全状态反馈的反馈增益系数，将系统闭环特征值配置于合理区域，有效抑制了系统固有谐振峰的影响；该策略同时约束了系统H∞范数，即保证了系统对电网电压扰动的抑制能力；前置多谐振电流控制器也有效抑制了电网特征次频率背景谐波的扰动；LMI理论对鲁棒控制器的优化保证了弱电网参数变化情况下整个系统的鲁棒稳定性。由于多谐振控制器选择频率的局限性，本文接着分析了基于LMI理论的电网电压前馈控制器的设计方法，并提出了一种电网电压全前馈控制策略，有效增强了系统对整个频率段电网电压谐波扰动的抑制能力。 最后，本文在以TMS320F28335为控制芯片的9.1kW三相LLCL滤波并网逆变器实验平台上验证了以上控制策略在弱电网情况下的可行性和有效性。

Keyword ：

LLCL滤波并网逆变器 电网电压前馈 鲁棒H∞控制策略 弱电网 线性矩阵不等式

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直流开关柜中的直流保护控制装置是保证城市轨道交通供电系统稳定可靠的重要设备。当系统发生故障时，准确快速的切除故障线路，防止故障进一步扩大是直流保护装置的主要功能。目前国内地铁处于快速发展时期，而国内在地铁直流保护装置的研发还不够成熟，直流开关柜中的继电保护装置等设备主要依赖进口的设备和技术。使用引进的设备和技术不仅意味着高昂的运行成本，也让中国地铁的发展受到外部的限制。因此，研制出可靠性高的地铁直流保护控制装置具有深远意义和广阔的市场前景。 本文分析了国内地铁发展的现状以及地铁直流开关柜中直流继电保护装置的发展现状。结合政策导向，未来几年将是国内地铁快速发展时期，也是直流开关柜中关键设备国产化的重要阶段。通过对地铁运行过程中出现的故障类型及其保护需求分析，设计了针对馈线柜、负极柜、正极柜的保护元件，并详细分析了元件的保护原理和保护逻辑。装置采用了元件—工程—用户三级可编程的机制，以满足不同条件下的保护需求。 基于各类保护元件的保护原理，设计了以TI公司的DSP芯片TMS320F28335为主控芯片的直流保护控制装置的硬件系统。硬件系统包括直流信号的调理电路、开关量输入输出电路、网络通信硬件电路、人机界面模块硬件电路、系统电源硬件电路等。软件方面，基于CCS软件开发平台，按照直流保护装置所需要实现的功能进行软件设计。基于保护需求分析实现了各类保护元件的保护逻辑、装置控制功能、通信功能、事件记录等。软件上实现了用户对保护元件的选择，保护元件参数的整定等可编程机制。通过设定不同的保护元件，可将装置用于不同类型的直流开关柜中。 本文最后搭建了针对直流保护装置的测试平台。通过PC上位机和信号发生器的配合，还原故障信号。测试分为直流保护装置的保护功能性测试和保护出口动作精度测试。在动作精度测试过程中设计了五段折线信号，实现了对装置变化率保护等保护元件的动作精度的测试。本文以表格的形式给出了相关测试数据，计算出了相对误差，并分析了误差产生的原因。

Keyword ：

DSP 变化率保护 城市轨道交通 地铁直流保护

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介质阻挡放电（DBD）可以获得性能优良的低温等离子体，在工业领域有很高的应用价值。大气压下DBD的均匀性是其有效应用的重要指标。DBD过程中介质表面电荷对放电特性有重要影响，因此，研究大气压DBD介质表面电荷测量方法、建立大气压DBD介质表面电荷测量系统，对于深入研究大气压DBD中表面电荷的分布及发展规律、探索放电机理具有重要意义。 本文研究了基于Pockels效应的大气压DBD介质表面电荷测量方法，对Pockels效应反射法测量表面电荷的光路进行了分析。研究了基于1/8波片的光相位调制方法，用于区分被测电荷的极性。根据大气压DBD试验的需求，设计并开发了高频高压试验电源。研究了高频电源中整流滤波电路、逆变电路、控制电路、触发显示电路以及高频升压变压器的实现原理，对主要电路的器件参数进行了计算和选型。以数字信号处理器TMS320F28335为核心控制器，研究了高频试验电源的控制方法。在此基础上，搭建了大气压DBD表面电荷动态分布测量实验系统，分别设计了测量光路单元、放电电极和实验腔体、放电特性测量单元以及系统同步控制单元。研究了表面电荷的计算方法，并对表面电荷二维图像的处理算法进行了改进。对所设计的DBD高频试验电源及介质表面电荷测量系统在大气压氦气环境下进行了实验测试，验证了设计结果的正确性。 研究结果表明，Pockels效应方法能够用于大气压DBD中介质表面电荷动态分布的测量，采用改进的图像处理算法后，可以将介质表面电荷识别的灵敏度提高到0.03nC/mm2。在DBD高频电源中综合采用PI控制算法和软启动算法，降低了电路启动冲击电流的危害，直流输出纹波系数小于5%，有效提高了电源工作的稳定性和可靠性。通过合理设计磁芯及线圈参数，使高频变压器的漏感降低到24μH，降低了分布参数对变压器输入输出特性的影响。基于建立的大气压DBD表面电荷测量系统，得到了在氦气环境中、不同电压下介质表面电荷分布的基本规律。

