电力电子变换器数字仿真模型的研究现状

（研究现状及意义）1.模块化多电平变换器建模与仿真技术研究 （研究背景） 随着电力电子技术的发展，包含MMC在内的脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)功率变换器越来越多的应用于交值流电源、逆变器、新能源发电、交值流输电等功率变换系统中。这些PWM功率变换器在结构上一般含有MOSFET, IGBT或GTO等功率开关器件和辅助电路，因此，如果在实验中操作不当，功率开关很容易被损坏；再者，随着电力系统的日趋复杂化以及市场竞争力的越来越激烈，如何进一步降低产品成本和缩短周期成了行业人员当前需要解决的问题。所以，在含功率开关管的电力电子装置的研究开发和功率调试阶段，仿真技术变得不可替代和越来越重要。（研究现状及意义） 目前仿真主要分为两大类：物理(实物)仿真和计算机仿真。其中，物理仿真是根据真实系统的物理性质来构造系统物理模型而进行的实验研究，该方法直观形象，逼真度高，但成本高，开发周期长。计算机仿真又分为纯软件仿真和实时仿真，其中软件仿真不使用实际系统的任何部件，其仿真时间也与系统的实际时间无关，但是随着电力系统的日趋复杂化，电压等级也越来越高，而提高电压等级意味着所需的电力电子装置的结构更加复杂，比如MMC就需要增加串联子模块SM的数目，相应地所需的IGBT数量增加，进而系统仿真对仿真时间的要求越来越高，这对传统的仿真软件来说很难满足;实时仿真采用多核高速计算机或FPGA实现并行计算处理，其仿真运行时间与实际时间一致，可以实现硬件在回路实时仿真与控制。因此，计算机仿真一直是一种十分重要的仿真工具，拥有减少损失、节约经费开支、缩短开发周期、提高产品质量等优点;此外，计算机实时仿真还可以进行半实物仿真，即系统一部分采用计算机实时仿真，一部分以实物方式引入仿真回路，这样可以极大的提高控制系统的设计效率。目前，国际上比较流行数字式实时仿真器，有RT LAB, RTDS,dSPACE等。2. 大功率电力电子装置的混合实时仿真 （研究背景） 作为一个新的技术领域，大功率电力电子装置的性能和可靠性一直都备受关注由于应用场合一般都是十分关键的输电线路或工业负荷，客观情况不允许对装置进行详尽的现场试，同时，由于容量通常都很大(例如应用于输电系统中的装置通常在几十MVA到上百MVA)，也无法在其它场合对实际装置进行详尽的测试，所以，为了保证实际装置的可行性及可靠性，事先对实际的控制和保护系统进行详尽的闭环物理测试是必不可少的步骤实时数字仿真可以实现硬件在线闭环测试，使实际控制器等同于连接到实际装置中，从而实现在各种参数和运行条件下的详细闭环测试。 目前，国内外已经出现了一些针对电力电子装置的实时仿真应用，在这些应用中，大多将开关器件理想化，只能反映装置的电磁暂态过程但大功率电力电子装置具有更为复杂的动态过程，而且各种动态过程具有紧密的关联性孤立地对电磁暂态过程进行仿真，或孤立地对开关器件进行仿真，都无法实现全面的装置特性分析和物理测试为此，本文提出大功率电力电子装置混合实时仿真的概念及其实现方法，可以实现较为全面的物理测试验证，包括动态控制、PWM控制、各种工况下功率器件的工作特性、长时间运行或短时过载时装置的温升与散热、功率开关器件的损坏机制等。（以下与立项依据关联不大，主要介绍实时仿真内容）（研究现状）1混合实时数字仿真大功率电力电子装置中的各个动态过程是交互作用。例如，电磁暂态过程决定了装置所处的电压电流工作条件，自然对器件的开关过程所产生的电压电流尖峰和损耗有影响；功率器件的损耗会引起装置的温度升高，引起装置的热动态过程；功率损耗也决定了装置与外部交换的有功功率，很大程度上也会影响电磁暂态过程;由于结温在一定程度上又会影响器件的开关特性，热动态过程又会影响开关暂态过程。所以，对各动态过程进行综合的仿真分析，才能够实现全面详细的测试验。 图1为所提出的混合实时数字仿真的方法框图。以典型的电压源变流器装置的动态行为为例，可以用以下的3个动态过程来描述 1)装置级的电磁暂态过程 这主要是变流器装置与电网或负荷之间交互的动态过程，可以用电磁暂态方程状态变量X通常选取变流器的输出电流和直流电压，而输入量U通常为变流器的开关状态信号。在实时仿真计算中，对装置级电磁暂态过程的计算步长一般为微秒级 2)器件级的开关暂态过程在功率器件的开关过程中，在其内部将发生由半导体物理特性所决定的若干暂态过程，在外部则反映为器件电压、电流和损耗等若干变量的暂态过程从应用的角度，通常不详细考察器件内部复杂的物理过程，而是从元件的外部电特性来描述开关暂态过程，也称之为功能型模型，一般描述如下其中vT iT分别为器件的端电压和电流，它们的动态行为是由动态方程F所决定的，一般具有较强的非线性，或者是分段线性的;动态方程F的输入变量从类别上可以分为2组，为器件的外部工作条件，例如开关时刻的桥臂电压电流，则为器件的内部特性参数和电路的杂散参数，可能有数个甚至几十个。