电力电子系统中的电磁兼容专辑主编述评

SiC、GaN新一代宽禁带功率半导体在推动电力电子设备快速高频化、高效化和小体积化的同时,更容易干扰敏感负载、影响无线电通讯,乃至危害自身安全、可靠运行,从而给电力电子设备内外部的电磁兼容性能带来极大的压力和挑战。近年来,功率开关器件的射频特性、磁性器件的宽频带电磁模型、开关电源电磁辐射机理、无线电能传输近场特性、新型电磁干扰EMI(electromagnetic interference)滤波器设计成为研究热点,并受到了学术界及工业界的持续关注。《电源学报》特别推出“电力电子系统中的电磁兼容”专辑,以期推进电力电子系统电磁兼容分析与设计领域难点和热点问题的探讨。

《电源学报》2024年第4期电力电子系统中的电磁兼容专辑征文通知

电磁兼容性是电力电子系统安全、稳定工作的基础,是现代电力电子设备实现高效、高频、大容量与高功率密度的关键技术约束和有力保证。随着新一代宽禁带半导体功率器件(WBG)的快速发展,电力电子系统的电磁兼容分析、预测理论和设计方法面临着新挑战和机遇,需要开展创新性研究。当前,我国电力电子系统的电磁兼容性理论与产业技术也在快速发展和不断进步,为了展现电力电子系统电磁兼容的机理、预测、测试及电磁干扰抑制技术等方面的最新研究成果和进展,《电源学报》现开展“电力电子系统中的电磁兼容”专辑征稿。

国际留学研究生项目导向式课程教学探索——以“电力电子系统建模与控制”课程为例

随着“一带一路”倡议的提出,留学生教育已成为我国高校教育中的一个重要组成部分。目前国际留学研究生课程存在的教学模式传统单一、考核方式不全面等问题,导致留学研究生学习积极性不高,基础专业知识掌握不牢固,教学质量及效果未达到要求。文章探索了“电力电子系统建模与控制”课程的项目导向式英语教学模式,围绕实际工程案例讲解专业知识点,从而激发留学研究生的学习兴趣;采用期末闭卷考试和课堂项目仿真设计相结合的考核方式,提升留学研究生对专业知识的实际应用能力。通过基础知识与专业知识相辅助,理论与实际相结合的教学模式,为培养电力电子装备方面的国际高端应用型技术人才奠定基础。

基于FPGA的电力电子系统电磁暂态实时仿真通用解算器

电力电子系统较高的开关频率给传统以CPU为计算核心的电磁暂态(EMT)实时仿真带来了挑战。为了实现小步长实时仿真,该文提出并实现一款基于FPGA的EMT实时仿真解算器。该解算器的通用化框架分为离线和在线两部分,离线程序能够自动获取仿真模型的参数并生成计算数据,在线程序能够自动配置计算资源与控制逻辑。为了提高仿真速度,还提出一种低延迟的单周期浮点累加方法,用于构建解算器的基本计算单元。基于Xilinx Virtex7 xc7vx485t型FPGA芯片的评估与分析结果表明:相比某商业FPGA实时仿真解算器,该文解算器的仿真速度提高了一倍,仿真规模增加了29.69%~79.17%。最后,还通过两种电力电子变换器的实时仿真测试,验证了它的实际性能。所提解算器能够达到400 MHz的运行速度、100 ns级的仿真步长并保持较高的仿真精度,具有通用性强、自动化程度高、配置灵活等特点。