Keyword ：

Pockels效应 表面电荷 高频电源 介质阻挡放电

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Abstract ：

集成起动/发电系统是多电/全电飞机和混合动力汽车电源系统的核心，双通道双凸极永磁电机具有结构简单、容错能力强、功率密度高、散热方便以及适合高速大容量等突出优点，已经成为下一代起动/发电系统的可选方案之一。本文对12/8结构双通道双凸极永磁起动/发电系统的建模仿真、性能分析、控制策略优化、功率变换器设计、故障分析及容错控制等方面进行了深入的研究。 建立了计及双通道双凸极永磁电机相间互感、通道间互感的非线性数学模型和起动/发电系统一体化仿真模型。对起动/发电系统在单通道、双通道运行时的电流特性进行了理论解析；比较了单通道、双通道运行时在不同转速、母线电压和导通角等条件下的稳态性能；分析了相间和通道间互感对电流的影响；对比研究了电机在单通道、双通道运行时的闭环建压和负载突变等动态特性。研究表明：电流特性受转速、母线电压和导通角变化的影响；在相同的条件下，单通道、双通道运行的相电流波形由于互感的存在略有差异；闭环运行时双通道具有更好的动、静态特性，且稳态直流母线电压脉动更小，动态响应速度更快。设计了基于TMS320F28335芯片的双通道双凸极永磁起动/发电系统实验平台，实验结果验证了理论模型和仿真分析的有效性。 基于频域分析方法，建立了包含双凸极永磁发电机和驱动电路的线性化模型，构建了双凸极永磁发电机的双闭环控制系统，设计了PI参数自适应的电流控制器和电压控制器，其中电流环配置为典型I型系统，电压环分别配置为典型I型系统和典型II系统。研究表明：采用PI参数自适应的电流控制器可以使绕组电流在整个导通区间内保持很好的跟踪效果；将电压环配置为典型II系统设计的发电系统虽然会存在一定的超调，但是具有更快的动态响应速度和更好的抗扰性；基于PI参数自适应的双闭环控制器具有良好的稳态和动态性能。 首次将转矩分配函数应用于双凸极永磁发电系统控制，基于铜耗最小原则提出了一组新的转矩分配函数，构建了增加转矩分配函数模块的双闭环控制策略。将基于铜耗最小转矩分配函数的控制策略与传统控制策略进行对比，研究表明所提出的基于铜耗最小原则设计的转矩分配函数可以有效的降低双凸极永磁发电系统的转矩脉动、直流母线电压脉动和绕组铜耗。 提出一种新型的适用于双凸极永磁发电机的电容储能型变换器及其控制策略，建立了包含电容储能型变换器的双凸极永磁发电系统数学模型，从满足电压控制的跟随性和抗扰性出发给出储能电容的参数设计；基于三相半桥电路及其开通、关断角的多目标优化，对两种拓扑结构的开环、闭环运行进行了对比分析。研究表明所提出的电容储能型变换器可以有效的提高双凸极永磁发电系统的稳态和动态性能，稳态直流母线电压脉动更小，动态响应速度更快。 分析了双通道双凸极永磁发电系统的各种故障类型及其产生的原因，通过引入开关变量和开关函数建立了系统在故障状态下的数学模型和故障仿真模型，分析了发电系统在绕组开路/短路、IGBT开路/短路、续流二极管开路/短路和负载开路/短路等多种故障情况下的故障特性。针对一相缺相故障提出了切除故障通道和切除故障相两种可行的容错运行方案。研究表明：当负载较小时应优先选择切除故障通道；当输出无法满足负载需求时则切换为切除故障相；若切除故障相时输出已无法满足负载需求，则降额运行直到系统恢复正常状态。

Keyword ：

PI 参数自适应 电容储能型变换器 容错控制 双通道双凸极永磁起动/发电系统 转矩分配函数

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并网逆变器是分布式发电系统与电网之间最常用的接口，而LLCL型滤波器与LCL型滤波器相比，由于其可有效地滤除开关频率次的谐波而越来越受到广泛的关注。但LLCL型滤波器存在系统固有的谐振峰，对系统的稳定运行造成极大的影响，且微电网系统往往具有弱电网特性，且电能经过长距离输送时电网阻抗不可忽略，这会对LLCL滤波器的参数设计带来极大困难。因此，研究弱电网情况下LLCL滤波并网逆变器的参数优化设计具有十分重要的意义。 本文首先分析了LLCL型滤波器各参数变化对系统谐振峰以及滤波效果的影响，在排除了线路电阻对系统动态性能影响的条件下，根据LLCL各参数的约束条件给出了可取的参数范围，并结合总电感的取值确定了最合理的参数优化初始值。在此基础上，以简化系统控制方法为第一优化目标，建立了包含延迟环节的 LLCL 型滤波并网逆变器的离散模型，分析出在弱电网条件下LLCL型滤波并网逆变器数字单环控制策略的稳定域并优化LLCL的参数值；将滤波效果最佳作为第二优化目标，利用图解分析法对谐波衰减率，谐振频率及LLCL滤波器各参数值在理想电网及弱电网情况下的关系进行了准确分析，并进一步优化了LLCL参数值；以逆变器损耗最小化为第三优化目标，准确推导出纹波电流较大的情况下逆变器损耗与LLCL逆变器侧电感的关系。结合以上三个优化目标，得到了最合理的LLCL参数优化值。另外，本文建立了三相LLCL型并网逆变器的数学模型并分析了数字单环PR控制的控制参数设计方法。 最后，本文基于MATLAB/Simulink平台完成了参数仿真验证并基于此平台提供的TMS320F28335代码直生技术，编写了相应的数字控制程序，在9.1kW三相并网逆变器的实验平台上验证了本文所提出的LLCL型滤波器参数优化设计方法及最终得到的参数优化值的正确性和有效性。

Keyword ：

LLCL滤波并网逆变器 参数优化设计 弱电网 数字单环控制 损耗计算

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