专利名称：大容量电力电子变换系统电磁瞬态分析方法
大容量电力电子变换系统电磁瞬态分析方法技术领域
本发明属于电力电子变换和控制技术领域，尤其涉及一种大容量电力电子变换系统电磁瞬态分析方法。
背景技术：
大容量电力电子变换系统一般指功率等级在上百、几百千瓦乃至兆瓦以上，电压等级在几百伏、千伏乃至万伏以上，电流容量在几百或上千安培以上的电力电子变换系统。 随着全球范围内对大容量电力电子装置的迫切需求，如高压变频调速、电能质量控制、电力牵引、风力/光伏并网发电、分布式独立电力系统、大型冶炼、材料处理加工、等离子体放电脉冲功率以及国防装置需求等，大容量电力电子系统的应用已成为当前电力电子研究领域的最热点问题之一。
大容量电力电子变换系统与小容量系统有很大的不同，很多在小容量系统中并不突出的问题被凸现出来，如半导体器件的瞬态开关特性、主电路瞬态换流回路、回路中的杂散参数、脉冲瞬态过程、di/dt和dv/dt的影响以及开关损耗等，这些问题都集中体现在短时间尺度的电磁能量变换瞬态换流过程之中，而特别由于各回路变换的时间常数不同，常常由于变换不协调、能量变换不平衡导致器件和系统损坏。以往采用常规的理想器件、集中参数、线性拓扑电路以及信号PWM等分析方法难以解释和解决这些现象和问题。
电力电子变换系统主要由功率器件、线路拓扑和控制模块构成。在这个系统中， 各个子系统的电磁能量变换的时间常数不同，如无源器件及其组成的回路时间常数以毫秒计，功率开关器件子系统和部分控制回路的时间常数以微秒计，某些高频软开关子系统和数字控制系统的时间常数以纳秒计，如果电力电子变换系统带机械负载，如电机拖动，则机电能量转换部分的时间常数以秒计。不同时间常数的子系统构成整个电力电子变换系统， 系统中的瞬态电磁能量变换成为其关键问题。大部分系统或其中的元器件的失效均发生在瞬态(从某个稳态能量分布转向另一个稳态)过程中。在这种瞬态过程中，特别是时间常数不同的各子系统共同工作时，能量分布常有可能失衡，造成破坏性的局部能量集中。
在常规器件应用中，一般使用器件生产商给出的器件安全工作区，比如正偏、反偏、反向恢复等器件安全工作区。但是，在大容量变换系统应用中存在两个明显的缺陷 (I)只关注了器件本体，没有建立器件与系统的互动关系。实际中，器件在系统中受线路杂散参数、控制和保护参数等诸多因素影响而表现出不同的运行特性，只采用器件安全工作区无法分析和控制这些复杂特性。(2)器件安全工作区中描述的是开关器件中的稳态电流及其端电压的关系，不能表述器件的开关瞬态过程，不能用于变换系统的优化设计和瞬态建模之中。
随着变换系统功率等级的提闻，系统对耐压、过流、绝缘和散热等能力要求提闻， 往往需要采用大尺寸的开关器件、无源元件和散热系统，导致功率元件之间的连接导线尺寸增大，导体之间的距离加长，从而使连线的杂散电感增大。当开关中的di/dt很大时， Ldi/dt则构成很高的浪涌电压，导致击穿器件和绝缘。由此可见，杂散参数是决定变换器可靠性的重要因素之一。低杂散电感的层叠母排结构在变换系统的直流母排设计中广泛采用，但是在常规的主电路设计和层叠母排设计中存在如下问题(1)常规的主电路为理想电路拓扑，只有集中参数没有分布参数，不能分析分布杂散参数问题；(2)层叠母排在理想电路拓扑中也只是一根连线，看作一个整体，等效为一个集中杂散电感参数，难以进行分布参数分析以优化母排。
脉冲调制技术是电力电子变换系统的重要底层控制技术。以往产生PWM脉冲主要基于控制系统宏观算法和理想的开关器件特性(双稳态)。但实际上由于开关器件动作的连续性和非线性，控制系统产生的理想脉冲与其通过驱动电路、开关器件后输出的主电路脉冲有很大差异。尤其在大容量电力电子变换系统过渡过程中，这种差异带来的影响更明显， 产生很多的异常脉冲，轻者产生畸变，重者损坏器件和装置。
长期以来，人们一直在呼唤大容量电力电子变换系统分析方法的变革。本发明从系统安全工作区模型、瞬态换流回路以及主电路脉冲控制的新视角提出大容量电力电子变换系统电磁瞬态分析方法。发明内容
本发明的目的在于，提供一种大容量电力电子变换系统电磁瞬态分析方法。
为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种大容量电力电子变换系统电磁瞬态分析方法，其特征是所述方法包括
步骤1:大容量电力电子变换系统执行一次保护动作，采集所述变换系统执行保护动作前后的系统参数，确定所述变换系统安全工作区；具体包括
步骤1.1 :在发生故障的时刻t采集变换系统母排电压vDC(t)、母排电流iDC(t)和 IGBT集射极电压vCE⑴；
步骤1. 2 :经过延迟控制At后，在时刻t+At变换系统执行关断动作，同时采集时刻t+Λ t变换系统的IGBT集射极电压vCE (t+Λ t)和交换系统的电流ic(t+A t)
步骤1. 3 :确定时刻t和时刻t+Λ t变换系统的母排电压和母排电流之间的关系以及母排电压和母排电流的极限条件；
其中时刻t和时刻t+Λ t变换系统的母排电压和母排电流之间的关系为 [001权利要求
1.一种大容量电力电子变换系统电磁瞬态分析方法，其特征是所述方法包括步骤1:大容量电力电子变换系统执行一次保护动作，采集所述变换系统执行保护动作前后的系统参数，确定所述变换系统安全工作区；具体包括步骤1.1 :在发生故障的时刻t采集变换系统母排电压vrc(t)、母排电流iDJt)和IGBT 集射极电压Vdc (t);步骤1.2 :经过延迟控制At后，在时刻t+At变换系统执行关断动作，同时采集时刻 t+At变换系统的IGBT集射极电压vCE (t+At)和交换系统的电流ic(t+At)；步骤1. 3 :确定时刻t和时刻t+At变换系统的母排电压和母排电流之间的关系以及母排电压和母排电流的极限条件；其中时刻t和时刻t+At变换系统的母排电压和母排电流之间的关系为
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述提取交换系统的杂散参数采用阻抗分析仪量测法、部分元等效法PEEC或量测波形反推法。
全文摘要
本发明公开了电力电子变换和控制技术领域中的一种大容量电力电子变换系统电磁瞬态分析方法。包括大容量电力电子变换系统执行一次保护动作，采集所述变换系统执行保护动作前后的系统参数，确定所述变换系统安全工作区；提取交换系统的杂散参数，进而确定交换系统的瞬态母排结构；根据所述母排结构以及杂散参数确定半导体开关器件门极驱动信号的反馈控制设定值；根据所述半导体开关器件门极驱动信号的反馈控制设定值确定交换系统的延迟时间，最后确定在系统安全工作区的延迟时间。本发明将原有器件安全工作区推广到系统安全工作区，将原有集中参数拓扑结构扩展到考虑杂散参数的主电路结构，将原有信号级脉冲调制算法推广到主电路脉冲控制策略。
文档编号H02M1/00GK102983712SQ201210497020
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月28日 优先权日2012年11月28日
发明者赵争鸣, 袁立强, 鲁挺, 贺凡波, 孙晓瑛 申请人:清华大学