另外，vT和iT的乘积实际上就是决定了器件的开关损耗由于器件的开关过程通常在几个us之内结束，开关暂态的仿真步长要达到几十ns级 3)热动态过程 功率损耗主要包括器件的通态损耗和开关损耗损耗会带来一定的温升，较高的温度会导致功率器件的热损坏，所以热特性分析和散热设计一直是大功率电力电子装置研究和设计中的一个十分重要部么热动态过程实际上就是半导体结上产生的热量经过由结到外壳的热,由外壳到散热器的热阻以及由散热器到环境的热阻所进行的热传递过程，一般可以描述为一个RC网络。热动态过程的时间常数通常在几十ms到几s 如图1所示，这3个具有不同模型、不同时步的动态过程分别进行仿真计算，相互之间则进行实时交互与混合计算电磁暂态仿真的计算结果作为开关暂态计算的输入工作条件，开关暂态的计算结果又为电磁暂态，计算提供开关状态输入在开关暂态计算和热动态计算之间的接口方面，开关暂态计算得到的损耗作为热动态过程的输入，热动态过程计算得到的温度作为开关暂态计算的输入之一。2混合实时数字仿真的实现2. 1器件级实时化功能模型 器件级模型在混合仿真中是处于中心地位的。而且，开关暂态过程的仿真计算时步要达到几十ns，在实现上也是最具挑战性吮所以本节以集成门极换向晶闸管(integrated gate commutate thyristor,IGCT)为例，重点阐述器件级实时化功能模型的实现功能模型实际上是建立在开关过程中电压电流的近似解析解基础上的，如图2所示的IGCT关断过程，可以分为几个阶段:延迟阶段、下降阶段拖尾阶段(.中间略详细分析过程）2. 2器件功能模型的实时化实现采用基于顺序执行指令的微处理器实现几十ns秒级的仿真计算具有一定的难度现场可编程门阵列(field programmable gate array, FPGA)是基于硬件电路实现运算，计算速度很快，并且计算任务可以并布示。所以本文采用了FPGA实现开关暂态过程仿真计算的实时化在采用FPGA对如式(4)和式(5)所示的插值模型实现过程中，主要是构造一系列并行的乘法器和加法器实现相应的计算2. 3混合实时数字仿真平台 基于数字信号处理器(dgital signal processor,DSP)和FPGA实现了大功率电力电子装置的混合实时数字仿真平台。仿真平台通过脉冲接口接收控制器所发送来的脉冲信号，并通过基于TM320V C33的DSP仿真板完成电磁暂态过程和开关暂态过程的计算，并且将计算出的各状态量进行数模(digital /analog, D /A)转换后通过模拟量接口发送给实际控制器，完成与控制器的实时交互，使控制器等同于连接到实际的装置上开关暂态过程的计算则通过基于X C2 5200的FPGA板实现，其计算结果一方面与DSP仿真板进行交互，另一方面可以通过一块高速D/A板(转换速度为40 ns)将开关过程中的电压、电流信号转为模拟量输出，获得直观的显示其中，每块FPGA可以实现2个IGCT桥臂的实时计算，并且仿真步长可以达到40 ns4结论 大功率电力电子装置具有复杂的动态过程，孤立的对某个动态过程进行仿真无法实现全面的装置特性分机将大功率电力电子装置的动态过程分为电磁暂态过程开关暂态过程和热动态过程等3个交互的过程，可以对此3个过程进行交互的混合实时仿真基于分段插值拟合的IGCT功能模型十分适合于实时计算，并且可以用FPGA实时实现在此基础上采用DSPFPGA实现了混合实时数字仿真平台，针对士50 Mvar STATCOM工程的仿真应用实例结果表明，通过交互的混合仿真，可以准确反映装置的各方面整体性能。3.电力电子系统实时仿真综合平台及设计方法（研究现状） 以电力电子器件为基础的柔性交流输电系统(FACTS )技术作为实现输电网参数和变量的柔性化控制的有效手段，近20年来得到广泛研究和应用。实时仿真是电力系统进行试验研究、规划设计、调度运行和状态安全评估的重要工具。现有的电力系统实时仿真平台可分为机电暂态和电磁暂态过程仿真。机电暂态仿真的步长一般在毫秒级，典型步长为10 ms，电磁暂态仿真的步长一般在微秒级，典型步长为50us。但由于仿真步长及接口，众多仿真软件无法对含有FACTS控制器的复杂电力系统进行动态性能研究，利用实时数字仿真系统RTDS ( Real Time Digital Simulator)组建了风力发电开发测试平台，仿真步长50 p,s，可对多组控制器进行控制测试。但RTDS主要是而向整个电力系统的仿真，且价格昂贵。目前FACTS控制器和电力驱动的开发测试，通常先进行离线仿真以验证算法，然后通过数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)等嵌入式控制器实现复杂算法的实时控制5-14随着电力电子的发展和控制数字化的实现，课程重构也使现有的实验教学方法而临新的改革，构建快速开发实验平台是一种有效的方法。 dSPACE平台作为国际上通用的快速控制原型RCP ( Rapid Control Prototype)和硬件在回路仿真HILS (Hardware-In-the-Loop Simulation)标准开发测试平台，在航空航天、工业控制、汽车等领域得到广泛应用，目前只有少数院校在此平台上进行电力系统的相关研究。本文研制的实时仿真综合平台，以dSPACE平台为核心，通过建立实时仿真模型和设计模块化体系结构，实现对中小功率电力电子和电力驱动控制系统的实时仿真和快速开发，仿真步长可设20 us，满足电力电子器件对速度的要求。