特约主编寄语

正随着电力电子技术的快速发展,其应用领域得到了广泛拓展,变换器拓扑互联运行形式越来越丰富,电力电子装置系统的结构和非线性特性愈加复杂。在电力电子拓扑互联运行和设备系统大规模并网的场景下,易出现谐波谐振、低/高频振荡、次/超同步振荡等问题,从而给电力电子系统本身的高效和可靠运行带来了巨大的挑战。因此,亟需深入探索电力电子系统的建模分析理论、精准控制和仿真方法等技术。     

超高频功率变换器研究综述

随着电力电子技术的不断发展,超高频(30~300 MHz)功率变换器逐渐成为研究热点。超高频功率变换器能有效减小系统无源元件的数值与体积,极大地提高系统的功率密度。但是极高的开关频率对系统的开关特性、拓扑特性以及控制特性均提出了更高的要求。该文从超高频功率变换器的发展背景入手,概述了超高频功率变换器的发展现状。介绍并比较了目前超高频功率变换器的主要拓扑,同时讨论分析了适用于超高频功率变换器的谐振驱动方式以及控制方法。为超高频功率变换器的后续研究提供了参考。     

电力电子变换的信息特性与电能离散数字化到智能化的信息调控技术

电力电子技术是采用大功率半导体器件和功率无源元件对电能进行变换和控制的技术,是21世纪应用最广泛的技术之一。该文从电能的离散化角度来研究电力电子技术的内涵,进一步讨论了电能的数字化表征方法,提出了电力电子信息调控技术的概念并阐释其物理意义。在此基础上,介绍了现有的电力电子信息调控技术的实现方法以及在电力电子变换系统中的信息交流方式。理论和实际都很好地表明,电力电子变换器自身在对电能实现变换和控制的同时,无需外加硬件,就已具备了信息交流的能力。充分挖掘和应用电力电子技术的这一特性将成为一个重要的研究方向。电力电子信息调控技术不但使电能的离散化、数字化到智能化成为可能,而且将极大促进电力电子学科和信息学科的交叉,推动相关学科的发展。     

广义无功功率

由于电力电子技术的发展,各种电力电子技术设备日益广泛投入工业应用。这些设备普遍利用了电力电子器件的开关特性和非线性特性,因而也伴随产生了一些新的问题,如波形畸变引起电网污染和设备利用率降低等等.本文从供电效率的角度出发,提出广义无功功率和功率因数的概念。1 传统的无功功率及功率因数概念现有的无功功率及功率因数的概念是建立在线性正弦交流电路的基础上的.对于具有电阻和电抗的负载,负载所消耗的有功功率为     

电流型全桥软开关变换器的离散映射建模与仿真

介绍了高频电流型全桥软开关功率变换电路,该电路是一个高阶、多模态的非线性动态开关系统,传统的平均化建模方法以及定周期离散映射方法已不适用这类开关电路的精确动力学行为分析.本文提出了一种适合于软开关电力电子电路的基于离散映射模型的建模方法,并根据电路的拓扑建立了其离散映射模型,在此基础进行了仿真分析,其结果已被成功应用于非接触电能传输系统中,并达到了令人满意的实际效果.为一般的软开关电路建模与非线性分析提供了建模方法.     

开关状态函数化及其在多电平逆变器分析中的应用

由于电力电子装置中的开关器件工作在非线性状态,使得对其分析一直停留在定性的阶段,这也成为电力电子技术分析、应用的瓶颈.针对此问题本文提出一种将开关状态函数化的分析方法,巧妙地将数学分析工具引入到电力电子技术的分析过程中.找出了函数化后的电力电子装置定义域,将输出定义为所需要的PWM信号.因此,可以根据传统的PWM技术,得到多电平PWM控制信号；也可以根据逆变器输出要求得到控制需要的PWM信号.利用开关状态函数的分析方法对多电平逆变器进行分析,提出了一种根据输出要求得到开关序列排布的简易方法和一种逆变器谐波输出计算方法.为验证方法的正确有效,在TI公司的TMS320F2812 DSP系统上进行了实验研究；同时基于Matlab平台对开关状态函数化方法进行研究,在仿真的基础上,利用Matlab之RTW将结果耦合到DSP,实现了系统的控制,结果较为满意.     

