专题 · 导读
常见的dna提取方法及优缺点大容量电力电子混杂系统 多时间尺度动力学表征与运行机制
当前，大容量电力电子系统理论和关键技术在快速发展，相应的装置研制和系统工程应用也处在一个攻坚阶段，普遍面临三大严峻挑战：①提升电能变换能力；②优化装置与系统的设计与控制；③提高可靠性。
由于大容量电力电子系统包含多种不同时间尺度能量变换的瞬态过程，不仅在运行机理和工作状态方面，而且在电、磁、热等方面均呈现出复杂的动力学特征。因此，大容量电力电子系统属于典型的多时间尺度非线性混杂系统。所谓混杂系统，指的是由连续时间动态系统和离散事件动态系统相互混杂、相互作用而形成的系统。系统内部存在两种性质不同的变量，一种是连续时间变量，另一种则是离散事件变量。系统运动由离散事件与连续时间共同作用进行，当连续状态量穿过阈值时，触发相应的离散事件；当发生异常非线性动力学行为时，电力电子装置和系统将可能出现转换效率下降，输出严重畸变等问题，甚至发生装置和系统损坏故障。因此，对电力电子混杂系统中的非线性动力学行为进行表征、分析和控制是实现系统可持续高效、可靠和稳定运行的前提。
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针对面临的挑战及其呈现出来的复杂性，迫切需要研究电力电子混杂系统多时间尺度下动力学行为的建模、分析与设计方法，揭示其动力学边界与约束条件及其相互匹配规律，建立对其动力学行为高效精准控制方法。2015年在国家自然科学基金重大项目（51490680）“大容量电力电子混杂系统多时间尺度动力学表征与运行机制”的资助下，清华大学、浙江大学、海军工程大学、中车株洲电力机车研究所和中国科学院微电子研究所联合开展了深入系统研究，分别在功率半导体器件的开关机制及与主电路的互动关系、功率开关器件组合动力学表征及混杂系统仿真方法、多时间常数换流回路的模态转换规律、电力电子变换系统多物理场耦合模型及相互匹配规律、电磁能量脉冲建模及其控制方法以及基于能量平衡的变换系统综合控制等方面开展了研究工作。为反映项目组在过去两年多来的部分研究内容和初步研究成果，本专题分三期集中地刊出了25篇相关研究的学术论文。概括起来，这些文章涉及的研究内容分成以下六个方面：（1）对电力电子变换系统的再认识 文章《对电力电子学的再认识——历史、现状及发展》通过对电力电子系统起源及定义的历
互联网信息服务管理办法史演绎，探讨了电力电子学的内涵和外延内容，提出了一种对电力电子学的再认知框架，强调开关特性和组合特性在电力电子变换系统中的核心作用，尝试为电力电子混杂系统建模、分析、设计及其控制的研究明确一个更为清晰的思路。
（2）混杂系统多时间尺度动力学表征建模
动力学表征及其建模是该重大项目研究的主要内容，项目前期主要针对器件、电路和控制三个方面进行机理分析和数学建模。文章《功率开关器件多时间尺度瞬态模型（I）——开关特性与瞬态建模》和《功率开关器件多时间尺度瞬态模型（II）——应用分析与模型互联》为姊妹篇，直接从开关特性出发提出一组功率开关器件多时间尺度瞬态模型，其特点是既可以按时间尺度来比较准确地描述开关过程的瞬态特征，又能直接从器件的数据手册上提取全部参数，从而使器件瞬态模型在装置和系统的仿真分析中具有实际的可用性。文章《沟槽栅场终止型IGBT瞬态数学模型》和《SiC MOSFET与SiC SBD换流单元瞬态模型》则分别针对沟槽栅场终止型IGBT和SiC MOSFET的特别结构进行了瞬态数学建模，展现出不同器件结构开关建模的特殊性；文章《基于关断电流最大变化率的压接式IGBT模块结温提取方法》、《适用于器件到装置级热仿真的IGBT 传热模型》和《基于传热动力学作用特征的IGBT结温预测数学模型》则针对功率开关器件传热动力学特性进行研究，建立了多时间尺度的传热动力学数学表征，提出从电气参量瞬态过程中提取器件结温的可行方法。这些针对开关器件瞬态动力学表征建模为进一步研究开关器件组合及其装置建模分析、设计和控制奠定了理论基础。