平台为核心，采用模块化结构设计，分为硬件结构和软件结构两大部分。图1 实时仿真平台总体结构框图5.面向微电网分布式实时仿真关键技术研究（研究意义） 实时仿真是电力系统进行试验研究、规划设计、状态评估的重要工具。与离线仿真相比，实时仿真能够大大提高仿真效率，减少测试时间;同时实时仿真还能够接入实际装置，实现半实物仿真，其仿真结果具有更高的可信性。因此在快速控制原型、实时监测分析、极限工况测试等工程应用上，实时仿真具有无可比拟的优势，被广泛学者们采用。 电压源换流器是连接交直流系统、连接微电网与大电网间的重要接口，是电能控制的基本单元。换流器装置的控制优劣将决定微电网系统控制的品质。近年来，电力电子器件技术不断发展，IGBT等可关断器件被广泛运用在换流器中，同时其开关频率向着高频化方向发展。对于电压源换流器实时仿真技术的要求也相应提高。传统电力仿真软件:如EMTP系列、PSCAD, NETOMAC以及PSS/E, BPA等设计之初都是基于传统电力系统分析的。新型仿真带来了高速计算、非线性求解、被仿真系统的刚性、灵活的建模、大量输入输出信号处理等要求，使得传统的电力系统仿真平台逐渐难以适应微电网换流器控制仿真的需求，因此有必要开发一个新的实时仿真平台。 本文的研究工作正是为了解决面向微电网等新型系统实时仿真中出现的高速、非线性、刚性等问题，旨在构建一个适用于微电网的基于FPGA, PC协同仿真的实时仿真平台。（研究现状）2国内外研究现状及发展趋势2. 1电力系统实时仿真技术发展现状 电力系统实时仿真方法分为原型物理样机模拟、数字模拟混合实时仿真和全数字实时仿真。三种仿真手段各具优势在研究中起着不同的作用。 原型物理样机仿真是通过构建原型物理样机的方式，搭建与实际装置结构相同而容量缩小的装置的方式来进行仿真的。其仿真系统接近实际装置，类似于电力系统动模试验室，能够开展实时仿真。但是原型物理样机平台的搭建需要很长的开发周期和较高的成本，难以对仿真系统进行元件参数的调整，在开展极端工况测试时还具有危险性。且由于缩小的物理模拟在某些情况下也不能够反映实际系统的参数，因此大大限制了该方法的应用。 数字模拟混合实时仿真是将现有电力系统装置中难以建模的部分采用原型模拟仿真，而建模容易部分采用数字仿真机仿真，两者通过数模混合实时接口连接形成完整仿真系统。该方法可以实现数字仿真和原型模拟仿真的优势互补。但是，模拟仿真器与实时数字仿真器之间能量与信号的交换和接口问题是该方法的主要限制，目前的主要研究偏重于对电力系统级的保护和控制。 全数字实时仿真是采用计算机、微处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器件等数字仿真器来模拟电力系统的研究方法2z。具有投资小、受硬件条件约束少、系统仿真模型易于扩充，各种元件参数容易调节、可模拟各种极端和复杂运行环境和工作条件下的系统动态行为等特点而获得广泛应用24。这是实物动态模拟仿真所不具备的优势。其中实时数字仿真可以将实际被控对象通过数字模型仿真实现，同时与实际控制器实时交互，从而实现闭环测试，也称为硬件在环仿真(Hardware-in-loop Simulation,HIL Simulation)。 随着计算机技术的发展，越来越多的人致力于实时数字仿真系统的研究中。实时数字仿真系统通用性越来越强、功能越来越灵活，逐渐取代了其他实时仿真技术成为实时仿真平台发展的潮流。而PC-Cluster, DSP, FPGA等高性能处理器被广泛运用到实时仿真平台的设计中且各具优势，基于跨平台协作架构的分布式仿真是实时仿真平台拓展的解决途径。 目前，西方一些发达国家己经研制出基于分布式系统的实时半实物仿真开发平台，如RTDS、RT-LAB、dSPACE等。 RTDS是加拿大RTDS公司开发的一种专门用于研究电力系统中电磁暂态现象的仿真装置，全称为实时数字仿真仪(Real Time Digital Simulator。目前，RTDS己广泛应用于国内外电力企业和研究机构。RTD S由硬件和软件系统组合而成。RTDS的硬件主要由GPC, RPC, 3PC和TPC等运算板卡和配套的输入输出板卡并行构成racks o RTDS仿真装置支持电力系统行业最权威的元件模块库PSCAD，且含有丰富的控制模型，用户能够通过连接现有的元件模块而组建起电力系统的回路和相关的控制回路。采用用户友好的图像设计界面进行电力系统模型搭建。然而，RTD S仿真引擎的设计初衷是针对于传统大电网实时仿真的，对于系统低频特性的仿真效果较好，但对于换流器等高频特性电路的仿真效果不甚理想。近年来RTD S推出了针对高频器件的小步长仿真库，比较适用于小规模高速实时仿真研究。 OPAL-RT公司是在基于PC-Cluster与FPGA实时仿真领域的领导厂商，该公司始终致力于半实物仿真技术的研究，在高频电力电子仿真和分布式实时仿真上有着较领的技术。Opal-RT公司推出的一套工业级的半实物仿真软件和仿真器RT-LAB ,可利用MATLAB/Simulink建立的系统模型，使用Embedded Coder(原RTW)工具生成实时代码，应用于实时仿真、控制、测试等领域。