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(dǎo)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(zhuǎn)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(diào)性

1.3電力電子系統(tǒng)應(yīng)用

1.3.1柔性交直流輸電

1.3.2新能源并網(wǎng)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(guān)器件短時間尺度的電磁瞬態(tài)過程認(rèn)識不清

1.4.2瞬態(tài)電能變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(qū)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(shù)學(xué)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(qū)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(shù)回路電磁變換關(guān)系

2.3.3時間常數(shù)差異帶來的影響

2.3.4電磁變換平衡下的回路參數(shù)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(shù)學(xué)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(guān)器件瞬態(tài)特性

3.1功率開關(guān)器件的物理機制和器件特性關(guān)系

3.1.1物理機制與典型器件特性的關(guān)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(guān)器件瞬態(tài)特性測試

3.2.1單個器件測試的拓?fù)渑c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(guān)器件瞬態(tài)特性分析

3.3.1運行中開關(guān)特性分析

3.3.2相互影響現(xiàn)象分析

3.4功率開關(guān)器件的并聯(lián)運行

3.4.1關(guān)鍵參數(shù)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(guān)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?fù)浼捌潆s散參數(shù)

4.1瞬態(tài)換流拓?fù)涠x

4.1.1變換器拓?fù)涠x

4.1.2變換器瞬態(tài)換流拓?fù)?

4.2復(fù)雜主電路雜散參數(shù)提取方法

4.2.1提取方法對比

4.2.2PEEC準(zhǔn)確性分析

4.2.3復(fù)雜結(jié)構(gòu)的參數(shù)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(shù)分析

4.3.1雜散參數(shù)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(shù)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?fù)?

4.5雜散參數(shù)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(shù)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(shù)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(guān)系

5.2系統(tǒng)安全工作區(qū)的數(shù)學(xué)模型

5.2.1關(guān)鍵器件、拓?fù)浜涂刂茀?shù)定義

5.2.2數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)

5.2.3基于系統(tǒng)安全工作區(qū)設(shè)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(shù)影響

5.3.2控制參數(shù)影響

5.3.3外部參數(shù)影響

5.3.4溫度參數(shù)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(shè)計

5.4.1評估與優(yōu)化設(shè)計流程

5.4.2系列化電力電子變換器設(shè)計中的應(yīng)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(jié)構(gòu)、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(shè)計

6.4.1硬件設(shè)計

6.4.2軟件設(shè)計

6.4.3采樣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)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(shù)學(xué)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(shù)學(xué)描述

7.1.3信號脈沖數(shù)學(xué)描述

7.1.4能量脈沖序列數(shù)學(xué)描述

7.1.5信號脈沖序列數(shù)學(xué)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(shè)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(jié)構(gòu)與限制

8.1.1閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

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(chǎn)生的無效脈沖

8.2.2控制器飽和產(chǎn)生的無效脈沖

8.2.3變換器特殊運行狀態(tài)中產(chǎn)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(shù)

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(guān)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?shù)哪芰科胶饪刂撇呗?

9.3.4基于能量平衡控制策略的母線電壓波動

最小化設(shè)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(jié)果分析

第10章變換系統(tǒng)中電磁瞬態(tài)分析的應(yīng)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(guān)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(jié)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(yīng)用。全書內(nèi)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(rèn)識電力電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(guān)器件瞬態(tài)特性、瞬態(tài)換流拓?fù)浼捌潆s散參數(shù)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(yīng)用。

本書可供從事電力電子領(lǐng)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(yīng)用的專業(yè)人士參考，也可作為高等院校相關(guān)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(guān)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(shè)計工程技術(shù)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(shè)計方法。電力電子系統(tǒng)的建模與控制技術(shù)涉及功率變換技術(shù)、電工電子技術(shù)、自動控制理論等，是一門多學(xué)科交叉的應(yīng)用性技術(shù)。本書內(nèi)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(guān)網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(diào)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(yīng)，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(yīng)也稱動態(tài)響應(yīng)或過渡過程或暫態(tài)響應(yīng)。瞬態(tài)響應(yīng)好的器材應(yīng)當(dāng)是信號一來就立即響應(yīng)，信號一停就戛然而止，決不拖泥帶水。

擬采用理論分析、室內(nèi)試驗、現(xiàn)場試驗及數(shù)值分析方法，針對深部高儲能巖體爆破開挖過程中巖體應(yīng)變能的瞬態(tài)釋放過程及效應(yīng)展開研究。首先，采用圍壓瞬態(tài)卸載試驗裝置實現(xiàn)室內(nèi)試驗巖樣圍壓的瞬間卸載，揭示巖體應(yīng)變能瞬態(tài)釋放的機理，建立能量瞬態(tài)釋放效應(yīng)的計算模型和考慮能量瞬態(tài)釋放效應(yīng)的巖石損傷判據(jù)；其次，結(jié)合現(xiàn)場開挖損傷區(qū)檢測、圍巖振動監(jiān)測和數(shù)值計算，研究能量瞬態(tài)釋放誘發(fā)圍巖損傷和高應(yīng)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(yīng)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(shè)計優(yōu)化及應(yīng)力解除爆破的高儲能巖體爆破開挖能量瞬態(tài)釋放效應(yīng)控制方法。本課題既符合國家基礎(chǔ)工程建設(shè)的重大需求，又是深部巖體力學(xué)理論發(fā)展急需解決的關(guān)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(rèn)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(shè)計及施工提供新的設(shè)計和分析理論。