（3）基于器件瞬态模型的仿真分析方法
由于电力电子混杂系统存在很明显的连续和离散变量，且时间尺度差别很大，使得根据时间离散的数值仿真计算结果经常出现伪振荡甚至发散，大大影响仿真的收敛性和准确性，同时计算量巨大。为解决这一问题，文章《离散状态事件驱动仿真方法及自适应预估校正算法》、《后向离散状态事件驱动
电力电子仿真方法》、《基于离散状态事件驱动的电力电子瞬态过程仿真方法》和《考虑非理想器件模型的电力电子系统状态方程分析法》等系统地提出一种离散状态事件驱动的仿真方法，分别从提高仿真速度、减低刚性问题解算量、提高解算精度以及参数结构矩阵程式化列写等方面进行了研究，直接对状态量进行离散，以开关事件来驱动仿真，为装置和系统运行中涉及到小时间尺度电磁瞬态过程的仿真分析拓开了新的思路。
（4）电磁能量脉冲及其序列分析与控制
电磁能量脉冲及其序列是电力电子混杂系统中电磁能量变换的基本形式。文章《电力电子系统中的功率脉冲时序组合与逻辑组合》从电力电子系统的脉冲组合理论出发，对能量脉冲时序组合与逻辑组合的概念、方法和实现进行了总结提炼分析；文章《驱动回路参数对SiC MOSFET开关瞬态过程的影响分析》分析了控制脉冲、驱动脉冲及电磁能量脉冲三者间形态属性的关系；文章《基于能量平衡的降低MMC子模块电容电压波动控制策略》提出了基于控制周期的能量平衡控制策略以提高装置中元器件的可靠性；文章《基于能量平衡的电能路由器综合控制技术》进一步将基于能量平衡的控制策略应用于复杂的电力电子装置。这些研究反映了项目组在电磁能量脉
冲建模及其控制研究方面新的进展。
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（5）基于最优变换能力及可靠性的变换器设计方法
最小螺杆的加工装置与系统是开关器件的有序组合，提高器件组合变换能力及可靠性是装置设计的主要目标。文章《电力电子系统中器件利用率计算与评估方法》和《基于开关组合规律的双向全桥DCDC变换器传输功率特性研究》均尝试通过研究装置的开关组合规律来提高系统变换能力和可靠性；文章《IGBT电力电子系统小时间尺度动态性能分析与计算的电磁场-电路耦合模型》和《大容量电力电子装置中母排杂散电感提取方法的优化研究》则从功率电路模型中计算和提取杂散参数，以优化变换器母排设计；文章《基于能量流图的电力电子系统可视化设计与分析》则直接以系统中的能量及能量流为状态变量，构建了一种基于能量流图分析方法的电力电子变换器系统设计和分析平台，是对电力电子能量变换表征的一种新的尝试。
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（6）装置与系统中的相关应用问题
基于对电力电子混杂系统新的认识，理论研究与实际应用紧密结合。文章《新型柔性互联装置多时间尺度转换等效模型》、《基于傅里叶级数的多时间尺度同步旋转坐标系电流跟踪控制方法》、《基于开关瞬态波形提取高频隔离变压器漏感参数》及《一种基于DAB损耗模型的效率优化方法》分别针对柔性互联装置、并联有源滤波器、高频隔离变压器及双向全桥DC-DC变换器等进行了模型等值、电流跟踪、参数计算和效率优化等方面的研究工作。
“大容量电力电子混杂系统多时间尺度动力学表征与运行机制”研究仍在进行，项目组下面将继续围绕
这一关键科学问题，重点研究器件与部件失效机理和混杂系统可靠运行规律，探索混杂系统安全可靠高效运行模式，研究典型混杂系统的控制策略。本次专题稿件将陆续在《电工技术学报》2017年第12期、13期、14期刊出，希望借此与同行们一起，加强交流，共同探讨，有所进展。再次感谢国家自然科学基金委予以的项目资助，感谢《电工技术学报》编辑部给予的大力支持和帮助。
特约主编：
2017年6月于清华园
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