功率谐振变换器及其发展方向

功率谐振变换器是一种基于软开关技术的电力电子变换装置.本文从拓扑结构、开关特性和控制技术等不同角度出发,讨论了谐振变换器的基本结构、特点及运行规律,并且提出了相关的应用领域和今后的发展方向.     

电力电子系统集成研究

电力电子系统集成是一项电力电子技术与材料科学、热处理技术、结构工艺、电磁兼容等多学科边缘交叉渗透的综合性工程，可实现电力电子系统的高功率密度、高效、高可靠性以及低成本。本文从系统、模块、开关单元和元件单元三个层面分析了电力电子集成系统。系统级涉及界面定义、交互作用、通讯、EMI、容错能力和模块的并联等问题。模块级的问题主要包括封装、建模、控制通讯三个方面。讨论了电力电子系统集成中的关键技术以及电力电子系统集成在电力电子技术发展中的重要作用。     

VSC-HVDC大功率拓扑结构研究

针对VSC-HVDC系统在高压大功率应用场合下存在损耗大、直接串联电力电子器件数量巨大并引起可靠性差的问题,在分析现有VSC-HVDC拓扑与大功率化方法的基础上,从降低电力电子器件直接串联数目、器件开关频率和简化主电路拓扑结构3个方面出发,提出了一种大功率多模块式VSC-HVDC拓扑。换流器模块工作在相对较低的开关频率下,因此可以选用高压大电流、低导通损耗而开关频率却相对较低的开关器件如IGCT等。设计了基于该系统模型的控制系统并确定了其控制策略。仿真结果证实了提出的VSC-HVDC拓扑及其控制策略的有效性。     

电力电子化电力系统暂态稳定性分析综述

与传统交流电力系统相比,电力电子化电力系统具有其特殊性,其拓扑结构会随着电力电子器件的开关动作而改变、多个时间尺度的控制相互作用、非线性程度强、结构更加复杂、状态变量阶数更高,这些特点给电力电子化电力系统的暂态稳定性分析带来了严峻的挑战。该文首先基于电力电子化电力系统的结构特点将其暂态稳定性分析划分为3个层次;然后通过研究电力电子化电力系统与传统交流电力系统暂态稳定性分析的差异,结合非线性系统理论阐述其暂态稳定性的本质;接着总结将传统交流电力系统暂态稳定性分析方法应用于电力电子化电力系统所需要解决的问题;最后将直接法分解成建模、简化模型、构造李雅普诺夫函数和估计吸引域4个步骤。该文全面梳理暂态稳定性分析方法,探索电力电子化电力系统暂态稳定性分析的基本思路和方法,为电力电子化电力系统的暂态运行及控制研究提供一些可靠的理论基础。     

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。     

基于切换系统理论的终端能量路由器能量路由控制方法研究

终端能量路由器是能源互联网中一种重要的能量路由设备,构建其能量路由拓扑的最有效途径是采用基于电力电子变流技术的固态变压器。能量路由拓扑确定之后,能量路由控制技术直接决定着其运行特性。针对终端能量路由器能量路由的混成系统特性,使用基于混成系统理论的切换系统理论进行终端能量路由器能量路由控制。首先详细分析了终端能量路由器能量路由拓扑结构、工作原理。然后,深入分析了能量路由器能量路由的切换系统行为特征,建立了其切换系统模型。其次,结合空间矢量脉宽调制技术提出终端能量路由器多模态切换控制方法。最后,通过Matlab/Simulink仿真平台搭建模型验证所提控制方法的有效性。理论分析和仿真表明,该方法充分考虑了终端能量路由器运行过程中离散变量与连续变量的相互作用,具有切换时间短、切换过程平稳的特点,从而优化了动态调节特性,提高了控制跟踪速度和控制精度。     

