基于离散状态事件驱动的电力电子瞬态过程仿真方法

为分析计算电力电子系统的电磁瞬态过程,需采用非理想开关器件模型,并计及电路中的杂散参数和控制回路中的时间延迟等,此时描述电力电子系统的数学模型呈现出高阶非线性特性,且往往具有较强的刚性。采用常规微分方程的数值解算方法对于这种非线性的电力电子系统瞬态过程进行仿真求解,存在仿真时间超长和数值稳定性很差的问题。为解决这一问题,基于离散状态事件驱动(DSED)思想提出一类电力电子瞬态过程数值仿真方法,摒弃对时间离散的常规数值解算,而直接以状态量的变化值作为仿真计算依据。理论推证和仿真解算比较结果表明:该方法能有效缩短解算时间,同时解决了常微分方程组的刚性问题,使得解算具有很好的数值稳定性。     

电力电子系统中器件利用率计算与评估方法

电力电子系统性能评估有不同的评价指标,其中器件利用率是一个很重要的指标,但鲜有系统化的评价方法。在电力电子系统设计过程中,对于半导体开关器件的选型主要由工程经验确定,没有定量方法的指导。以电能路由器为例,提出一种计算和评估电力电子系统中器件利用率的方法,应用于各种不同的组合电路中,通过对电路及器件参数的分析与计算,得到器件利用率的结果。器件利用率的数值越高,说明器件利用程度越高。对不同方案的器件利用率进行计算与比较,得出不同方案中器件利用程度的定量对比结果,以此作为器件选型的定量依据。通过具体实例分析器件利用率的应用场景,验证了器件利用率计算和评估方法的有效性。     

线性开关电路电磁暂态分析的状态方程法

针对线性电路以及包含理想开关的线性电路中的电磁暂态分析问题,提出了一种全新的以节点电位为状态变量的状态方程法。基于能量守恒原理而非图论理论,方法列写电路方程的速度远远优于传统的使用电感电流和电容电压作为状态量的状态方程法,并通过一个病态电路展示了方法的便捷性。针对开关动作引起的电路拓扑变化,仅需要对特定的支路信息进行修改,而不必重新列写整个电路方程。由于使用了单步后差法消除了开关时刻的数值振荡,而在线性时间段内仍然使用梯形法来保证二阶数值精度,这使得文中方法与传统的节点分析法相比具有更好的稳定性和灵活性,更适合于大规模开关电路的仿真分析。以一个桥式电路为例,展示了方法的数值精度和稳定性。     

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.     

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。     

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。     

电力电子变换器的开关布尔矩阵及潜电路分析

针对现有电力电子变换器潜电路分析方法存在的不足,提出了基于开关布尔矩阵分析电力电子变换器潜电路的统一方法.根据电力电子变换器的开关状态,建立变换器的开关布尔矩阵,通过布尔运算消去全开关布尔矩阵中的正常工作模态开关向量以及无效开关向量,得到变换器的潜开关布尔矩阵,进而辨识出变换器中存在的潜在开关路径和潜电路模态.以Mat...     

开关变换器的传输线模型与数字仿真研究

针对变换器的平均分析法无法分析变换器瞬态过程和分布参数对系统动态性能影响的问题,研究了基于变换器传输线建模技术的数字仿真方法,提出了电路元件电容、电感、开关器件和开关变换器的数字离散仿真模型,并进行了实验研究。这种离散建模技术以传输线理论为分析基础,得到的变换器数字仿真模型只与系统组成结构有关,而与系统中的开关状态无关。实验结果表明,与原有的分析变换器暂态过程的离散分析方法相比,该方法使用简单,物理概念明确,由于采用无源线性网络作为建模基础,变换器传输线建模方法的数字仿真算法具有无条件的数值收敛。     

基于LC二值等效开关模型的电力电子系统高效电磁暂态仿真方法

开关模型是影响电力电子系统电磁暂态仿真精度与效率的关键因素之一。针对经典LC二值等效开关模型的数值振荡问题,在等效电路中增加一对阻值相同、符号相反的虚拟电阻,并应用指数差分方法,得到了一种改进的LC等效开关建模法;该方法兼具系统导纳矩阵不变、等效参数便于选取、数值稳定性好等优点;在此基础上,开发了根据Simulink模块图自动生成电路计算矩阵的Simulink工具箱;并完成了一种电力电子变压器的应用算例。与Simulink/SimPowerSystem模型的对比测试表明,所提方法的稳态误差小于±2%,仿真提速可达数十倍,在多开关电力电子系统的高效电磁暂态仿真中具有一定实用价值。     

