大容量电力电子系统电磁瞬态分析技术

张 倩

（三门峡职业技术学院，河南 三门峡 472000）

在我国现阶段，随着我国科学技术水平的不断提高，我国应用与社会生产与生活的电力电子变换系统的总体容量也越来越大，且在不断的上升。目前我国大部分大容量电力电子变换系统的功率等级，在一般情况下已经达到了上百kW、几百kW，甚至已经上升到了MW以上，同时大多数大容量电力电子变换系统的电压等级，已经不再是几百V、kV，而是已经随着社会发展的要求上升到了数十kV以上，电流容量也达到了几百A或者是kA以上。近些年来，随着世界各国对大容量电力电子装置各项需求的不断提高，如何提高大容量电力电子装置系统应用水平以及运行的稳定性，已经成为国际电力电子研究领域最为重视的问题之一。

1 大容量电力电子技术存在的主要问题

根据我国现阶段大容量电力电子技术的应用情况来看，其存在的问题主要集中在如下几点：（1）缺乏对相关部件特性的掌握，主要是指半导体开关与高压开关器件；（2）在设计主电路的过程中过度缺乏理想化，且缺乏有效的试验数据；（3）在电磁过度的整体过程中，对于期间与相关装置的描述缺乏一定的清晰性。上述几个问题在大容量电力电子系统运行的过程中，不仅导致电磁瞬态过程缺乏科学的定量分析，同时也会在一定程度上增加大容量变换设计的难度。

与小容量电力电子变换系统相比，大容量电力电子变换系统具有较大的不同，有很多特征在小容量系统中并不明显，但在大容量系统中该些特征就十分显著。例如，半导体器件瞬态开关特性、脉冲瞬态过程以及电磁能量过渡等，上述特征主要的特征都表现在短时间尺度的电磁能量变换瞬态换流的整个过程当中，特别是对于每一个换流回路来说，其时间常数均各不相同，因此经常出现变换与能量失衡等问题，从而破坏部分器件与系统。在一般情况下，采用常规的分析方法不能有效的解决与缓解上述问题，例如集中电路参数、平均化模型以及开关函数等。在设计、制造大容量电力电子变换系统的过程中，主要是依靠裕度设计，凭借经验运行，因此性能与可靠性在系统运行过程中的矛盾就越突出，且成为目前研制与应用大容量变换器过程中面临的最大问题。

2 瞬态换流回路拓扑

瞬态拓扑及一体化母排思想在贯彻实施的过程中，主要分为两大部分；第一部分要准确提取杂散参数；第二部分就是要对杂散参数影响的灵敏度分析。通过应用部分元等效电路法对电磁场的分析，就可以建立系统的母排机械结构，同时也能够有效建立与瞬态拓扑之间的联系。在进行分割时，要依据大尺寸母排的相关特征进行，并不是将其看成统一的整体。在对其实施优化与完善的过程中，要对母排的分布电容效应进行充分的分析与考虑，并要摒弃传统的“降低杂散参数数值”思想，采用“杂散参数效应互补”的思想，从而在一定程度上加快杂散电感与杂散电容能量之间的交换速度。在IGBT变换器结构进行改进的过程中，采用瞬态拓扑及一体化母排技术不仅可以有效增强功率模块结构的紧凑性、同时也可以提升功率密度。与国外同类功率模块相比，该种技术的功率模块性能较强，且各项指标均显著较优，且具有较强的适应性。例如，杂散电感、关断电压峰值、以及系统功率密度等。指标对比结果如表1所示。

表1 功率模块性能比较

3 主电路脉冲及其序列的调制技术

在电力电子变换系统中，脉冲调制技术是其最为基础的控制技术。其长期应用过程中产生的脉宽调制（pulse width modulation，PWM）脉冲是建立在两个方面。一方面是控制系统宏观算法；另一方面就是理想开关器件特性，但其在实际应用的古城欧洲，由于开关器件的动作具有一定的非线性与连续性，因此控制系统运行过程中产生的理想脉冲与主电路脉冲存在较大的差异。特比是在大容量电力电子变换器的过渡期间，这种差异不仅会间接引发更多的异常脉冲，同时也会在一定程度上导致其产生畸变，严重的情况下会对相关器件与装置造成损坏。从这些问题产生的机制以及相关现象出发，不仅要对死区、最小脉宽以及杂散参数等多种因素进行综合考虑，同时也要考虑其对器件换流动态过程造成的影响。并对直接以主电路脉冲与其序列当做关键控制目标，对其进行直接的调制与控制，以此来进一步提高电力电子系统主电路脉冲精准度与控制速度。并深入贯彻于落实主电路脉冲调制技术与思想，将其广泛的应用到各个领域当中，并根据不同领域的不同要求来对其调制方法进行相应的调整。例如，多电平变换器封脉冲策略、电机预励磁技术等。通过采用主电路脉冲及其序列的调制技术实现的异步电机预励磁方，不仅其变频调速系统运行较为稳定，且其起动特性与国外同类产品相比具有较为显著的优势。

在高压IGBT串联中采用主电路脉冲调制技术，通过对该技术水平的不断创新与完善，不仅在此基础上研发出了门极有源箝位与门极主动控制相结合均压方法，同时在降低器件与均压电路损耗的前提下，也在一定程度上提升了串联器件电压的平衡度。

4 基于瞬态能量平衡的控制技术

应用电力电子变换系统最终的目的是为了更好的实现电磁能量变换，在这一过程中，闭环控制中的对象一般是电机电流以及电网电流等感性元件中的电流，同时也包括容性元件上的电压，例如直流母线电压。在动态过程中，不仅要对对象快速跟踪其指令值进行合理的控制，同时在稳态期间也要对稳定指令值进行有效的控制。若站在能量的角度来看，并进行归纳，就可以将控制对象转换成储能元件中的瞬态电磁能量，并在动态期间，确保电磁储能快速跟踪能量指令值可以根据电磁储能的稳定性要求，长时间保持其目标能量值。对于变换器来说，若其存在多组储能元件以及具有多种不同性质的控制目标时，传统的电压闭环控制以及电流闭环控制就无法兼顾每一个方面，例如，在变换器运行过程中不仅要对电压进行控制，同时也要控制其电流。站在能量角度来看，通过储能元件中的能量，电压和电流可以有效实现协调统一。瞬态能量平衡控制技术主要是指，电力电子变换系统在运行中的各个环节都能够保持能量平衡，也就是指输入与输出、损耗与储能等之间的能量平衡。这种控制思想是建立在电力电子变换器电磁能量变换本质的基础之上的，其物理概念不仅较为明确，同时其模型的构建也较为简单，在对各储能元件的瞬态过程中进行充分的考虑就可以保持其良好的动态与稳态特性。

5 结语

总而言之，在我国市场经济可持续发展的形势下，电磁瞬态分析技术的应用水平不仅会直接影响到我国电力电子系统运行的稳定性，同时也会在一定程度上影响到大容量电力电子装置的各项性能。因此，为了进一步提高电磁瞬态分析技术的适应性，满足社会发展对于大容量电力电子系统的需求，首先就要对电磁瞬态分析技术进行深入的分析，并针对其应用过程中存在的一定的问题进行总结，以此来对该项技术进行不断的优化与完善，并对其主电路脉冲及其序列的调制技术以及瞬态能量平衡的控制技术等核心技术进行深入的研发，从而有效提升大容量电力电子系统运行的稳定性与安全性，提升大容量电力电子变换系统的性能体育可靠性，促进我国经济的进一步发展。