基于刚性检测的电力电子系统自适应仿真算法

高性能仿真工具对电力电子系统的设计分析具有重要的支撑作用,而考虑杂散参数对装置可靠性的影响、实施参数扫描来辅助优化设计是目前仿真应用的重要趋势。但是,考虑杂散参数后,系统的数学性质更加复杂多变,可能在刚性和非刚性之间发生转变,此时仅使用单一的前向或者后向算法都不能达到最优仿真效率,给仿真解算带来挑战。离散状态事件驱动(DSED)仿真框架可以实现对电力电子系统的准确高效解算,相较于商业仿真软件具有明显优势。但现有的DSED框架无法对系统的数学性质进行自动识别,应对上述复杂场景时仿真效率仍然有较大提升空间。为此,该文深入分析不同数值算法的效率最优场景,提出一种自适应的数值算法切换策略。该方法构造一种额外计算成本较小的判据,实现对系统刚性程度的自动检测以及不同数值积分算法的平滑切换,在仿真全过程中始终选择更优的积分方法,从而提升整体求解效率。所提策略应用于一台10 kV-2 MW四端口电力电子变压器的高频振荡现象分析中,在同等精度的前提下,仿真总体速度相较于原有DSED仿真框架提升了约4倍,进而验证了所提方法的准确性和有效性。

《电源学报》2024年第4期电力电子系统中的电磁兼容专辑征文通知

电磁兼容性是电力电子系统安全、稳定工作的基础,是现代电力电子设备实现高效、高频、大容量与高功率密度的关键技术约束和有力保证。随着新一代宽禁带半导体功率器件(WBG)的快速发展,电力电子系统的电磁兼容分析、预测理论和设计方法面临着新挑战和机遇,需要开展创新性研究。

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。

电力电子系统阻抗测量的分段二叉树法

在分析和设计包含电力电子变换器的系统时,由于阻抗和系统稳定性之间的密切关系,阻抗测量就显得十分重要。传统的扫频法采用等频率间隔的方式注入扰动信号并测量电力电子系统阻抗,由于不能在测量结果和测量过程之间建立起有效的联系,因此是一种低准确性、低效率和低可靠性的开环测量方法。通过建立阻抗测量结果准确度和测量频率间隔之间的数学关系,提出了一种分段二叉树阻抗测量方法。使用该方法,可以根据结果的准确度要求自动地确定测量频率点的位置,与传统的扫频法相比,本文提出的方法可以更加准确和有效地测量电力电子系统阻抗。单相交流系统和三相交流系统的阻抗测量结果证明了提出的方法的有效性。

用于电力电子系统暂态过程分析的晶闸管宏模型

提出了一个实用的晶闸管ＰＳＰＩＣＥ宏模型，能够描述晶闸管的正、反向恢复过程，模型参数可以方便地从产品手册中得到。该模型可用于包含晶闸管的电力电子系统的暂态过程仿真。

仿生学在电力电子系统设计中的应用

基于生物可靠性机理,系统地探讨了高可靠性电力电子系统的设计理论和方法,包括自律分散控制、冗余设计、自复制和自修复、智能化设计、自适应控制及自组织控制。利用这些仿生设计理论和方法,可提高电力电于系统的可靠性。提出了自律单元和自律分散电力电子系统等重要概念, 并指出:自律单元应具有自律可控性和自律协调性,自律分散的电力电子控制系统基于自律单元;自律分散控制系统代表了以后高可靠复杂功率变换器系统的一种极具前景的发展方向。最后,基于生物系统的自律分散控制思想,设计了一种新颖的单相逆变器。应用实例表明,仿生学在电力电子技术中,尤其在高可靠性电力电于系统设计中,有着广阔的应用前景。

电力电子系统的PSIM+Matlab联合仿真方法

针对一些要求仿真建模细致程度较高同时兼顾系统层面及线路层面的电力电子系统仿真,提出了用PSIM+Matlab联合建立仿真模型的新思路。以电压源逆变器的死区效应分析为例,示范了PSIM+Matlab联合仿真方法。该方法可充分发挥PSIM及Matlab各自的优势,简化建立仿真模型的过程,最大限度扩展适用场合,大大加快了仿真速度。

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。

电力电子系统的计算机仿真及参数优化算法

介绍了一种电力电子系统的计算机仿真及参数优化算法．电力电子电路采用系统矩阵法进行仿真．针对单纯形寻优算法的不足，提出了改进方案，实现了对电力电子系统的参数优化设计，文中给出了仿真及参数优化算则．