采用周期轨Poincaré映射的非线性电力电子系统小干扰稳定性分析

拓扑结构切换、占空比控制方法和非线性元件均可使电力电子系统具有非线性特性,因此其小干扰稳定问题属于微分方程周期轨的稳定问题。由于状态空间平均法误差较大、难以预测分叉,而数值仿真法物理概念不清晰,因此,提出了基于梯形积分法的非线性电力电子系统周期轨稳定性分析方法。利用梯形积分法描述系统占空比方程和每阶段的非线性状态方程,由隐函数求导法和链式求导法计算周期轨Poincaré映射的雅可比(Jacobian)矩阵,提出了系统稳定裕度指标,建立了基于周期轨Poincaré映射的非线性电力电子系统小干扰稳定性分析方法。该方法能够克服小干扰稳定传统分析方法的困难,揭示非线性电力电子系统失稳的动力系统机制。仿真分析验证了算法的有效性。     

面向中高压智能配电网的电力电子变压器建模方法与控制策略研究

分析了传统电力电子变压器建模及控制策略的国内外研究现状,以及面向中高压配电网的电力电子变压器建模及控制策略的局限性。在此基础上,基于谐振变换器的工作特点,提出了面向中高压电网的电力电子变压器统一降阶建模方法及单级控制策略。该策略结构简单,控制能力强。相比于传统电力电子变压器的建模方法与控制策略,所提出的控制策略有效地利用了高频隔离型变换器的工作特点,将高频隔离型变换器与前端级联型变换器结合为一体,简化了控制系统,使其不会随着模块数增加而变得复杂。最后在PSCAD仿真环境中验证了10 kV电力电子变压器的拓扑及其控制策略的可行性。     

风电系统故障特征分析

故障特征分析是继电保护研究的基础,文中旨在通过风电机组的受控特性并结合电力电子器件的特点,揭示风电电源对电网故障响应的电气量特征,为现阶段研究含风电系统的继电保护奠定基础。文中首先从风电机组的结构出发,分析了影响风电电源故障特征的因素;然后通过对风电机组受控特性分析,并结合单台风电机组低电压穿越测试数据,给出风电电源受控下的故障特征;最后通过风电场电磁暂态仿真模型下的故障数据和现场故障录波数据,验证了所给出的一般故障特征。研究结果表明,风电电源在控制作用下和在电力电子自身特点限制下,具有弱馈、谐波、频率偏移和电源阻抗不稳定等特征。     

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。     

电力电子系统集成技术发展的若干新思路

分析了电力电子系统集成的基本要求和特点,从电路拓扑如何适应电力电子系统集成的角度出发,探索性提出了电力电子电路拓扑发展的3个新思路。为了提高拓扑的宽范围输入输出能力,提出了改善占空比调节特性的思路,从占空比的有效范围和有效占空比对输入输出变化的调整能力两个方面改善了拓扑性能。为进一步提高拓扑的宽范围适应性,提出了变结构的柔性变流器思路,并给出了拓扑切换的控制思路。为了兼容低端和高端场合的应用,实现电源的可升级功能,提出了模块可扩充性部件的思路。对于每个思路都代表性地提出了一些实施例。     

变压器的电力电子化演进及其对电压稳定影响综述

变压器作为电网中保持电压稳定性和改善电网电压质量的一种重要设备,一直是相关领域的研究热点。近年来随着电力电子技术的发展,由于电力电子器件相较于传统机械结构的高度可控性和不产生电弧的特性,变压器逐渐呈现电力电子化的趋势。首先将变压器按电力电子化发展方向的不同分为了两个阶段,并归纳总结了变压器电力电子化进程各个阶段的拓扑结构。在此基础上对每个电力电子化阶段的变压器对有载调压的影响做了详细介绍。最后对不同电力电子化阶段的变压器对电压稳定性的影响做了对比,对变压器的发展趋势和关键问题进行了总结与展望。     

电力电子和FACTS装置数字仿真软件包的研究与开发

介绍新研发的电力系统电力电子及FACTS装置仿真软件包EMTPE，其中包括电力电子装置的数值计算方法、大量全控型电力电子器件的模型、相量实时测量控制模块、过电压闪络率计算方法、工作平台与人机界面、总体合成及FACTS装置仿真等。给出一些算例以演示新计算方法的效果。