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电力电子装置在电力系统中的应用(2)
时间：2015-12-04 16:56 文章来源：http://www.lunwenbuluo.com 作者：姜建国，乔树通，郜登 点击次数：
２．１可靠性评估
电力电子装置的可靠性、故障率、平均无故障运行时间、平均维护时间和使用率等指标直接决定了其在电力系统中的应用效能。因此，对可靠性进行评估是采取有效措施提升装置安全性的基础。可靠性评估有利于电力电子装置的设计和运行管理。定量评估的结果可用于确定设计是否符合技术规范，也可以作为比较不同拓扑结构、控制策略和元件可靠性的准则。此外，精确的可靠性预测也可为系统运行、维护和管理提供重要指导。
评估可靠性可以从元件或系统层面进行建模。件级可靠性模型主要对功率器件、电解电容等核心元件的故障率进行建模。系统级可靠性模型可分为累加模型、组合模型和状态模型。对于复杂系统，可以将其分解为若干子系统，由子系统级可靠性模型评估系统可靠性。
当评估结果不满足可靠性要求时，就需要对其进行改进。对于关键装置，可通过在设计环节增加冗余度的方法，使装置具有容错运行的能力。
２．２故障运行管理
尽管有各种手段可以提高系统的可靠性，但是故障是不可避免的。在一些重要应用场合，电力电子装置因故障而导致停机会造成严重危害。对于已运行和允许离线维护的装置，可通过热管理和故障管理的方法来降低故障率。功率器件发生故障的主要原因是过温或温度循环波动。主动热管理技术通过控制器件的工作方式，调节器件损耗，避免稳态和瞬态热应力引起器件失效。
故障管理包括故障诊断和预测。准确及时的故障诊断是电力电子装置进行容错运行或采取保护措施的依据。故障诊断通过将功率器件或变换器端口的电压电流特性与设定的正常性能指标进行比较来发现和识别故障。故障预测根据元件和子系统的故障机理来推测它们的剩余使用年限，为提前采取预防或补救措施提供参考。
当元件或子系统发生故障时，具有容错运行能力的电力电子装置可以通过改变调制策略或控制方法来隔离故障部分，避免整套装置失效。容错运行包括降级运行和准正常运行。降级运行是利用变换器固有的冗余能力，使装置在可容忍的故障发生后还能实现主要功能，但会降低输出电压、输出功率和电能质量等。降级运行具有简单、成本低的特点，但其应用范围受限。准正常运行是利用冗余设计中增加的功率器件或子系统，使装置在故障时依然能够实现应有的功能。
２．３硬件在回路仿真
电力电子装置开发涉及硬件、软件和测试多个环节。装置样机的直接开发和验证具有周期长、调试困难和设计方案变更成本高的特点。采用实际装置的小功率硬件模型对系统方案进行验证时，装置中的部分参数和特性在模型中无法得到合理模拟，且系统保护方案的真实度有限。
电力电子系统的半实物仿真，即硬件在回路仿真技术，可以加快系统设计与测试有效性的验证，便于控制器的开发，能够模拟所有运行工况，易于实现故障模拟和实时获取任意信号。与电力系统的半实物仿真不同，在电力电子系统的半实物仿真中需要超低延迟计算（亚微秒级响应时间）才可以准确模拟硬件的动态特性和灵活模拟系统的极端工况。现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）技术拥有超低延迟和大规模并行处理的优势，可提高模拟计算的处理速度、结构充足度和建模复杂度，现已成为电力电子系统半实物仿真中的首选方案。
ＦＰＧＡ模拟器性能的优劣还取决于电力电子系统的模型。功率器件的模型既要体现器件的开关特性，又要不依赖于变换器的拓扑结构，还要满足开关频率的要求。目前在仿真中，功率器件主要使用理想开关模型和开关函数模型。以功率器件模型为基础，可以建立变换器系统的离散模型。通常变换器模型采用连续状态空间方程表示，在时域仿真实现时需要对模型进行离散时间处理，使用固定步长求解算法得到系统的离散化线性方程。由于变换器系统中存在非线性因素和开关特性，离散化方程的求解方法要满足变换器的非线性和功率器件数量的要求。
２．４电力电子标准模块
电力电子标准模块（ＰＥＢＢ）将逐步把功率器件、门极驱动电路、可编程处理器和其他相关元件集成到一个模块中，该模块具有预定的功能和标准软硬件接口。ＰＥＢＢ能够减小电力电子装置的成本、损耗、重量和体积，减少现场安装和维护的工程投入。
通过ＰＥＢＢ的组合可构成适用于各种场合的电力电子装置，此时需要ＰＥＢＢ拥有即插即用、自动运行设置和保持自身安全运行极限的能力。运行中的装置，可以通过对其控制和保护方案进行升级，来改善运行和维护性能。模块的集成化和控制的层次化是基于ＰＥＢＢ电力电子装置的设计原则。
模块的集成化需要攻克器件应力、杂散电感、开关损耗、热管理、保护、信号测量、控制接口和集成中的其他难题。目前，集成方法有硅片级集成、封装级集成和三维集成。硅片级集成将元件建在硅片的中间或表面。封装级集成将元件集成在基于有机或陶瓷的基板里。这两种集成方法不适用于大电流场合的高功率密度变换器。三维集成用垂直方式集成整个变换器，以无源层作为整个变换器的基板，将有源层建立在无源层之上，大多数有源器件可嵌入到有源层中，因而提高了模块的空间利用率和变换器的功率密度。大功率电力电子装置的分层控制结构。根据响应时间的不同，控制器划分为系统控制、应用控制、变换器控制、开关控制和硬件控制５层。系统控制层确定系统的任务和职责；应用控制层执行系统控制层所确定的任务；变换器控制层执行锁相同步、电压电流滤波、测量和反馈控制计算等任务；开关控制层执行调制策略和生成脉冲；硬件控制层管理电力电子器件的实际运行。微处理器可在各层中应用，进行信号处理；标准通信协议可支持信息在不同层之间进行交换。分层控制结构还支持多ＰＥＢＢ任意组合。依据标准的控制结构，不同的生产商设计出的控制器可以互换使用。
３、电力电子装置应用中亟待解决的难题
面对电力系统的重大需求和未来发展的需要，电力电子装置应用中有以下难题亟待解决：①多能源储能电力系统中变换器的设计、运行与控制方法研究；②风电场多端直流输电系统中电压源型换流器的研究；③微电网中多逆变器并联及电能质量控制方法研究；④可再生能源发电中功率变流器的可靠性研究；⑤大型光伏电站中并网逆变器集群的运行与控制方法研究；⑥柔性交流输电系统中潮流控制器和固态限流器的研究；⑦大容量电力电子装置的非线性分析与控制方法研究；⑧高电压大容量电力电子装置的设计理论、拓扑优化与模块集成技术研究；⑨电力电子装置数字控制器的标准化研究。
４、结语
电力电子装置在发电、储能、微型电网、输电和电能质量中应用后，改善了电力系统的性能，促进了电力系统的渐变转型。可靠性评估、故障运行管理、硬件在回路仿真和电力电子标准模块分别是装置设计、运行、研发和制造方面的关键技术，在这些方面开展系统化的深入研究，有利于电力电子装置长寿命、低成本和高安全性的实现。针对电力系统的需求，有针对性地攻克电力电子装置应用中的若干技术难题，可以为电力系统的长远发展奠定技术基础。
参考文献
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