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关键词： 实时仿真   FPGA资源   ADC建模   RON/ROFF建模   信噪比   字长   仿真步长   硬件在回路  

摘要： 随着电力电子系统开关频率越来越高,基于常规CPU处理器或数字信号处理器等传统仿真器难以满足高频、多开关电力电子系统实时仿真的精度要求。相比之下,FPGA(Field Programmable Gate Array)具有良好的并行数据处理能力、较高的时钟频率,优越的可重配置性和可扩展性,迅速成为电力电子系统实时仿真的首选。电力电子系统建模是影响硬件在回路(Hardware-in-the-loop,简称HIL)实时仿真系统性能的重要因素。由于传统建模方法难以高效地实现高频、多开关电力电子电路的实时仿真,需要提出建模改进方案。同时仿真精度与FPGA资源消耗之间的平衡也十分重要,其中变量字长、仿真步长对模型精度及FPGA资源消耗均有较大影响,但目前缺少详细的定量分析。因此,改进现有建模方法,定量选择满足建模精度要求的最小字长与最佳仿真步长以优化FPGA资源是多开关电力电子系统实时仿真领域的重要问题。本文详细研究、改进了ADC(Associated Discrete Circuit)建模方法与RON/ROFF建模方法,提出了基于信噪比概念的FPGA资源优化策略。本文具体完成了以下工作:(1)以基于LC滤波的三相逆变器为例,详细分析了ADC建模方法和RON/ROFF建模方法。对于ADC建模存在的开关震荡问题,提出了ADC参数优化方法提高模型精度。对于RON/ROFF建模变系统矩阵维数较大、占用过多FPGA资源的问题,提出了 RON/ROFF拆分建模法,并分别通过离线仿真验证了所提方法的正确性。最后详细比较了 ADC建模方法和RON/ROFF建模方法的特点及应用场合。(2)提出了基于信噪比概念的模型精度定量计算原理。首先介绍了量化误差和信噪比的基本概念,利用信噪比实现对模型精度的定量描述。结合电力电子变换器建模过程,分析了字长、量化误差与信噪比的关系,进一步推导了建模过程中的系数、信号和乘法运算的量化误差公式。为下一步提出实时仿真过程中FPGA资源优化策略奠定了理论基础。(3)提出了基于信噪比概念的FPGA资源优化策略。结合电力电子电路建模过程,将上文提到的信噪比计算推广至矩阵运算中,详细分析了仿真步长、离散化误差与信噪比的关系。通过定量计算字长、步长与模型精度的关系,旨在选择满足模型精度的最小字长与最佳步长来优化FPGA资源。以基于LC滤波的三相逆变器为例,分别将FPGA资源优化策略应用于ADC建模和RON/ROFF建模中,离线仿真结果证明了所提信噪比理论的正确性。(4)针对ADC建模和RON/ROFF建模两种方法,分别完成了基于LC滤波的三相逆变器HIL实时仿真实验,另外给出多开关TNPC(T-type Neutral Point Clamped)电路应用RON/ROFF建模及FPGA资源优化策略的HIL实时仿真实验案例。实验结果验证了 ADC参数优化方法和RON/ROFF拆分建模法的可行性,同时通过FPGA资源消耗的对比结果证明了所提基于信噪比概念的FPGA资源优化策略。

