电力电子混杂系统多时间尺度分析控制与应用(二):应用部分EI北大核心CSCD

文中在系列论文上篇介绍电力电子混杂系统多时间尺度分析和控制理论的基础上,进一步介绍其应用。首先从大容量和大规模电力电子系统应用需求出发,阐述电力电子技术应用面临的机遇和挑战;分析和介绍基于数值凸透镜原理的离散状态事件驱动建模仿真方法;分析和介绍基于多时间尺度的主动控制和能量平衡综合控制方法;特别综合展示这些方法在兆瓦级多端口多功能电力电子变压器中的实际应用情况;最后对多时间尺度分析控制方法的未来发展进行展望。     

大容量电力电子混杂系统多时间尺度动力学表征与运行机制

<正>当前,大容量电力电子系统理论和关键技术在快速发展,相应的装置研制和系统工程应用也处在一个攻坚阶段,普遍面临三大严峻挑战:(1)提升电能变换能力;(2)优化装置与系统的设计与控制;(3)提高可靠性。由于大容量电力电子系统包含多种不同时间尺度能量变换的瞬态过程,不仅在运行机理和工作状态方面,而且在电、磁、热等方面均呈现出复杂的动力学特征。因此,大容量电力电子系统属于典型的多时间尺度非线性混杂系统。所谓混杂系统,指的是由连续时间动态系统和离散事件     

功率开关器件多时间尺度瞬态模型(Ⅰ)——开关特性与瞬态建模

开关模式是电力电子系统实施电磁能量变换的基本模式,功率半导体器件的开关特性则成为这种能量变换的关键属性。从开关特性的角度出发,基于对器件开关特性和对电力电子系统多时间尺度特性的认识,提出一组功率开关器件多时间尺度瞬态模型。根据时间尺度的不同选取不同的瞬态模型来描述器件的开关瞬态过程,并反映不同的开关特性。所提多时间尺度瞬态模型,参数可直接从器件数据手册中提取,对提取方法进行较详细的阐述。所提的功率开关器件多时间尺度瞬态模型在装置和系统的分析设计中具有很强的实用性。     

基于能量流图的电力电子系统可视化设计与分析

电力电子系统通过功率半导体器件的开关控制来实现电磁能量的高效变换,提高系统的变换能力和可靠性是其终极目标。尝试以系统中的能量及能量流为状态变量进行建模,建立变换系统的能流模型,可视化并直观地描述电力电子变换系统电磁能量的分布和传递情况。以较复杂的多端口组合式电力电子变换器为例,建立"能流"的基本概念,设计构建能流图拓扑并给出可视化设计方法,结合科学计算可视化技术设计静态和动态界面,构建了一种基于能量流图分析方法的电力电子变换器系统设计和分析平台。仿真和实验结果表明,能量流图分析方法能有效地表征电力电子系统大时间尺度的换流过程。     

电力电子系统中的功率脉冲时序组合与逻辑组合

从电力电子系统的底层脉冲组合理论出发,对功率脉冲时序组合与逻辑组合的概念、方法和实现进行总结提炼分析。针对功率脉冲纯时序组合的局限性,提出功率脉冲及功率脉冲序列的逻辑组合方法,并对其组合思路和应用场景进行分析归纳。由于基于不同脉冲逻辑组合思路的两种典型应用,即多电平技术和倍频策略,均可以有效提高系统变换性能,以电力电子功率放大器为分析对象,对二者的谐波特性和适用性进行对比分析,以此作为上述理论的一个分析应用实例。通过电力电子系统中脉冲组合方法论的研究,有助于从更为底层的角度对相关技术进行系统认识,从而延伸拓展出新的脉冲组合与实现方式,推动电力电子技术的发展。     

