[01040937]大容量电力电子变换系统电磁瞬态分析技术及应用

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，如基于开关器件的安全工作区、瞬态换流回路、线路中杂散参数、脉冲瞬态过程、di/dt和dv/dt的影响、开关损耗以及散热冷却等，这些问题常使得器件和装置突然失效，它们是大容量变换器研制和应用中最大的瓶颈问题，而系统电磁瞬态分析技术及应用是解决这些问题的关键.清华大学电机系从2000年开始，进行了长达12年的大容量电力电子变换系统的基础理论和关键技术研究，从系统拓扑仿真研究，到原理样机的研制，直到系列化产品的设计，取得了一系列具有自主知识产权的创新成果.特别是从2007年开始与浙江大学共同申请、承担、并以优秀结题完成了国家自然科学基金重点资助项目 "大容量特种高性能电力电子系统理论与关键技术研究" (50737002)，在大容量电力电子变换系统理论和实践上取得了重要进展.该技术成果"大容量电力电子变换系统电磁瞬态分析技术及应用"，主要包括了大容量电力电子技术中的4个方面的关键技术，即大容量开关器件的瞬态建模与应用特性分析技术、面向高压大容量的变换器拓扑分析技术、大容量变换器的主电路脉冲调制技术和大容量变换器中的高性能闭环控制技术.该研究成果系统地建立了一套有效的大容量电力电子变换系统电磁瞬态分析技术，解决或解释了许多国际电力电子领域所遇到的难题和瓶颈问题，对大容量电力电子变换系统的研究和发展具有重要的理论意义和实用价值.回顾过去12年的研究工作，围绕上述4个方面的关键技术，主要研究内容如下所示: 大功率器件建模、应用特性与装置中其它元素之间的相互制约关系研究;建立基于器件特性的系统安全工作区;系统理论的实验验证.实现目标:建立了大功率器件应用特性与电力电子装置可靠性关系的系统理论.适用于暂态分析的大容量变换器换流拓扑回路模型;采用暂态分析模型，研究换流拓扑回路中的杂散参数对系统可靠性和运行性能的影响;换流拓扑回路中电磁能量变化规律研究;瞬态换流拓扑回路的优化设计理论和方法，用于实际变换器.实现目标:建立了一种新的拓扑回路研究分析方法，使得大容量变换器回路设计更加高效和程式化.研究分析大容量变换器中的短时间尺度脉冲功率现象;研究脉冲功率的发生、传播规律以及脉冲形态等属性，建立完整的电力电子脉冲功率数学描述;将脉冲功率传播与瞬态能量平衡问题有效地结合;建立一种基于脉冲功率及其序列的闭环控制方法，实现优化优化控制.实现目标:掌握了主电路功率瞬态过程及其电磁能量瞬态变化规律，用于系统底层调制控制性能提高. 建立全时域电磁瞬态过程的数学描述和理论体系;换流回路中各元器件的影响及其相互关系;针对不同时间常数的回路，确定和预测系统中的能量平衡关系;不同时间尺度下的变换器电磁能量变换特征.实现目标:建立一套能描述全时域电磁能量瞬态变化的理论框架和数学表述，提供底层理论依据.通过上述四个方面的研究工作，获得的主要创新成果如下: 1、建立了基于大功率器件的瞬态仿真模型和电力电子变换器的系统安全工作区;2、提出了考虑分布参数的大容量变换器瞬态换流回路拓扑分析方法及一体化的层叠母排结构;3、提出了基于主回路脉冲及其序列的大容量变换器调制技术;4、提出了基于瞬态电磁能量平衡的电力电子变换系统高动态性能控制技术.采用上述研究成果先后研制了350kW-5000kW/6kV系列高压大容量多电平变换器、15-315kW/400V系列高性能牵引变换器，以及5kW-160kW/400V系列高性能光伏并网逆变器.技术成果及产品的性能指标达到国内领先、国际先进水平.相关系列产品均已走向了国内外市场，功率开关器件瞬态模型用于国际著名电力电子分析软件PSIM之中，均取得了显著的经济效益和社会效益(直接经济效益达到数亿元).围绕该研究方向，先后发表相关学术论文212篇(SCI:23篇，EI:143篇)，出版编著5本，参与编著工程手册2本，获得国家发明专利21项，软件著作权5项.同时通过该项目的研究过程，促进了高校与企业之间产学研结合以及人才的培养，为多家企业培养出一大批从事大容量电力电子产品开发和设计人才.在清华大学和浙江大学均建起了相关的大容量电力电子研究和教学实验基地，12年来共培养出电力电子与电力传动学科领域博士17名(其中校级优秀博士论文6人)、硕士27名(其中校级优秀硕士论文4人).