此外RT-LAB还推出了RT-XSG作为一个系统级建模工具能帮助测试或软件工程师快速进行FPGA上高速IO接口及协计算处理器的设计。RT-LAB仿真平台是高实时性、分布式计算、丰富I/O接口的半实物仿真平台，但是整个系统的价格十分昂贵，并且对硬件系统的支持也相对有限，只支持其自主开发的实时仿真机和FPGA板卡。 dSPACE是由德国的dSPACE公司开发的一套基于MATLAB/Simulink的实时半实物仿真系统，它能够实现与MATLAB/Simulink/Embedded Coder之间无缝连接。dSPACE包含软硬件两个部分，软件系统能够代码自动生成、具备下载、试验和调试等环境。硬件系统主要为高速计算能力的处理器如PowerPC，一定数量I/O板。但是dSPACE平台主要针对于快速控制原型的开发，在电力系统仿真的处理能力上较为薄弱，往往需要配合RTD S等仿真平台才能进行实时仿真。 此外，还有许多国外的科研团队在从事电力系统实时仿真研究。如加拿大Venkata Dinavahi, Reza Iravani等，致力于电磁暂态、电力电子实时仿真和控制的研究以及电力系统动态控制实时仿真研究。他们指出FPGA具有强大的高速电力系统实时仿真处理能力，能够将仿真步长带到us以下，甚至几百ns。 又如美国的Roy Crosbie，致力于超高速电力实时仿真技术、船舶电力的实时多速率仿真研究，他指出基于跨平台协作的实时多速率仿真具有前景，是未来电力实时仿真发展的趋势。 国内在实时半实物仿真平台方面研究领域起步较晚。90年代初，我国也开始从事分布式交互仿真以及虚拟现实等先进的半实物仿真技术，为大规模的复杂的系统仿真提供有力的技术支持。1995年，国内先后推出“银河”并行仿真工作站与“海鹰”实时仿真工作站，提高了全数字仿真机的性价比。但主要应用方向是飞行器制导方面，不能适应电力系统高速实时仿真的要求。因此国内大型科研院所和科研团队几乎都是使用国外公司的整套产品，价格十分昂贵，较少有团队自主研发实时半实物仿真平台。微电网中还包含了大量的电力电子装置，为了提高系统的控制性能，消除谐波，往往采用尽可能高的开关频率。因此在微电网的实时仿真中，以下问题就变得更为突出和关键。 1.电力电子电路的非线性 由于微电网中采用了大量电力电子器件，这些器件的开关效应造成了电力电子电路非线性特性。电力电子器件开关的变换造成了电路拓扑结构的变换，导致了电路状态方程的变化。此外，其他组成元件的非线性特性、控制系统的非线性和负荷的非线性也是电力电子电路非线性的来源。这就使得微电网电路仿真模型是一个强非线性时变系统。如何采用合适的求解方法是一个难题。 2.系统模型的刚性 微电网中含有大量的现代电力电子装置，当然也包含了传统的控制与保护装置。对于传统控制保护装置的仿真属于机电暂态仿真，仿真步长在10ms量级，对于现代电力电子装置的仿真属于电磁暂态仿真，典型的仿真步长为50us，甚至达到us以下。这就造成了微电网仿真的动态时间尺度很长，相差了若干个数量级。在系统仿真学中，这种快过程和慢过程混合，且时间常数相差非常大的系统成为刚性(Stiff)系统或病态系统。而电力电子电路开关过程则进一步导致了此类刚性方程组求解的困难。为求解刚性方程组往往采用特殊的解法，例如刚性稳定变步长法、时域分割法。但是对于实时仿真来说，变步长法难以实现。 3.器件的高频特点 随着电力电子器件技术的发展，器件的开关频率将不断提高。采用高频开关能够减少电力谐波，提高电能转换质量。在航空航天、自动化、船舶电力等领域，可关断器件的开关频率达到了几十千赫兹到上百千赫兹。为了满足仿真精度，计算含有高频开关的电路模型需要更小的仿真步长，这就对数字实时仿真系统的计算能力提出了更高的要求。2. 3高性能实时协同仿真发展趋势 面向换流器等非线性、高频特性的高速电力系统仿真计算是电网仿真的研究热点。随着电子技术的发展，FPGA, DSP等芯片的处理能力不断提升，复杂电力系统的实时仿真变为可能。 当前FPGA, DSP, PC都被用于电力系统的实时仿真且各具优势和劣势。 FPGA具有强大的并行处理能力，能够处理大量的I/O信号，且能够开展高速并行计算，系统复杂性的增加是以逻辑资源占用的增加为代价的，即可实现以面积换取速度，缩小仿真步长、提高仿真实时性的目的。当前采用FPGA可以做到步长在几百纳秒到几微秒的电力电子电路实时仿真。当然采用FPGA作为解算单元也存在着系统建模不灵活、开发周期长的弊端，对于不同电力系统的控制设备在FPGA上进行建模仿真将耗费大量的开发周期。 PC具有成熟的电力系统、控制系统建模库和建模环境，如Matlab/Simulink软件为电力系统控制器及算法的建模提供了丰富的模型库，并且采用图形化编程方式，容易对电力系统进行建模。同时PC上有方便的实时代码生成方法，通过Embedded Coder(RTW)工具箱能够自动生成实时代码，这对于系统模型的调整修改带来了便利。目前PC的实时仿真步长的典型步长为50us左右，最低10us。 DSP具有较强的数字信号处理能力，同时包含有专门的PWM事件管理器，适合于进行PWM等控制算法的实时仿真，仿真步长可以达到2s。