电力电子系统可靠性模型综述

近年来,电力电子装置广泛应用于生产生活各个领域中,其可靠性日益为人们所重视,尤其随着科学技术的飞速发展,可靠性研究也亟需与时俱进。可靠性关乎产品质量,其作为产品和设备安全性的评估指标不仅涉及企业、国家的经济效益,还涉及使用者的人身安全。首先主要介绍了电力电子系统级可靠性建模的主要开展方法、步骤及常见的可靠性建模方式,其可靠性建模主要有故障分析、失效判据选取、可靠性模型选取、建模和定量计算评估等主要步骤,故障分析是可靠性分析的基础,通过故障分析可以得到系统的主要故障类型,并基于所选取的失效判据判断系统在各故障类型下的运行状态;然后根据系统的规模、精度要求以及应用场合选取合适的可靠性模型有利于准确评估系统的可靠性,建模后进行定量计算,得到相应的可靠性指标,由此分析总结系统的可靠性;再介绍了4种常见的系统级可靠性模型,并依次对各模型进行了分析比较,总结了4种模型的特点与适用范围;最后对研究内容进行了总结与展望。

基于电力电子系统集成的高速通信监控系统

基于电力电子系统集成的思想,采用系统分层设计结构,提出一种与控制系统紧密结合的监控系统,并根据大功率电力电子系统的具体应用对该监控系统提出了高速通信要求。基于OMAP-1137对该系统进行了软硬件设计,结合了以太网通信、嵌入式操作系统与实时操作系统等技术的优势,使系统在实现高速通信监控的同时保证了变换器控制的实时性。使用该系统在350 kW鼠笼型异步全功率风力发电实验平台上进行了测试,通过实验及其波形分析可得,该系统能够完成多种监测、控制功能,方便了系统调试、性能评估和故障诊断。

石油化工行业电力电子系统防雷要点

针对石油化工行业电力电子系统遭受雷击损害日益严重的问题,根据多个石油库电子系统的防雷实验,提出了行之有效的石油化工行业电力电子系统防雷措施。

基于仿生学的电力电子系统分散自治控制

从仿生学的角度出发,模仿人体系统分布自治控制的特点,复杂电力电子系统的可靠性有望得到提高。电力电子细胞是对应于人体细胞的电力电子系统的最小单位,与电力电子系统集成模块具有很强的联系,该文介绍了电力电子系统集成的国内外发展现状,进一步重点研究用分立器件构建的分散自治模块,构建的实验室原型可以方便的组成若干功率变换器,实验结果表明以这种模块为基础的分散自治控制是可以实现的。

基于线性化Poincaré映射模型的非线性电力电子系统控制方法

进行非线性电力电子系统动态性能分析时,状态空间平均法误差较大,数值仿真法物理概念不清晰。比较而言,Poincaré映射法更准确且可得到解析方程来表示采样时刻离散状态变量的动态响应,但利用该方法进行系统控制还有待于进一步研究。本文考虑控制变量的影响,建立线性化Poincaré映射模型,以系统稳定裕度指标为目标,优化控制参数,建立了基于线性化Poincaré映射模型的非线性电力电子系统控制方法。该方法将Poincaré映射应用于系统控制设计,能够有效提高系统的动态性能。仿真试验验证了算法的有效性。

新型的电力电子系统单一传感器预测控制技术

该文概述了一种简单且有效的单一传感器预测技术(Single Sensor Estimation Technique,简称SSET)的基本原理及其在电力电子系统中的应用。仅需一个传感器测量电感电流或电感电压,该技术能够为反馈控制、前馈补偿以及参数监控等提供足够的信息,整个系统不需要其他传感器。该文在一个有源功率因数校正器和一个荧光灯的电子镇流器上分别验证了SSET的可行性,实验结果证明SSET能够正确地估算所需的各类变量和参数,从而达到系统控制和参数监控的目的。该技术不仅能够减少传感器的数量,而且可以避免在电力电子系统中使用复杂的电气隔离电路。

电力电子系统电磁干扰的抑制

讨论了电力电子系统电磁干扰的抑制措施,重点阐述了不同接地方式对共模(CM)电磁干扰抑制的影响和EMI滤波器特性及其设计的方法步骤,分析了电力电子系统电磁干扰的有源抑制的方法原理,指出了有源滤波是电力电子系统电磁兼容的一个重要研究方向.