关键词： 极化库仑场散射   AlGaN/GaN电力电子器件   钝化   场板   AlGaN势垒层应变分布  

摘要： 电力电子器件(Power electronic device)也叫做功率器件,是一种对电能实现传输、控制和转换的器件,在电力电子技术及电力系统中居于至关重要的地位,在军工设备、汽车电子、家用电器、轨道交通及通信、信息系统中有着十分广泛的应用。到目前为止,电力电子器件主要使用半导体材料制备,经由微电子加工工艺制造而成。AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)在第三代半导体中备受青睐。基于GaN材料较大的禁带宽度(Eg),该类器件可获得良好的关态耐压特性。自发极化和压电极化效应在AlGaN/GaN界面形成大量极化正电荷,使得异质结量子阱中2DEG面密度非常高,显示了强大的电流处理能力和更高的载流子迁移率,并由此获得更低的特征开态电阻(RON·A)和更快的开关速度。此外,GaN材料良好的热导率及相对稳定的化学性质,使得AlGaN/GaN HEMTs具有较强的抗腐蚀和抗辐射能力,适合在高温等更多恶劣的环境中工作。对于传统工艺制备的电力电子器件来说,表面钝化与淀积场板已成为不可或缺的步骤,这些工艺步骤必然会对器件的势垒层应变产生影响,并进一步改变器件工作时的电学特性,为厘清器件钝化后的工作机理,必须得到钝化过程对沟道二维电子气的影响,以及器件在表面钝化后AlGaN势垒层中应变分布发生的变化。通常由高分辨率X射线衍射(high resolution X-ray diffraction,HRXRD)拉曼(Raman)光谱、光致发光(photoluminescence,PL)谱三种实验方法来确定GaN外延层应变,但是,由于AlGaN势垒层20 nm左右的超薄厚度,其内部确切的应变分布很难通过以上实验测试手段获取;尤其是HRXRD只能提供材料的某一层平面一定范围内应变的平均数值,对于制备后器件的电学特性和结构变化的表征无能为力,无法确定表面钝化后器件AlGaN势垒层中新的应变分布或沟道二维电子气面密度分布,这对于研究钝化后AlGaN/GaN HEMTs的工作机理是一个巨大瓶颈。因此到目前为止,对器件钝化后沟道二维电子气面密度分布及AlGaN势垒层应变分布的定量确定方法尚未见报道。极化库仑场散射(The polarization Coulomb field scattering,PCF)是一种对GaN基电子器件的输运特性起到关键影响作用的散射机制,深入研究极化库仑场散射对钝化及淀积场板后AlGaN/GaN电力电子器件性能的影响,并在此基础上进一步优化器件设计,提高器件性能具有很重要的意义,基于以上讨论,本论文着重进行了下列研究:1.一种确定AlGaN/GaN电力电子器件表面钝化后沟道二维电子气面密度分布方法的研究。对于AlGaN/GaN电力电子器件,势垒层中极化电荷对器件性能的影响至关重要,而极化效应是与势垒层应变直接相关的,器件势垒层的应变直接影响着沟道二维电子气的特性。然而,由于AlGaN势垒层的超薄厚度以及栅金属的阻挡作用,通过HRXRD等常规测试方法无法直接得到器件钝化后沟道二维电子气面密度的分布信息,因而非常有必要研究一种可以直接确定器件钝化后沟道二维电子气面密度分布的方法。极化库仑场散射源于势垒层应变分布不均匀,利用极化库仑场散射理论,结合器件的电学特性测试分析,可定量确定AlGaN/GaN电力电子器件表面钝化后沟道二维电子气面密度的分布。为此,制备了源漏间距100 μm,栅长为20 μm的AlGaN/GaN HEMTs,通过测试获得了器件钝化前后的电流-电压(I-V)特性,电容-电压(C-V)特性及漏电特性等,发现器件经过400 nm-Si3N4表面钝化后呈现了更为良好的电学性能,作为电力电子器件开态重要性能的特征开态电阻RON·A的数值在器件钝化后降低了12.7%,膝点电压也较钝化减小了 7.1%,显示了钝化后器件更好的电导特性。分别研究了器件钝化前后的漏电特性和转移特性等,确定了器件钝化后的极化库仑场散射势,根据实验数据提取的不同栅源偏压下的载流子低场迁移率以及极化库仑场散射理论模型,采用自洽迭代的方法求解了器件钝化前后AlGaN/GaN异质界面处附加极化电荷的分布,并且由此确定了器件钝化过程引入AlGaN势垒层的的应变类型,从数值上确定了器件表面钝化后沟道二维电子气的面密度分布。采用栅探针测试方法对器件的栅-源通道电阻Rs进行了测试,并通过将测试值与利用极化库仑场散射理论论得到的计算值进行比对,验证了上述利用极化库仑场散射理论确定器件钝化后沟道二维电子气面密度分布方法的正确性。2.表面钝化后AlGaN/GaN 电力电子器件势垒层应变分布的确定及器件性能变化的研究。为厘清AlGaN/GaN电力电子器件钝化前后电学特性的变化机理,获得一种对器件钝化后AlGaN势垒层中应变分布的定量分析方法十分必要。目前已知的X射线衍射(X

关键词： 互联网+教育   题库   微课  

摘要： 通过分析传统电力电子技术课程的特点,采用先进的信息技术开发课程教学资源,改革课程的教学内容及考核方式等,让先进技术进入课堂,通过移动终端延伸课堂教学.