但是，同FPGA一样，在DSP上进行实时仿真平台开发的周期较长，没有支持的仿真模型库，结果的记录不如PC方便。 因此如何充分利用各种仿真处理器的优势，搭建一个实时多速率协同仿真平台是当前实时仿真技术发展的趋势，并且是一项十分有意义的工作。6. 高压变频器的仿真与分析（研究背景）1.变频器的发展历史及动态 随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，电力半导体器件和微处理器的性能不断提高，变频驱动技术也得到了显著发展。由于各种复杂控制技术在变频器技术中的应用，使变频器的性能不断得到提高，而且应用范围也越来越广。目前变频器不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用，而且几乎已经扩展到了工业生产的所有领域。此外，在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛应用。 变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电力电子技术、微电子技术和计算机技术之上，并随着这些基础技术的发展而不断得到发展。交流变频调速技术发展至今已有30多年的历史，由低压变频器构成的交流调速系统，因其技术上的不断创新，使系统在性能上不断地完善，并在电气传动调速领域挑战直流调速系统，因此在电气传动领域得以广泛的应用。高压变频技术在发达国家技术己基本成熟，随着新的电力电子器件的不断出现，新的技术层出不穷，使其得以广泛的推广应用。在大功率调速领域采用交流变频调速系统已成为高压电气传动调速领域的发展趋势。这是因为高压大功率(这里的高压泛指3 kV , 6 kV , 10 kV三个电压等级，大功率是指315kW以上)交流调速系统无论是在性能上，还是在价格上都优于直流系统。高压变频技术的迅速发展是建立在电力电子技术的创新和电力电子器件及材料的开发及制造工艺水平提高基础之上的，尤其是在高压大容量GTO, IGBT, IGCT器件的开发成功，促进了高压大功率变频技术得以迅速发展，使得高压变频技术日趋完善。2.变频器技术的节能作用 目前我国电动机的总装机容量已达4亿多kW，年耗电量达600700亿kWh，约占全国总用电量的60%，其中蕴藏着极大的节能潜力。因此得到了有关部门的高度重视，并制订了相应的“电机系统节能计划”。据了解，今后10年内推广电机系统节能目标约为1 000亿kWh，所需的改造投资约500亿元人民币。 在我国火力发电厂中，厂用电约占发电量的4%-7%，厂用电负荷中约有一半以上为电动机负荷。由于电动机选型时各种裕量考虑较大，选型容量普遍偏大，大马拉小车，致使厂用电系统的能源效率偏低。随着市场经济的发展，机组调峰量逐年增加，电动机低负荷运行时间也在不断增加，从而进一步降低了电动机的运行效率。如果采用大功率的高压变频器对火力发电厂厂用电系统中的高压电机进行改造，则这一状况必将得到改观。 目前的风机和水泵等流体机械大都采用交流电动机全速驱动，风量的调节靠挡板，水流量的调节靠阀门，这样不仅浪费大量的电能，还增加了管道压力损失。由于流体机械的转矩正比于转速的平方，负载所消耗的能量正比于转速的三次方，当流体机械在低速运行时，负载只需要很小的转矩，消耗的电能也非常少。所以对于一些需要经常调节的流体机械，通过变频器调速，可以得到显著的节能效果。实践证明，改用交流电机变频调速装置后，在流体机械出力不变的情况下，可节约电能20%-30%，同时也解决了管道压力损失等问题。 另外，有统计资料表明，大约10%的电动机故障是由于启动时的大电流以及对绕组的过大电磁力引起的。通过对交流电动机电源的变频改造可以改善电机的启动性能，从而延长电动机的使用寿命，降低企业的生产成本。这些都为交流电动机调速节能系统及大功率高电压变频器的发展提供了良好的契机。因此，对变频调速系统进行深入研究，进而加快高压变频器技术的推广和应用将是一件很有意义的工作。 近年来，以电力电子器件为基础的电气传动技术发展很快，从而为电机变频调速系统的开发和研制提供了先进的物质基础，给工业、民用业带来了无限的生机和活力，给国家节约了大量的能源，而且减少了环境污染。 国际上自80年代变频调速器取得技术突破后，在许多领域得到广泛应用。比较有名的厂家主要有美国的罗宾康(ROBICON)公司、罗克韦尔(ROCKWELL)自动化AB公司、GE公司，德国的西门子(SIEMENS)公司，瑞士的ABB公司及法国AISTOM公司等。由于电力电子技术的迅速发展，新的电力电子器件的出现以及现代控制理论方法在调速控制系统中的应用，变频器仍处于不断完善中。我国电机驱动系统的能源利用率非常低，在电机能耗中，高压电机的能耗超过了70%，因而电机的节能得到了政府和企业的广泛关注。在电机领域，一些发达国家采用变频调速率己高达70%，而中国只有10%左右。因此，高压变频器市场发展前景十分广阔。（研究意义）.2计算机仿真的意义 所谓仿真(simulation)指的是利用模型再现实际系统中发生的本质过程，并且通过上述模型的试验来研究已存在的或计划中的系统。换句话说，仿真就是利用模型对实际系统进行实验研究的过程。 