電力電子系統(tǒng)電磁瞬態(tài)過程

第1章緒論

1.1電力電子系統(tǒng)解析

1.1.1功率半導體器件

1.1.2功率變換電路

1.1.3脈沖控制

1.2電力電子系統(tǒng)綜合

1.2.1硬件與軟件的統(tǒng)一性

1.2.2能量與信息的互動性

1.2.3線性與非線性的轉換性

1.2.4離散與連續(xù)的混雜性

1.2.5多時間尺度的協(xié)調性

1.3電力電子系統(tǒng)應用

1.3.1柔性交直流輸電

1.3.2新能源并網發(fā)電中電力電子裝置

1.3.3電力牽引

1.4電力電子系統(tǒng)存在的問題

1.4.1對功率開關器件短時間尺度的電磁瞬態(tài)過程認識不清

1.4.2瞬態(tài)電能變換拓撲結構理想化

1.4.3信號脈沖與能量脈沖差異

1.4.4電磁瞬態(tài)過程不明確

第2章電磁瞬態(tài)過程及其建模

2.1電力電子系統(tǒng)中的電磁瞬態(tài)過程

2.1.1主功率回路電磁瞬態(tài)過程

2.1.2驅動回路電磁瞬態(tài)過程

2.1.3控制回路電磁瞬態(tài)過程

2.2電磁瞬態(tài)過程數學模型

2.2.1電磁瞬態(tài)過程建模方法

2.2.2主電路電磁瞬態(tài)模型

2.2.3元器件電磁瞬態(tài)模型

2.2.4驅動電路和控制電路的電磁瞬態(tài)模型

2.3時間尺度的差異及其影響

2.3.1典型瞬態(tài)回路時間尺度及比較

2.3.2不同時間常數回路電磁變換關系

2.3.3時間常數差異帶來的影響

2.3.4電磁變換平衡下的回路參數匹配

2.4電磁脈沖及脈沖序列

2.4.1電磁脈沖及脈沖序列數學描述

2.4.2脈沖及其序列傳輸和變異

2.4.3時間脈沖序列和脈沖邏輯組合

第3章功率開關器件瞬態(tài)特性

3.1功率開關器件的物理機制和器件特性關系

3.1.1物理機制與典型器件特性的關系

3.1.2不同物理機制器件特性差異

3.2變換器中功率開關器件瞬態(tài)特性測試

3.2.1單個器件測試的拓撲與控制

3.2.2獨立測試平臺單個器件瞬態(tài)特性

3.2.3變換器中的單個器件瞬態(tài)特性

3.3變換器中功率開關器件瞬態(tài)特性分析

3.3.1運行中開關特性分析

3.3.2相互影響現(xiàn)象分析

3.4功率開關器件的并聯(lián)運行

3.4.1關鍵參數對并聯(lián)器件瞬態(tài)特性影響

3.4.2IGBT并聯(lián)特性分析

3.4.3IGBT并聯(lián)實驗研究

3.5功率開關器件的串聯(lián)運行

3.5.1器件串聯(lián)均壓的基本思路

3.5.2IGCT串聯(lián)

第4章瞬態(tài)換流拓撲及其雜散參數

4.1瞬態(tài)換流拓撲定義

4.1.1變換器拓撲定義

4.1.2變換器瞬態(tài)換流拓撲

4.2復雜主電路雜散參數提取方法

4.2.1提取方法對比

4.2.2PEEC準確性分析

4.2.3復雜結構的參數提取簡化處理

4.3基于模塊封裝IGBT的變換器主電路雜散參數分析

4.3.1雜散參數對變換器中IGBT特性影響

4.3.2IGBT變換器直流母排建模

4.4基于平板壓裝IGCT的變換器主電路雜散參數分析

4.4.1IGCT三電平變換器主電路母排建模

4.4.2瞬態(tài)換流拓撲

4.5雜散參數影響量化分析及其優(yōu)化

4.5.1模塊封裝IGBT變換器中的雜散參數影響評估

4.5.2模塊封裝IGBT變換器母排優(yōu)化

4.5.3平板壓裝IGCT變換器中的雜散參數影響評估

4.5.4平板壓裝IGCT三電平變換器母排優(yōu)化

第5章基于器件特性的系統(tǒng)安全工作區(qū)