关键词： 微电网   实时仿真   电力电子开关   现场可编程门阵列   响应匹配   节点分析法   延迟插入法   动态相量  

摘要： 随着电力电子技术的发展,各类电力电子设备成为现代电力系统中不可或缺的组成部分,它们在可再生能源发电、直流输配电、微电网等应用中扮演着重要角色。实时仿真技术作为电力电子及电力系统研究与测试的重要手段,可以有效提高控制保护系统的设计效率,降低硬件装置的试验成本,减少测试给电网带来的风险。然而,相比于传统电力系统的实时仿真,电力电子实时仿真仍存在诸多问题,严重影响其在科研和工程中的推广应用。首先是电力电子开关模型的精度问题,其次是基于现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)的电力电子实时仿真的规模问题。本文重点针对以上两个瓶颈问题进行了研究,取得了相应的研究成果,并搭建了通用电力电子实时仿真平台,对常见变流器、固态变压器和微电网等进行了实时仿真测试。具体研究内容如下:1)电力电子开关的实时仿真建模。实时仿真中的电力电子开关普遍采用L/C等效模型,该模型在开关频率大于5k Hz时,会出现功率损耗异常的现象,严重影响电力电子实时仿真的精度。针对这一问题,本文提出了一种电力电子开关的响应匹配建模方法,保留了L/C等效模型无需修改节点导纳矩阵的优点,同时有效地解决了L/C等效模型的功率损耗异常问题,并成功应用于两电平变流器、T型三电平变流器和Buck/Boost电路的实时仿真。2)高频电力电子开关的实时仿真。为了能采用更小的仿真步长,实现更高开关频率下的实时仿真,本文提出一种适用于FPGA的紧凑型节点分析法,将传统节点分析法的中间步骤进行了压缩,缩短了单个仿真步长的执行时间,并成功应用于开关频率高达50k Hz的固态变压器实时仿真。3)考虑电力电子开关建模的微电网实时仿真。基于FPGA的实时仿真规模不仅受限于FPGA的硬件资源总量,而且受限于实时仿真的步长。针对这一问题,本文提出了一种基于延迟插入法和节点分析法的混合仿真算法,利用延迟插入法将多个电力电子设备的实时仿真并行化,使得基于FPGA的实时仿真规模不再受限于实时仿真的步长,并成功应用于含5台分布式电源的交流微电网实时仿真。4)基于动态相量的微电网实时仿真。对于规模优先的微电网实时仿真,可以采用基于动态相量的实时仿真建模方法。为了提高动态相量模型的精度,本文提出了一种基于多重移频变换的动态相量建模仿真方法,并成功应用于含12台分布式电源的交直流混合微电网实时仿真。

关键词： 电力电子技术   智能电网   应用管理  

摘要： 以信息化技术为基础的智能电网建设中,人们对于电力电子技术的处置提出了新的要求,只有按照电力电子技术处理中的要求,将电力电子技术应用对策优化,才能全面提升智能电网建设效果。鉴于此,本文针对电力电子技术在智能电网中的应用进行了研究,旨在本文研究帮助下,可以为电力电子技术与智能电网建设技术应用提供参考。

关键词： 电力电子技术   混合式   项目化   形成性评价体系  

摘要： 随着电力电子技术课程改革的不断推进,混合式项目化教学模式被引入电力电子技术中,传统的终结性考核已经不能满足现代教育的要求,因此构建了形成性考核评价体系,并详细设计了教师评价表、小组评价表与个人评价表,该体系在实践中取得了较好的效果。