电力电子混杂系统多时间尺度离散状态事件驱动仿真方法

电力电子系统是典型的连续状态与离散事件相互混杂的动力学系统,呈现出突出的多时间尺度特性。对其开展建模和仿真时,目前的方法沿用纯连续系统的"时间离散"和"时间驱动"方法,表现出较差的精度、速度和收敛性。该文介绍从"状态离散"和"事件驱动"出发、对电力电子系统开展建模与解算的离散状态事件驱动仿真方法,能够准确仿真从纳秒级到秒级的系统多时间尺度行为,计算速度提高了几个数量级,且无发散问题。以高频、大规模和考虑开关瞬态过程的变换器仿真为3组算例,文章对比所提方法与多个通用仿真软件的仿真结果和效率,展现了离散状态事件驱动方法如何为基于数值实验的电力电子系统分析研究奠定理论基础并提供实施工具。     

电力电子系统建模关键技术综述及展望

随着电力电子技术应用领域的快速发展,电力电子系统的复杂度进一步增加,给系统高效和可靠运行带来了巨大的挑战。电力电子系统是一种典型的多时间尺度非线性系统,为了充分发挥电力电子系统的优势,国内外学术界和工业界通过对其多时间尺度下的动力学行为进行建模,揭示了不同时间尺度下电磁特性及相互作用机理。该文从器件级、变换器级、系统级3个层级对比不同时间尺度下电力电子系统建模方法,并总结技术演进中面临的新的关键问题及对应的最新研究成果,主要包括高可靠的器件驱动及保护方法、良好的变换器动静态控制方法和电磁干扰抑制策略及电力电子系统的电磁暂态仿真及稳定性分析技术。最后,指出现有研究中仍需解决的问题,并对未来建模关键技术的发展方向进行展望。     

基于大数据的大容量电力电子系统可靠性研究

随着电力电子技术在新能源、高速机车、直流输电等大容量电力变换领域的广泛应用,其可靠性问题成为学术界和工业界的研究热点。基于因果模型的可靠性分析方法虽然在研究早期提供了原理层面的阐述,但在多物理场强耦合的复杂工况中的应用价值较低,而基于数据模型的可靠性研究方法尚处于初级阶段。该文提出将大数据处理技术应用于大容量电力电子系统可靠性研究的新思路,充分借助电力变换装置的海量历史运行数据,引入机器学习、数据挖掘和人工智能等大数据科学的最新理论成果,从数据泛在关系出发开展可靠性研究。论文详细阐述电力电子系统的大数据特征,并总结电力电子系统大数据应用中的若干关键技术。此外,论文从器件–装置–系统等多个层面深入分析大数据处理技术在大容量电力电子系统可靠性研究领域的潜在应用。大数据基本理论和方法的应用将提供一种通过数据关系间接理解原理本质的研究方法论的思维转变,有望为电力电子系统的可靠性研究开辟新途径。     

对电力电子学的再认识——历史、现状及发展

该文通过对电力电子系统起源及定义的历史演绎,探讨了电力电子学的内涵和外延及其未来走向,分析了电力电子发展脉络、微电子与电力电子的关系及差异、以及电力电子未来的发展有可能给电能变换带来哪些实质性的变化。基于这些探讨分析,尝试提出一种对电力电子学的再认知框架,以使对电力电子系统建模、分析、设计及其控制的研究有一个更为清晰的背景和统一的基础。     

适应新型电力系统的高性能电磁暂态仿真技术及其应用

对于新型电力系统的有效全电磁暂态仿真而言,不仅要提升基础模型的精度和稳定性水平,更面临着万节点级大规模电网的仿真效率和不同时间尺度电力电子系统的计算精度两大挑战。结合所研发的高性能电磁暂态仿真平台,介绍了解决上述挑战的基本思路和实现效果。以同步发电机、传输线和电力电子器件为例,说明重点核心模型的技术突破。基于时域变换大步长电磁暂态算法和高效自动并行技术,实现宽时间尺度大电网高效全电磁仿真,达到数千节点级主网架的超实时仿真和数万节点级电网的高效仿真。利用多速率电磁暂态接口,实现交流大电网及不同时间尺度电力电子系统的空间多速率并行仿真。通过万节点级超大规模电网算例及实际省级和区域电网的故障录波对比,验证了所实现技术的高效率和准确性。     

