大容量電力電子系統(tǒng)電磁瞬態(tài)分析技術(shù)

張 倩

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000）

在我國(guó)現(xiàn)階段，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，我國(guó)應(yīng)用與社會(huì)生產(chǎn)與生活的電力電子變換系統(tǒng)的總體容量也越來(lái)越大，且在不斷的上升。目前我國(guó)大部分大容量電力電子變換系統(tǒng)的功率等級(jí)，在一般情況下已經(jīng)達(dá)到了上百kW、幾百kW，甚至已經(jīng)上升到了MW以上，同時(shí)大多數(shù)大容量電力電子變換系統(tǒng)的電壓等級(jí)，已經(jīng)不再是幾百V、kV，而是已經(jīng)隨著社會(huì)發(fā)展的要求上升到了數(shù)十kV以上，電流容量也達(dá)到了幾百A或者是kA以上。近些年來(lái)，隨著世界各國(guó)對(duì)大容量電力電子裝置各項(xiàng)需求的不斷提高，如何提高大容量電力電子裝置系統(tǒng)應(yīng)用水平以及運(yùn)行的穩(wěn)定性，已經(jīng)成為國(guó)際電力電子研究領(lǐng)域最為重視的問題之一。

1 大容量電力電子技術(shù)存在的主要問題

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)階段大容量電力電子技術(shù)的應(yīng)用情況來(lái)看，其存在的問題主要集中在如下幾點(diǎn)：（1）缺乏對(duì)相關(guān)部件特性的掌握，主要是指半導(dǎo)體開關(guān)與高壓開關(guān)器件；（2）在設(shè)計(jì)主電路的過程中過度缺乏理想化，且缺乏有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；（3）在電磁過度的整體過程中，對(duì)于期間與相關(guān)裝置的描述缺乏一定的清晰性。上述幾個(gè)問題在大容量電力電子系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，不僅導(dǎo)致電磁瞬態(tài)過程缺乏科學(xué)的定量分析，同時(shí)也會(huì)在一定程度上增加大容量變換設(shè)計(jì)的難度。

與小容量電力電子變換系統(tǒng)相比，大容量電力電子變換系統(tǒng)具有較大的不同，有很多特征在小容量系統(tǒng)中并不明顯，但在大容量系統(tǒng)中該些特征就十分顯著。例如，半導(dǎo)體器件瞬態(tài)開關(guān)特性、脈沖瞬態(tài)過程以及電磁能量過渡等，上述特征主要的特征都表現(xiàn)在短時(shí)間尺度的電磁能量變換瞬態(tài)換流的整個(gè)過程當(dāng)中，特別是對(duì)于每一個(gè)換流回路來(lái)說(shuō)，其時(shí)間常數(shù)均各不相同，因此經(jīng)常出現(xiàn)變換與能量失衡等問題，從而破壞部分器件與系統(tǒng)。在一般情況下，采用常規(guī)的分析方法不能有效的解決與緩解上述問題，例如集中電路參數(shù)、平均化模型以及開關(guān)函數(shù)等。在設(shè)計(jì)、制造大容量電力電子變換系統(tǒng)的過程中，主要是依靠裕度設(shè)計(jì)，憑借經(jīng)驗(yàn)運(yùn)行，因此性能與可靠性在系統(tǒng)運(yùn)行過程中的矛盾就越突出，且成為目前研制與應(yīng)用大容量變換器過程中面臨的最大問題。

2 瞬態(tài)換流回路拓?fù)?/h2>

瞬態(tài)拓?fù)浼耙惑w化母排思想在貫徹實(shí)施的過程中，主要分為兩大部分；第一部分要準(zhǔn)確提取雜散參數(shù)；第二部分就是要對(duì)雜散參數(shù)影響的靈敏度分析。通過應(yīng)用部分元等效電路法對(duì)電磁場(chǎng)的分析，就可以建立系統(tǒng)的母排機(jī)械結(jié)構(gòu)，同時(shí)也能夠有效建立與瞬態(tài)拓?fù)渲g的聯(lián)系。在進(jìn)行分割時(shí)，要依據(jù)大尺寸母排的相關(guān)特征進(jìn)行，并不是將其看成統(tǒng)一的整體。在對(duì)其實(shí)施優(yōu)化與完善的過程中，要對(duì)母排的分布電容效應(yīng)進(jìn)行充分的分析與考慮，并要摒棄傳統(tǒng)的“降低雜散參數(shù)數(shù)值”思想，采用“雜散參數(shù)效應(yīng)互補(bǔ)”的思想，從而在一定程度上加快雜散電感與雜散電容能量之間的交換速度。在IGBT變換器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)的過程中，采用瞬態(tài)拓?fù)浼耙惑w化母排技術(shù)不僅可以有效增強(qiáng)功率模塊結(jié)構(gòu)的緊湊性、同時(shí)也可以提升功率密度。與國(guó)外同類功率模塊相比，該種技術(shù)的功率模塊性能較強(qiáng)，且各項(xiàng)指標(biāo)均顯著較優(yōu)，且具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。例如，雜散電感、關(guān)斷電壓峰值、以及系統(tǒng)功率密度等。指標(biāo)對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 功率模塊性能比較

3 主電路脈沖及其序列的調(diào)制技術(shù)