物理仿真是一个广为人知的方法，它是利用缩小的物理模型对系统进行试验，例如研究电力系统的动态过程时，往往利用由缩小了容量的同步电机、异步电机、变压器、电感、电容等组成的一个模拟系统作为其模型，然后在这个系统上设置各种运行条件和故障进行分析研究。但是在上述物理仿真方法中存在两个问题：一是系统的建立涉及到设备购置、安装、接线与调试工作，需耗费大量的人力物力；二是实践中有时由于条件限制很难或不可能进行某种具体试验，比如为了保证核电站的运行安全，通常需要对操作人员进行处理各种不可预料行为的培训，但实践中不可能建立一个相应的物理系统来进行模拟。随着计算机技术的发展，可以利用计算机在虚拟域中建立对象系统的软件模型，并据此对实际系统进行仿真。此时由于系统的建模与试验均是借助软件进行，从而可以有效地解决上述问题，因此计算机仿真在对实际系统的设计研究过程中往往起着十分重要的作用，成为设计研究工作中不可或缺的步骤，因而得到日益广泛的关注。在美国1992年推出的22项国家关键技术报告中，计算机仿真被列为第16项;而在1993年推出的21项国防关键技术报告中，计算机仿真被列为第6项。 在我国，计算机仿真技术也正越来越受到人们的重视，仿真技术的应用领域正在逐步由以前的航空、航天、核物理逐步扩展到社会的其它领域。特别是近年来，在一些国外对华贷款项目中明确规定，必须对项目设计先进行仿真试验，在取得满意的仿真结果后才能对项目开工进行投资，这在一定程度上也促进了我国有关部门对开展仿真应用的进一步认识。目前许多单位正在建立或准备建立仿真中心或仿真试验室。由此可见，在21世纪大力推进和发展计算机仿真技术在科研、设计等领域的应用，对于我国国民经济的发展将起到重要的作用。 根据上述定义，计算机仿真可以分为两个过程:建模与实验。所谓建模，就是根据研究对象的基本物理规律，对物理系统写出其运动规律的数学方程，即数学模型的过程。在建模过程中，数学模型代表的数学系统是实际系统在概念轴上的投影;建模的本质在于将所研究的系统投影到适当的概念轴上。换句话说，所建立的数学模型，实际上只是根据研究目的确定的模型，是对系统某一方面本质属性的抽象描述。所谓实验就是利用模型对系统方程进行求解。对于数学仿真而言，其过程就是利用适当的程序语言将所研究的物理系统的数学模型编制成程序，并向其输入不同的条件进行计算的过程。 目前在电力电子设计领域使用的仿真软件大体可以分为以下几类：一类是通用电路仿真软件，例如Spice, SABE等；另一类是专用仿真软件，例如电力系统仿真软件EMTP和控制系统仿真软MATLIB等;第三类是专门为电力电子系统设计的仿真软件，例如为开关电源设计用的SIMPLIS等。 电路与系统的计算机仿真在电力电子技术的应用研究和产品开发中占有重要的地位，它可以降低对硬件面包板接线的依赖程度，降低造价;同时可以提供许多从硬件中难以得到的信息，加深工程师对电路与系统工作原理的理解，加速电路的设计和理论的完善，它能帮助生产企业提高自身开发的水平，改善产品性能并有效地缩短产品更新换代的周期。 总之，利用计算机仿真的方法设计电力电子电路，可以提高设计工作的效率和质量。此时设计者可以将精力集中在设计而不是各种计算上，并且可以在硬件没有建立之前对系统进行研究、优化和对设计进行验证，进而为搭建成的硬件系统的试验与测试提供指导和帮助。当然研究人员也应当清楚地了解运用各种仿真工具进行设计的局限性，避免导致错误的推断与设计。8. 大功率电力电子装置实时仿真的研究进展（研究现状及意义） 近年来，大功率电力电子技术在各工业领域中正起到越来越重要的作用。例如，柔性交流输配电系统(FACTS)以及自流输电系统(HVDC)正在成为新兴的输电系统技术可以大幅增加系统的可控性、灵活性和扩大输送容量；在配电侧，用户电能质量技术在防止非线性负荷对电网的污染以及为敏感负荷提供高质量电能等方而起着越来越重要的作用；在电力传动方而，以逆变器为核心的高压变频调速技术的各种优势，及其所带来的各种巨大效益已经成为广泛的共识；另外，大功率电力电子技术也必将在清洁能源和可再生能源的利用与传输上起到主导作用。 上述的各种应用场介一般都是十分关键的输电线路或工业负荷，装置容量大(例如FACTS装置的容量通常在几十MVA到上百MVA)，且必须长期处于运转状态。这些应用对大功率电力电子装置的高性能化和可靠性都有着极高的要求，但客观情况不可能也不允许在设备投运前进行详尽的现场试验。另一方而，大功率电力电子领域是一个正小断发展和新技术层出不穷的领域，技术成熟度很可能有所欠缺。所以仿真对于大功率电力电子装置的研究非常重要。 在电力电子研究领域中，常用的离线数字仿真工具主要包括PSCAD/EMTDC.、 Spice、Saber和Simplorer等工具。EMTDC(Electro-Magnetic Transient in DC system)是PSCAD/EMTDC的核心电磁暂态仿真程序，既能够研究交自流电力系统问题，也能够用于实现电力电子系统仿真，一般用于电力电子的装置级和系统级仿真。Pspice.、Saber和Simplorer等则具有详细的器件模型和灵活的建模方法，一般用于细化到器件的微秒级电磁暂态过程仿真。