电力电子化电力系统多尺度电压功角动态稳定问题

随着可再生能源发电、远距离输电及无功补偿和交流传动等应用的快速发展,电力电子变换装备以其在电能变换方面的灵活性在电力系统中的渗透水平不断提高,深刻地改变着电力系统的动态行为。近年来,国内外电力系统持续出现各种不明机理的动态问题,对电力系统安全稳定和运行构成重大威胁。该文从主要发电、输电和负荷装备的控制方式、动态特性及其对电力系统动态行为的影响角度出发,分析一次调频时间尺度以下电力电子化电力系统电压功角动态稳定问题的多尺度特征,并初步提出基于幅相运动方程、自稳性致稳性及广义稳定器等3个方面的系统建模、分析和控制的一般化概念和方法,即幅相动力学方法。     

交流多模块互联电力电子系统稳定性判据研究

每个空间上相互隔离、功能上相对独立的电力电子变换装置都可看作一个模块,由这些模块通过母线相互连接而成的大的电能变换、传输和应用系统,都可归类为多模块互联电力电子系统。分析母线电压或电流不是稳恒直流亦即其幅值中含交流分量的多模块互联系统出现稳定性问题的原因,概述国际、国内学术界对该问题的研究历史和现状,并在通过离散傅里叶...     

考虑非理想器件模型的电力电子系统状态方程分析法

针对目前电力电子仿真软件存在的对功率开关器件电磁瞬态过程仿真不够准确,强刚性电路引起数值仿真计算发散等问题,提出一种基于量化状态系统(QSS)的离散状态事件驱动(DSED)仿真分析方法。该方法需要加入自动识别电力电子系统开关过程以及根据电路拓扑和所处状态自动列写状态方程的相关算法。针对该需求提出一种基于图论方法的状态方程及输出方程提取分析方法。首先,经理论分析得到,将选用的器件模型代入电路可以得到状态方程的标准形式;进而,提出电力电子系统电路的参数结构矩阵程式化列写方法,并基于此方法针对开关电路每一次开关器件切换都需要重新列写状态方程这一特点进行了相关分析。最后,对几个典型电力电子系统电路进行仿真计算,结果证明了该提取分析方法的有效性。     

基于HS-PF的电力电子电路故障预测方法

提出了一种基于混杂系统建模和粒子滤波预测算法的电力电子电路故障预测方法。针对电力电子电路混杂特性,建立了描述电力电子电路故障变化的状态空间模型,同时采用粒子滤波预测算法,通过粒子迭代估计当前时刻系统状态和缓变参数的变化趋势。通过分析BUCK电路的工作状态,阐述了选择输出纹波电压作为电路故障判据的理由。仿真实验证明了本文方法的有效性。     

宽频时间尺度变换多速率电磁暂态仿真研究

随着直流输电、FACTS以及规模化新能源发电等电力电子装置的接入,电力系统运行发生了重大变化。传统电磁暂态仿真由于步长小、速度慢,大规模交直流混联电网运行分析中不再适用。该文提出一种能够考虑多频率成分的宽频时间尺度变换方法实现电磁暂态的大步长仿真。结合CPU技术的最新发展,研究直流和交流系统在时间尺度变换中仿真步长的合理配置方案;通过对交流系统频率响应特点的分析,研究大步长仿真在宽频时间尺度变换下主导频率的选取问题,设计交直流混联系统宽频时间尺度变换多速率电磁暂态仿真策略;应用经验模态分解法按时–频特性分解和提取信号、计算多时间尺度变换的主导频率。该方法避免了频率相关网络等值(frequencydependentnetworkequivalent,FDNE)复杂的系统辨识、动态相量法无法处理系统频率波动,忽视系统谐振频率存在隐患等问题。仿真算例验证了方法和策略的可行性和有效性。     