基于模型预测控制的电动汽车直流充电桩功率器件开路故障诊断方法

针对电动汽车直流充电桩故障中较为常见的功率器件开路故障,提出了一种基于模型预测控制的电动汽车充电桩实时故障诊断方法。采用模型预测电流控制方法替代传统PWM整流器电流环中的PI控制器。在此基础上,将功率器件开路故障情况下整流器实际应用的开关状态与通过模型预测控制得到的最优开关状态相比较,建立故障特征信号,从而实现充电桩功率器件开路故障诊断与定位。由于不同功率器件故障特征信号之间互不影响,因此该方法对于单管、双管及多管同时故障均有显著效果。仿真结果验证了该充电桩故障诊断方法的正确性和有效性。     

基于混杂自动机的双向ICPT系统建模及控制

针对双向感应耦合电能传输(ICPT)系统的混杂特性及移相控制方法下系统启动、不同功率传输模式切换时电流波动大的问题,分析了双LCC型补偿拓扑双向ICPT系统的拓扑特性,给出了双向ICPT系统变换器运行的各工作模态.基于混杂自动机理论建立了双向ICPT系统的混杂自动机模型,推导了系统在不同工作模态下的状态空间方程,并根据...     

考虑寿命和畸变率的极低频功率放大器开关频率优化控制策略

开关功率放大器在民用和军事中都有着广泛的应用,如电动振动试验台、通信系统和声纳探测等重要领域。文中针对应用于极低频电磁波通信的开关功率放大器,提出基于改进粒子群算法的最优开关频率控制策略,通过该方法可以在满足一定输出电压畸变率的同时,降低极低频工况的功率器件热摆幅,延长开关功率放大器的寿命。首先分析开关功率放大器的热应力控制自由度。然后对影响设备寿命长短的重要因素——热摆幅和表征输出效果的指标——谐波畸变率(total harmonic distortion,THD),这2个变量的影响因素进行研究。在此基础上,综合考虑热摆幅和THD,提出基于改进型粒子群优化算法的最优开关频率控制策略。最后,通过仿真和实验对所提控制方法进行验证。     

后向离散状态事件驱动电力电子仿真方法

为解决电力电子系统中的刚性状态方程数值解算困难问题,在后向量化状态系统(BQSS)算法的基础上提出一种后向离散状态事件驱动(BDSED)仿真方法。BDSED方法是隐式的,其关键在于如何选择一组合适的量化函数值组合,使得据此计算出的导数向量能够让各状态变量向其对应的量化函数值趋近。由于在每一步计算中,每一个状态变量下一时刻的量化函数都有两种取值,所以对于复杂高维系统,枚举的方式并不可行;同时各状态变量的量化函数值的确定存在互相耦合、相互制约的关系,导致问题更加困难。为解决该问题,提出一种基于有限状态机的实现方案,并在带非理想器件模型的变换器电路上进行了算例验证。仿真结果表明,基于有限状态机实现的BDSED能高效地选取量化函数值组合,在解算变换器等刚性系统时仿真效率明显优于DSED方法和传统的时间离散刚性解法。     

大功率并联电流源变流器五电平特定谐波消除法

随着电压和功率等级的不断提高,并联电流源拓扑被广泛应用于中压大功率电流源系统的扩容.为解决并联电流源系统中直流桥臂电流不均衡和共模电压过高这2个问题,提出了一种应用于大功率并联电流源的五电平特定谐波消除(5L-SHE)调制方法,同时实现了直流桥臂电流的均衡控制和共模电压的抑制,并且保证了在较低开关频率下并网电流的电能质量.首先,按照脉宽调制(PWM)电流模长的不同将开关状态进行分类,并计算每个开关状态所对应的共模电压大小;其次,在分析冗余开关状态对直流桥臂电流均流影响的基础上建立了均流控制策略;再次,以共模电压较低的开关状态构建5L-SHE波形,并依据均流策略对冗余开关状态进行合理挑选.最后,通过仿真和实验验证了所提方法的有效性.     