5.1系統(tǒng)安全工作區(qū)的定義

5.1.1系統(tǒng)安全工作區(qū)的基本思想

5.1.2器件安全工作區(qū)與系統(tǒng)安全工作區(qū)的關系

5.2系統(tǒng)安全工作區(qū)的數學模型

5.2.1關鍵器件、拓撲和控制參數定義

5.2.2數學模型推導

5.2.3基于系統(tǒng)安全工作區(qū)設計樣例

5.3系統(tǒng)安全工作區(qū)的影響因素分析

5.3.1直流母排雜散參數影響

5.3.2控制參數影響

5.3.3外部參數影響

5.3.4溫度參數影響

5.3.5器件并聯(lián)特性影響

5.4基于系統(tǒng)安全工作區(qū)的評估與優(yōu)化設計

5.4.1評估與優(yōu)化設計流程

5.4.2系列化電力電子變換器設計中的應用

5.4.3基于系統(tǒng)安全工作區(qū)變換器評估與保護

第6章電磁瞬態(tài)過程的量測/觀測分析

6.1采樣系統(tǒng)的結構、組成和功能

6.2采樣系統(tǒng)中功率量和信號量的差異

6.3采樣延遲和誤差對控制性能的影響

6.3.1頻域分析

6.3.2時域分析

6.4抑制采樣延遲和誤差設計

6.4.1硬件設計

6.4.2軟件設計

6.4.3采樣系統(tǒng)優(yōu)化設計的效果

第7章主電路電磁脈沖及其序列

7.1電力電子系統(tǒng)中各類脈沖及其序列的數學描述

7.1.1各類脈沖的區(qū)別及演化過程

7.1.2能量脈沖數學描述

7.1.3信號脈沖數學描述

7.1.4能量脈沖序列數學描述

7.1.5信號脈沖序列數學描述

7.2脈沖形態(tài)變化的影響及解決方法

7.2.1死區(qū)影響及最小脈寬設計方法

7.2.2最小脈寬影響及解決方法

7.2.3離散誤差及其補償方法

7.3脈沖時序變化的影響及解決方法

7.3.1脈沖延遲對控制性能的影響

7.3.2脈沖延遲的補償方法

第8章高性能閉環(huán)控制及其限制

8.1閉環(huán)控制系統(tǒng)結構與限制

8.1.1閉環(huán)控制系統(tǒng)的結構

8.1.2傳統(tǒng)控制方法的限制

8.2控制策略造成的無效脈沖的影響及解決方法

8.2.1控制耦合產生的無效脈沖

8.2.2控制器飽和產生的無效脈沖

8.2.3變換器特殊運行狀態(tài)中產生的無效脈沖

8.3短時間尺度主動控制方法

8.3.1主電路電磁脈沖的控制方法分類

8.3.2主電路電磁脈沖的主動控制方法

8.3.3主動控制方法的效果

8.3.4主動控制方法與主電路集成技術

8.3.5分布式主動控制方法的效果

第9章瞬態(tài)過程中的電磁能量平衡

9.1電磁能量平衡及建模

9.1.1瞬態(tài)電磁能量平衡關系

9.1.2基于瞬態(tài)能量平衡的控制建模

9.2基于瞬態(tài)能量平衡的控制

9.2.1傳統(tǒng)電壓控制策略性能分析

9.2.2基于瞬態(tài)能量平衡的控制策略

9.3背靠背變換器能量平衡控制

9.3.1雙PWM變頻器系統(tǒng)的能量平衡模型

9.3.2雙PWM變頻器母線電容能量波動過程分析

9.3.3基于分步補償的能量平衡控制策略

9.3.4基于能量平衡控制策略的母線電壓波動

最小化設計方法

9.4電磁能量平衡控制分析

9.4.1控制系統(tǒng)小信號模型

9.4.2系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

9.4.3系統(tǒng)動態(tài)性能分析

9.4.4系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差分析

9.4.5仿真與實驗結果分析

第10章變換系統(tǒng)中電磁瞬態(tài)分析的應用

10.1高壓IGBT串聯(lián)變換器電磁瞬態(tài)分析

10.1.1適用于高壓IGBT串聯(lián)的瞬態(tài)機理模型