在電力電子變換系統(tǒng)中，脈沖調(diào)制技術(shù)是其最為基礎(chǔ)的控制技術(shù)。其長(zhǎng)期應(yīng)用過程中產(chǎn)生的脈寬調(diào)制（pulse width modulation，PWM）脈沖是建立在兩個(gè)方面。一方面是控制系統(tǒng)宏觀算法；另一方面就是理想開關(guān)器件特性，但其在實(shí)際應(yīng)用的古城歐洲，由于開關(guān)器件的動(dòng)作具有一定的非線性與連續(xù)性，因此控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的理想脈沖與主電路脈沖存在較大的差異。特比是在大容量電力電子變換器的過渡期間，這種差異不僅會(huì)間接引發(fā)更多的異常脈沖，同時(shí)也會(huì)在一定程度上導(dǎo)致其產(chǎn)生畸變，嚴(yán)重的情況下會(huì)對(duì)相關(guān)器件與裝置造成損壞。從這些問題產(chǎn)生的機(jī)制以及相關(guān)現(xiàn)象出發(fā)，不僅要對(duì)死區(qū)、最小脈寬以及雜散參數(shù)等多種因素進(jìn)行綜合考慮，同時(shí)也要考慮其對(duì)器件換流動(dòng)態(tài)過程造成的影響。并對(duì)直接以主電路脈沖與其序列當(dāng)做關(guān)鍵控制目標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行直接的調(diào)制與控制，以此來(lái)進(jìn)一步提高電力電子系統(tǒng)主電路脈沖精準(zhǔn)度與控制速度。并深入貫徹于落實(shí)主電路脈沖調(diào)制技術(shù)與思想，將其廣泛的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，并根據(jù)不同領(lǐng)域的不同要求來(lái)對(duì)其調(diào)制方法進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。例如，多電平變換器封脈沖策略、電機(jī)預(yù)勵(lì)磁技術(shù)等。通過采用主電路脈沖及其序列的調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的異步電機(jī)預(yù)勵(lì)磁方，不僅其變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定，且其起動(dòng)特性與國(guó)外同類產(chǎn)品相比具有較為顯著的優(yōu)勢(shì)。

在高壓IGBT串聯(lián)中采用主電路脈沖調(diào)制技術(shù)，通過對(duì)該技術(shù)水平的不斷創(chuàng)新與完善，不僅在此基礎(chǔ)上研發(fā)出了門極有源箝位與門極主動(dòng)控制相結(jié)合均壓方法，同時(shí)在降低器件與均壓電路損耗的前提下，也在一定程度上提升了串聯(lián)器件電壓的平衡度。

4 基于瞬態(tài)能量平衡的控制技術(shù)

應(yīng)用電力電子變換系統(tǒng)最終的目的是為了更好的實(shí)現(xiàn)電磁能量變換，在這一過程中，閉環(huán)控制中的對(duì)象一般是電機(jī)電流以及電網(wǎng)電流等感性元件中的電流，同時(shí)也包括容性元件上的電壓，例如直流母線電壓。在動(dòng)態(tài)過程中，不僅要對(duì)對(duì)象快速跟蹤其指令值進(jìn)行合理的控制，同時(shí)在穩(wěn)態(tài)期間也要對(duì)穩(wěn)定指令值進(jìn)行有效的控制。若站在能量的角度來(lái)看，并進(jìn)行歸納，就可以將控制對(duì)象轉(zhuǎn)換成儲(chǔ)能元件中的瞬態(tài)電磁能量，并在動(dòng)態(tài)期間，確保電磁儲(chǔ)能快速跟蹤能量指令值可以根據(jù)電磁儲(chǔ)能的穩(wěn)定性要求，長(zhǎng)時(shí)間保持其目標(biāo)能量值。對(duì)于變換器來(lái)說(shuō)，若其存在多組儲(chǔ)能元件以及具有多種不同性質(zhì)的控制目標(biāo)時(shí)，傳統(tǒng)的電壓閉環(huán)控制以及電流閉環(huán)控制就無(wú)法兼顧每一個(gè)方面，例如，在變換器運(yùn)行過程中不僅要對(duì)電壓進(jìn)行控制，同時(shí)也要控制其電流。站在能量角度來(lái)看，通過儲(chǔ)能元件中的能量，電壓和電流可以有效實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)統(tǒng)一。瞬態(tài)能量平衡控制技術(shù)主要是指，電力電子變換系統(tǒng)在運(yùn)行中的各個(gè)環(huán)節(jié)都能夠保持能量平衡，也就是指輸入與輸出、損耗與儲(chǔ)能等之間的能量平衡。這種控制思想是建立在電力電子變換器電磁能量變換本質(zhì)的基礎(chǔ)之上的，其物理概念不僅較為明確，同時(shí)其模型的構(gòu)建也較為簡(jiǎn)單，在對(duì)各儲(chǔ)能元件的瞬態(tài)過程中進(jìn)行充分的考慮就可以保持其良好的動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)特性。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的形勢(shì)下，電磁瞬態(tài)分析技術(shù)的應(yīng)用水平不僅會(huì)直接影響到我國(guó)電力電子系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)也會(huì)在一定程度上影響到大容量電力電子裝置的各項(xiàng)性能。因此，為了進(jìn)一步提高電磁瞬態(tài)分析技術(shù)的適應(yīng)性，滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)于大容量電力電子系統(tǒng)的需求，首先就要對(duì)電磁瞬態(tài)分析技術(shù)進(jìn)行深入的分析，并針對(duì)其應(yīng)用過程中存在的一定的問題進(jìn)行總結(jié)，以此來(lái)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行不斷的優(yōu)化與完善，并對(duì)其主電路脈沖及其序列的調(diào)制技術(shù)以及瞬態(tài)能量平衡的控制技術(shù)等核心技術(shù)進(jìn)行深入的研發(fā)，從而有效提升大容量電力電子系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性，提升大容量電力電子變換系統(tǒng)的性能體育可靠性，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。