例如，Saber在结构上采用硬件描述语言和单内核混介仿真方案，仿真模型可以自接用数学公式和控制关系表达式来描述，可以对复杂的混介系统进行精确的仿真。 虽然离线的电磁暂态仿真软件在系统的研究、分析和设计中可以发挥积极的作用，但是为了保证实际装置的可行性及可靠性，在实施新的技术和重大工程项目时，事先对实际的功率回路及控制保护系统进行详尽的物理测试是必小可少的步骤。对于控制和保护系统来说，实时仿真是验证新技术、新思想和新设备有效性的最为关键和重要的步骤。 高频开关特性和离散连续混介的复杂变流拓扑结构是大功率电力电子装置的主要特点，也是影响实时仿真的速度和精度的主要因素。本文首先介绍了目前大功率电力电子装置的主要实时仿真手段，指出发展专门的大功率电力电子全数字实时仿真技术的必要性。进一步，对目前大功率电力电子实时数字仿真技术的研究现状及其发展方向进行了综述和讨论。9.大功率电力电子装置实时仿真的研究进展（研究意义）1.大功率电力电子装置的实时仿真手段 从大功率电力电子技术的发展方向来看，开关频率的提高和多电平变流拓扑结构是二个最为重要的趋势。功率半导体技术的发展使基于可关断器件的自换相变流器逐渐取代基于可控硅的负荷换相变流器，而且开关频率也可以达到几千赫兹。同时，为了实现更高的电压和功率等级以及更好的性能，多电平变流器技术的已经成为必然选择。在大型的多电平变流器中，开关器件可能达到数百个，并同时含有大量的电抗、电容和变压器等连续性器件，拓扑结构和系统模型十分复杂。实时性和精确性是对实时仿真器的基本要求，变流器的高频开关特性、拓扑结构和控制技术的复杂化都给大功率电力电子装置的实时仿真，尤其是全数字的实时仿真带来了较大的困难。 在实时仿真的研究目标方而，与电网级的实时仿真研究小同，大功率电力电子系统的实时仿真研究的对象主要包括以下几个方而: (1)变流器的PWM控制 包括多电平脉冲宽度调制(PWM)策略的验证，以及多电平变流器的性能优化控制策略的研究，如直流电压平衡控制策略等; (2)装置级的动态控制策略 这主要指接入电力系统后的对装置输出的动态控制算法，例如静止无功发生器(STATCOM)的动态无功控制算法等; (3)系统级的控制策略 以电力系统暂态稳定、潮流控制等为目标的FACTS控制算法 (4)异常或故障情况下的保护和控制策略 这包括电力系统故障(如短路、严重不对称等)引起的扰动情况下装置的控制与保护方法;或者电力电子装置内部故障的控制和保护策略。目前大功率电力电子装置实时仿真研究的主要手段包括原型物理样机模拟、数模混介实时仿真和全数字实时仿真等。（研究现状）1.1原型物理样机模拟 构建原型物理样机一自是目前大功率电力电子领域中的一个主要研究和验证手段目前。原型物理样机与实际装置结构相同而容量缩小，这与电力系统的动模试验室类似，可以看作是一种电力电子的动模装置，都属于模拟的实时仿真手段。 在我国首个20Mvar STATCOM的项目实施过程中，先后建立了l0kvar和300kvar的小功率原型样机；正在实施的50Mvar链式STATCOM中，也建立了与实际装置拓扑结构相同的30kvar链式STATCOM原型样机，并对实际的控制和保护系统进行了大量的研究和测试工作，如链式逆变器的优化PWM控制算法、自流电压平衡控制、动态无功控制算法和电压稳定控制策略。 但是原型物理样机的建立需要很长的时间周期和比较高的成本，并且十分缺乏灵活性，每项研究或工程都必须重新建立样机；为了研究与电力系统之间的交互行为，在很多情况下还需要将原型样机模型置于电力系统动态模拟试验室中才能够系统的进行物理测试，缩小的物理模型也并小能总是准确的反映实际系统的参数。尤其是在当前变流器的拓扑结构更为复杂的情况下，原型样机方法的难度将更为增加。这些都极大的制约了原型物理样机模拟试验方法的应用。1.2数模混合实时仿真 在数模混合实时仿真中，复杂电力电子装置采用原型模拟仿真系统实现，而发电机模型、输电线路模型、变压器模型等则采用实时数字仿真系统实现(如RTDS)，并通过数模混合实时接口将模拟和数字两个子系统结合起来。数模混合方式的提出主要是由于现有的电力系统实时数字仿真计算工具无法采用太小的步长，在处理电力电子装置的高频开关特性时有较大的限制，所以希望对电力电子装置采用模拟的仿真器，而其它的部分则采用数字仿真方式，这样可以使数字仿真和物理模拟达到优势互补的效果。 但是，电力电子装置的原型模拟仿真系统仍存在前而所述的种种限制，而且还存在着模拟仿真器与实时数字仿真器之间能量与信号的交换和接口问题。事实上，目前所用的数模混合实时仿真系统都是偏重于对电力系统级的保护和控制的研究，而并非是针对电力电子装置内部的研究。1.3全数字实时仿真随着微处理器技术、数字信号处理技术和并行计算等技术的发展，采用数字信号处理器(DSP)等高速微处理器和并行方法的实时数字仿真已经成为航天、电力系统、电动汽车等领域中一项重要的技术。实时数字仿真的特色在于可以硬件在线闭环测试(Hardware-in-the-Loop ， HIL)，就是将实际被控系统用数字模型实现，并与实际控制器实时交互，这样控制器就等同于连接到实际应用环境中，从而实现在各种参数和运行条件下的详细闭环测试，并具有灵活性好，准确度高，周期短和体积小等优点。 