适用于复杂拓扑结构混合直流电网的实用机电 暂态建模仿真方法

为提升混合直流输电系统模型的适应性和计算效率,提出一种基于电流源思想的混合直流输电系统机电暂态建模方法。由电网换流器(line commutated converter, LCC)、电压源换流器的准稳态模型推导其电流源模型,并通过差分化直流支路的微分方程,形成直流电网的通用化电流源模型。采用多速率混合积分算法分别求解交直流系统,并结合步长回退、积分方法切换等,解决LCC电流反向、开关闭合与开断等特殊情形下的数值问题。在国内通用的机电暂态仿真程序中实现了上述模型,并以白鹤滩-江苏混合直流输电工程为例,与电磁暂态仿真工具进行了对比测试。仿真结果验证了该方法的有效性和准确性。该方法较好地平衡了仿真精度和计算速度的矛盾,为提升大规模交直流混联电网的仿真能力提供了有力工具。     

永磁直线电机精确相变量建模方法

针对永磁直线电机控制系统的精确动态仿真,提出了一种基于有限元的永磁直线电机一般化相变量建模方法。考虑电机非理想结构对推力的影响,建立了永磁直线电机的一般化相变量模型。采用3次样条插值,根据电磁场有限元计算结果获得了模型中电感、齿槽力、永磁体产生的磁链与动子位置的关系曲线。考虑功率电子模块中吸收电路的影响,提出了一种基于S-function的仿真建模方法,根据相变量模型的状态方程直接建立了Simulink下的永磁直线电机一般化仿真模型。对某种永磁直线电机进行了两相导通控制和id=0矢量控制下的控制系统仿真实验,仿真结果表明,基于有限元的相变量模型为永磁直线电机控制系统精确动态分析提供了一种快速、有效的一般化建模方法。     

离散状态事件驱动仿真方法及自适应预估校正算法

在电力电子系统分析中,需要对带间断和刚性的常微分方程组进行仿真计算。然而,采用传统的时间离散算法来求解此类方程组时会遇到诸多困难。Kofman等基于离散事件系统规范(DEVS)提出了量化状态系统(QSS)算法,它不是对时间进行离散,而是将状态量进行离散。QSS算法可以有效求解带间断和刚性的常微分方程组。基于离散事件算法思想,提出适合于电力电子仿真的离散状态事件驱动(DSED)仿真方法;同时,为提高DSED方法的精度,提出基于DSED的预估校正算法;为大幅减少计算量,通过研究计算步数与状态量幅值和频率的关系,提出自适应方法。仿真算例证明了所提算法的有效性。     

光滑化非线性互补约束的节点类型转换模型

提出一种用于描述潮流计算中PV-PQ节点转换逻辑的光滑化互补约束模型。电压控制节点的无功出力达到限制值后会失去对受控节点的控制,其转换关系能采用非线性互补约束模型描述。通过对互补约束条件的光滑化处理,并引入到潮流计算模型中,在迭代计算中可直接对节点类型进行判断并转换,将避免频繁的节点类型转换,显著提高计算的效率并得到正确的潮流结果。另外在连续潮流中考虑互补约束方程后,在临界点附近通过潮流不平衡量快速确定导致潮流不收敛的关键方程,从而有效识别出临界点类型和关键约束转换节点。通过对多个系统的仿真验证所提模型的有效性。     

计及开关频率分区优化的PMSM三电平模型预测控制

为降低传统三电平供电的永磁同步电机模型预测控制系统的开关频率,提出一种计及开关频率分区优化的PMSM三电平模型预测控制方法。首先,将空间电压矢量平面划分为12个扇区,并且根据上一时刻电压矢量所在位置,选择相邻扇区的电压矢量作为备选矢量。其次,加入对开关状态切换的限制,每个开关周期仅允许一相开关状态发生连续性跳变,减少备选矢量数量的同时能够有效降低开关频率。进一步,利用具有相同空间位置但对中点电位影响相反的正负冗余小矢量来平衡中点电位。最后,通过仿真和实验,验证该控制策略的有效性。