大容量电力电子系统电磁瞬态分析技术及应用

电磁瞬态过程是大容量电力电子系统设计与分析的关键所在。该文从电磁能量变换、瞬态换流回路及系统可靠性的角度提出大容量电力电子变换系统电磁瞬态分析与控制技术;分析大功率器件瞬态建模与应用特性、杂散参数的提取及影响、不同时间尺度的电磁脉冲过渡过程、系统瞬态能量平衡关系等问题;分析器件与装置、集中参数与分布参数、控制与主回路之间的定量关系;阐述系统安全工作区、瞬态换流拓扑、主电路脉冲调制、能量平衡控制等分析和控制方法。应用结果表明:采用所提出的分析与控制技术进行设计可以显著提升大容量电力电子装置的性能及可靠性。     

功率开关器件多时间尺度瞬态模型(Ⅱ)——应用分析与模型互联

为了更好地在实际变换器仿真分析中应用多时间尺度开关瞬态模型,提出多时间尺度开关器件模型的仿真实现方法,并通过实验对瞬态模型的适应性进行分析。根据不同时间尺度的瞬态模型所反映不同的开关特性,归纳各个时间尺度模型适合的应用场合。同时,在离散状态事件驱动(DSED)仿真体系下,提出多时间尺度瞬态模型连接和切换的思想,使得模型可以应用在电力电子系统全时域瞬态仿真中,指导变换器的分析和设计。     

基于交叉耦合锁相环的多频带滤波器：一种检测系统多时间尺度振荡的自适应滤波器

电力电子装备的大规模应用所引起的振荡,给电力电子化电力系统安全与稳定运行带来了巨大挑战。为解决上述振荡问题,通常需要使用滤波器检测系统振荡信息并设计相应的附加稳定控制器。然而,电力电子装备所引起的振荡呈现出多时间尺度和振荡频率大范围漂移等新特征,传统固定带宽的滤波器已经难以适用。为此,该文提出一种基于交叉耦合锁相环的多频带自适应滤波器,可以快速跟踪并检测电力电子化电力系统所出现的多时间尺度振荡。首先介绍所提出滤波器的结构及工作原理,然后建立该滤波器的小信号模型并验证模型的准确性。通过研究所提出滤波器的特性,该文发现,其他通道交叉耦合的影响相当于在待研究滤波通道中级联了一个陷波器,陷波器中心频率为其他滤波通道锁相环的中心频率。此外,所提出的滤波器可以用于构建电力电子装备的广义稳定器,并解决电力电子化电力系统多时间尺度振荡及振荡频率漂移的问题。     

多模块互联电力电子系统特性研究进展

由多个具有独立和完整功能的电力电子变流器通过相互级联和并联的方法连接起来,已经成为构成现代各种先进的复杂电力电子系统的基本形式。现有的电力电子技术体系大都是讨论单个变流器与简单特性的电源或负载之间的相互作用并进行相应的分析和设计的,对多模块(变流器)互联而成的电力电子系统中变流器之间的相互作用(包括级联时电源变流器和负载变流器之间的相互作用、并联变流器之间的相互作用等)以及由这种相互作用表现出来的整个电力电子系统的特性,亟待进行深入的认识和研究。本文将概述在多模块互联电力电子系统的稳定性和动态特性领域国际上近年来的发展历史和现状,并汇报总结作者所在的课题组近年来在该领域所取得的成果。     

FPGA全数字电力电子变换控制器设计

针对目前的电力电子变换控制器多以数字信号处理器为核心进行设计、其存在的固有延时以及指令顺序执行特性无法满足一些实时性高、灵活性强的应用场合需求问题,研究了具有硬件并行与准模拟电路特性的现场可编程门阵列,可更好地用于构建高性能数字控制系统.通过分析电力电子控制器设计现状和FPGA电力电子控制器的典型应用,得出以FPGA为核心的电力电子控制器的特点,提出了具有指导意义的FPGA全数字电力电子控制器设计原则和设计方法.基于此,设计了有源电力滤波器FPGA全数字控制器,并与DSP控制器在控制性能上进行了具体比较,最后结合电力电子装置发展趋势对FPGA全数字控制器的应用前景进行了展望,期望为FPGA在电力电子控制器中的设计与应用提供有益思路.