在电网级的实时数字仿真研究中，加拿大开发的电力系统实时数字仿真器RTDS(Real Time Digital Simulator)就是这方而的优秀代表，另外还包括加拿大TEQSM公司研制的HYPERSIM+Z，法国电力公司开发的实时仿真器ARENE等。 但是与而向电力系统研究的实时仿真器相比，复杂电力电子实时仿真技术而临新的困难和问题。首先，虽然现有的RTDS等电力系统电磁暂态计算工具都在尝试自上而下(即自“电网”至“电力电子装置”)的将大功率电力电子装置的实时仿真包含进去。但是传统电网主要是呈现低频和连续特性，这些实时仿真系统也都是根据这些特点而进行的电磁暂态和机电暂态建模及计算，这个建模及计算方法框架对呈现高频开关离散特性的电力电子系统并不适合。其次，电网级实时仿真的主要研究目标是暂态稳定和继电保护等问题，而电力电子装置实时仿真的主要研究目标是变流器底层PWM控制、装置级的动态控制策略、以及系统异常或装置故障时的保护控制策略，二者研究目标并小再一个层而上。使用现有的电网级实时仿真系统对电力电子装置进行实时仿真研究将付出很大的代价，而且也很难做到十分精细的仿真。图1大功率电力电子实时数字仿真系统框图 因此，针对大功率电力电子系统的特点，研究专门的大功率电力电子装置实时仿真技术，将在成本和性能上都将更具有优势。图1所示为电力电子装置实时数字仿真交互测试的实现框图。2.大功率电力电子装置实时数字仿真的研究进展 如前所述，复杂电力电子系统同时含有大量的功率开关等离散性器件和电抗、电容及变压器等连续性器件，拓扑结构和系统模型十分复杂。如果考虑到各种吸收电路及杂散参数，模型将更为复杂。同时，无论是采用节点法或状态空间法，高频的开关动作还都带来计算模型的频繁时变，使仿真计算过程中必须对计算方程进行更新，从而带来更多的计算负担，影响计算的实时性。将离散化的开关器件与传统的连续性器件分离开进行建模，并进行混介计算，这将是解决或简化高频开关带来的模型时变性及计算复杂度高和计算误差大等问题的新途径，但是对于其在复杂的电力电子装置中的具体应用方式及性能还需要更深入细致的研究。在高频开关所代表的离散电路部分与连续电路部分分离建模计算方而，重点应是研究开关器件的模型替代方法，以及离散模型和连续模型之间的边界选取，使时变性问题得到简化，计算复杂度降低。在离散电路计算模型与连续电路计算模型混介计算方而，重点应是研究离散模型和连续模型之间的双向等值模型与交接变量选取与交互策略，及混合计算的控制机制问题。3.针对复杂电力电子系统的并行计算技术对于大型的复杂变流器拓扑结构，单纯简化模型或改进串行算法，仍难以达到快速、详细的实时仿真目的。因此高效的针对复杂电力电子系统特点的并行算法必将成为大功率电力电子装置实时仿真计算的关键。并行计算在电力系统仿真计算方而已得到广范采用针对于输电线上电磁波传播延时的分析，学者们已经提出了长输电线解祸的电磁暂态并行算法，这种算法广泛应用于现有的实时仿真系统；J.R.Marti的研究小组将区域分解与多端口戴维南等值的概念相结合，提出了多区域戴维南等值并行算法；在国内，电科院的研究人员发展了J.R.Marti等人的思想，提出分层并行策略。相对而言，针对复杂电力电子系统特点的并行算法研究却仍有较大欠缺。在模型空间方而，复杂拓扑结构使系统节点数目大大增加；在计算时间方面，高频开关动作引起方程重构带来大量额外的计算量。所以，对于仿真时步范围内引入多个高频开关事件情况下或者在混合计算模型中多种时步并存时，应研究如何从时间和空间等多方面构造并行算法，即时间一空间联合并行算法，并从计算模型、时间和空间多方面综合考虑并行计算任务划分策略。这是一个有待深入研究的课题。（研究意义）4. 结论 大功率电力电子技术在各工业领域正起着越来越重要的作用，由于容量大且重要性高，事先对实际的装置进行详尽的物理测试研究十分必要，而全数字的实时仿真发展是必然的趋势。电力电子变流器的高频开关特性和复杂拓扑结构使现有实时数字仿真系统很难满足实时仿真要求，建立专门的大功率电力电子装置实时仿真技术显得十分必要。 本文介绍了大功率电力电子装置实时数字仿真方面的一些最新研究进展。建立复杂电力电子系统的离散一连续分离建模和混合计算理论，通过可信的仿真控制机制为实时交互准确度提供可靠保障，通过优化的任务划分策略和并行计算最大程度地加速仿真计算进程，将是解决大功率电力电子装置的实时计算问题的主要研究方向。10变压器隔离全桥开关变换器的建模与应用技术研究（研究背景） 电源技术发展到今天，己融汇了电子、功率集成、自动控制、材料、传感、计算机、电磁兼容、热工等诸多技术领域的精华，已从学科交叉的边缘学科成长为独树一帜的功率电子学。 电源技术当前研究热点是开关变换器的拓扑结构、建模技术及其控制方法。在开关变换器的拓扑结构的研究领域，不断有新的研究成果，全桥结构、半桥结构、软开关结构等，对开关元件的换流过程的分析日趋精确。电源技术的另一个研究热点是建模问题，无任是在工程技术和自然科学领域，还是在社会科学领域，分析系统、建立系统模型是研究者经常需要面临的问题。通过模型的建立，研究者可深入了解系统的行为特征、运行机理，对系统进行仿真和预测，或者对某种模式识别和作出某种决策。当面向一个具有高度非线性、不确定性、多因素