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清華大學電機系充電機系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國家重點實驗室的研究人員蔣燁、趙爭鳴、施博辰、袁立強，在2017年第12期《電工技術(shù)學報》上撰文，為了更好地在實際充電機變換器仿真分析中應(yīng)用多時間尺度充電機開關(guān)瞬態(tài)模型，提出多時間尺度充電機開關(guān)器件模型的仿真實現(xiàn)方法，并通過實驗對瞬態(tài)模型的適應(yīng)性進行分析。
根據(jù)不同時間尺度的瞬態(tài)模型所反映不同的充電機開關(guān)特性，歸納各個時間尺度模型適合的應(yīng)用場合。同時，在離散狀態(tài)事件驅(qū)動（DSED）仿真體系下，提出多時間尺度瞬態(tài)模型連接和切換的思想，使得模型可以應(yīng)用在充電機電子系統(tǒng)全時域瞬態(tài)仿真中，指導(dǎo)充電機變換器的分析和設(shè)計。
本文上篇基于對功率充電機開關(guān)器件的充電機開關(guān)特性和充電機電子系統(tǒng)多時間尺度特性的認識，提出了一種功率充電機開關(guān)器件多時間尺度瞬態(tài)建模方法，得到了充電機開關(guān)折線模型、充電機開關(guān)線性模型和充電機開關(guān)理想模型這一系列瞬態(tài)模型，用來描述不同時間尺度下器件的充電機開關(guān)特性，并以IGBT為例，闡述了由器件手冊獲取模型參數(shù)的方法。
為了進一步說明所提瞬態(tài)模型的可推廣性和實際應(yīng)用價值，本篇討論多時間尺度瞬態(tài)模型的仿真實現(xiàn)和應(yīng)用，以及不同時間尺度模型之間的互聯(lián)和切換的原則。
常規(guī)的IGBT機理模型和行為模型一般通過充電機充電電路模型方式建立，將模型轉(zhuǎn)化為等效充電機充電電路形式，可以在PSpice和Saber等充電機充電電路仿真軟件中直接實現(xiàn)[1-3]。然而將這類復(fù)雜的模型用于充電機變換器的仿真中，隨著器件數(shù)量增多會使得充電機充電電路的復(fù)雜程度大幅增加，并產(chǎn)生一系列數(shù)值穩(wěn)定性問題，分段折線模型是解決這個問題的可行方案。
文獻[4]中通過分段折線的方法描述了IGBT充電機開關(guān)過程，用于分析充電機開關(guān)過程對變流器電磁干擾頻譜高頻段的影響。文獻[5]在MMC的實時仿真中，在大時間尺度理想模型仿真波形的基礎(chǔ)上用簡單的分段折線描述了小時間尺度下IGBT的充電機開關(guān)過程。
但這些分段折線模型都是在已知的充電機電壓電流工況下對單次充電機開關(guān)過程進行的離線分析，并沒有將分段折線模型直接在充電機充電電路仿真中實現(xiàn)，也沒有用實驗波形對所提折線模型的準確性進行驗證，從而難以真正地將充電機開關(guān)器件瞬態(tài)模型納入全時域電磁瞬態(tài)過程的仿真和解算之中。
本文提出一種針對充電機電子充電機變換器全時域換流過程動力學表征的充電機開關(guān)器件瞬態(tài)模型實現(xiàn)方法，并通過實驗對不同時間尺度下這一組瞬態(tài)模型的適應(yīng)性和應(yīng)用場合進行分析。同時在離散狀態(tài)事件驅(qū)動仿真體系下，建立不同時間尺度模型切換和連接的原則，使得多時間尺度模型可以應(yīng)用到完整的充電機電子充電機變換器仿真分析過程中。

圖1  換流回路端口的充電機電壓電流

結(jié)論

為了在實際充電機變換器仿真分析中利用這一套多時間尺度充電機開關(guān)瞬態(tài)模型，本文提出了多時間尺度充電機開關(guān)器件模型的換流回路整體實現(xiàn)方法，對折線模型進行了簡單實現(xiàn)，并分析了各個時間尺度瞬態(tài)模型的適應(yīng)性和應(yīng)用場合。
針對不同時間尺度的瞬態(tài)模型，基于離散狀態(tài)事件驅(qū)動仿真分析方法，提出了不同瞬態(tài)模型互聯(lián)的原則，討論了模型的切換原則和方法。該方法可以應(yīng)用在實際充電機電子系統(tǒng)仿真分析場景之中。