关键词： TCSC   TCR型SVC   混合无功补偿   控制策略  

摘要： 随着电力行业的不断发展,电网中无功功率的消耗日益增加,严重威胁了电网的安全稳定运行。电力系统进行动态连续无功补偿是降低无功功率对电网不利影响的有效办法,对提高系统的供电能力有着重要的意义,成为近年来电力领域研究的热点。因此,本文提出了TCSC和TCR型SVC混合无功补偿装置来实现扩充补偿容量的同时调节系统无功功率平衡。首先,本文对课题研究背景以及无功补偿技术的发展及应用现状进行了分析与研究,并总结串联和并联补偿的优缺点与混合补偿装置的发展现状。其次,对混合无功补偿的基本结构和工作原理进行阐述,以TCSC和TCR型SVC为代表说明混合无功补偿的运行特性,分析出功率因数与晶闸管触发角的函数关系,并用Matlab编程得出关系曲线。然后对基于混合无功补偿特性的检测方法进行研究,介绍了基于瞬时无功功率理论检测方法中的p-q检测法、ip-iq检测法和d-q检测法,选择无需计算瞬时有功和无功功率并有效分离分量的d-q检测法。针对混合补偿系统提出基于多级代理协调控制的功率因数控制策略,并对其进行研究与分析。接着,完成混合无功补偿装置的电路设计,包括补偿容量的计算和主电路参数选择、硬件电路设计以及软件设计。最后,在理论分析及软硬件设计的基础上,利用Matlab仿真软件搭建无功补偿装置模型,对TCSC、TCR型SVC以及两者混合的无功补偿仿真结果与波形进行分析,并通过搭建实验平台进行验证。实验结果表明:混合无功补偿装置可以完成无功的连续补偿,提高系统的静态和动态稳定性,达到预期补偿效果。

关键词： Mechanical engineering   Energy   Electrical engineering  

摘要： The applications of semiconductor power electronic devices, including power and RF devices, in industry have stringent requirements on their reliability. Power devices are subject to various types of failure mechanisms under various stressors. Prognostics and health management (PHM) allows detecting signs of failures, providing warnings of failures in advance, and performing condition-based maintenance. There is a pressing need to develop a robust prognostic model to detect anomalous behavior and predict the lifetime of devices that can be applicable to different types of power transistors. In the present dissertation, a comprehensive prognostic model for remaining useful life (RUL) prediction of semiconductor power electronic devices is developed. The model consists of an anomaly detection module and a RUL prediction module including a non-linear system process model describing the evolution of parametric degradation, and a measurement model. The anomaly detection module uses principal component analysis (PCA) for dimensionality reduction and feature extraction, as well as k-means clustering to establish baseline clusters in the feature space. The novel singular-value-weighted distance (SVWD) is developed as the distance measure in the feature space, based on which Fisher criterion (FC) is used for anomaly probability calculation. The system process model incorporates variables concerning loading conditions and physics-of-failure of devices, and uses particle filter (PF) approach for process model training and RUL prediction. For PF methodology, a novel resampling technique, called MHA-replacement resampling, is developed to solve the particle degeneracy in classic PF techniques and sample impoverishment in traditional resampling techniques. The developed prognostic model is first implemented on IGBT modules for validation. It was reported that the module package of power transistors was susceptible to various types of fatigue-related failure modes due to coefficie

关键词： 电力电子技术   实践教学   教学改革  

摘要： 为了克服目前电力电子技术课程实践教学环节存在的不足,从培养应用型人才角度研究课程改革的方法。通过电力电子课程实践教学内容的设置和仿真与实践平台的建立,使学生能够综合运用多门课程知识进行工程设计。经过课程实践教学的改革使学生增强专业技能、培养学生掌握科学的研究方法,实现地方应用型本科院校的人才培养目标。

关键词： 电力电子化电力系统   多尺度暂态过程   暂态扰动   级联控制   序贯切换保护   串并行作用  

摘要： 构建基于电力电子变换技术的高效可持续电力系统是实现我国一次能源结构清洁化转型的重要支撑。该形势下,电力系统发电、输配电、用电等各个环节的关键装备正由以同步发电机为代表的传统电磁变换装备向电力电子变换装备的规模化替代,深刻地影响着电力系统的暂态行为。近年来,国内外电网连续出现不明机理的暂态事故,严重威胁了电力系统安全稳定运行。该文从节点装备暂态特性与电力系统暂态过程特征的一般关系出发,归纳普遍存在于电力电子变换装备的暂态控制保护架构,总结对电力电子变换装备暂态特性以及电力电子化电力系统暂态过程特征的基本认识,凝练电力电子化电力系统多尺度非线性暂态问题分析的基本挑战与初步研究思路。