10.1.2串聯(lián)IGBT瞬態(tài)行為分析

10.1.3拖尾階段的瞬態(tài)特性

10.2基于SiC器件的高頻變換器

10.2.1開關瞬態(tài)過程分析與建模

10.2.2高頻變換器電磁瞬態(tài)過程分析

10.3結語

參考文獻

本書系統(tǒng)地論述了電力電子系統(tǒng)瞬態(tài)過程的理論分析和實際應用。全書內容分為10章。第1章從電力電子系統(tǒng)解析和綜合兩方面分別梳理和認識電力電子系統(tǒng)的結構和屬性； 第2章敘述電力電子系統(tǒng)電磁瞬態(tài)過程及其建模； 第3~5章分別論述了功率開關器件瞬態(tài)特性、瞬態(tài)換流拓撲及其雜散參數和基于器件特性的系統(tǒng)安全工作區(qū)； 第6~8章分別論述了電磁瞬態(tài)過程的量測、主電路電磁脈沖及其序列和高性能閉環(huán)控制及其限制； 第9章闡述了瞬態(tài)電磁能量平衡控制策略基本原理與控制方法； 第10章主要介紹了電磁瞬態(tài)分析在典型電力電子系統(tǒng)中的應用。

本書可供從事電力電子領域工作，特別是從事大容量電力電子系統(tǒng)研究、裝置開發(fā)和工程應用的專業(yè)人士參考，也可作為高等院校相關專業(yè)教師和研究生的參考教材。

本書可作為電力電子與電力傳動專業(yè)及相關專業(yè)的研究生教材，也可作為從事電力電子裝置、變頻器、電子電源等開發(fā)、設計工程技術人員的參考書。該書重點介紹電力電子系統(tǒng)的動態(tài)模型的建立方法和控制系統(tǒng)的設計方法。電力電子系統(tǒng)的建模與控制技術涉及功率變換技術、電工電子技術、自動控制理論等，是一門多學科交叉的應用性技術。本書內容包括：電力電子系統(tǒng)建模方法如狀態(tài)空間平均、平均開關網絡模型和統(tǒng)一電路模型等，電流峰值控制的穩(wěn)定性問題及改進穩(wěn)定性的方法，DC/DC變換器反饋控制設計，三相PWM整流器動態(tài)模型和三相PWM逆變器的動態(tài)模型，三相PWM交流器的解耦控制，三相PWM交流器的空間矢量調制SVM方法，DC/DC變換器并聯(lián)系統(tǒng)的動態(tài)模型及均流控制，逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的動態(tài)模型及均流控制。

瞬態(tài)響應，指系統(tǒng)在某一典型信號輸入作用下，其系統(tǒng)輸出量從初始狀態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)的變化過程。瞬態(tài)響應也稱動態(tài)響應或過渡過程或暫態(tài)響應。瞬態(tài)響應好的器材應當是信號一來就立即響應，信號一停就戛然而止，決不拖泥帶水。

擬采用理論分析、室內試驗、現(xiàn)場試驗及數值分析方法，針對深部高儲能巖體爆破開挖過程中巖體應變能的瞬態(tài)釋放過程及效應展開研究。首先，采用圍壓瞬態(tài)卸載試驗裝置實現(xiàn)室內試驗巖樣圍壓的瞬間卸載，揭示巖體應變能瞬態(tài)釋放的機理，建立能量瞬態(tài)釋放效應的計算模型和考慮能量瞬態(tài)釋放效應的巖石損傷判據；其次，結合現(xiàn)場開挖損傷區(qū)檢測、圍巖振動監(jiān)測和數值計算，研究能量瞬態(tài)釋放誘發(fā)圍巖損傷和高應力破壞的規(guī)律及影響因素，分析瞬態(tài)釋放能量誘發(fā)振動響應的衰減規(guī)律及時空分布；最后，提出基于開挖程序和鉆爆設計優(yōu)化及應力解除爆破的高儲能巖體爆破開挖能量瞬態(tài)釋放效應控制方法。本課題既符合國家基礎工程建設的重大需求，又是深部巖體力學理論發(fā)展急需解決的關鍵問題，研究成果有助于加深對深部巖體爆破損傷及破壞的機理的認識，對保障深埋洞室的施工安全具有重要意義，可為我國深部巖體工程設計及施工提供新的設計和分析理論。