《电力电子变换器非线性动力学分析与应用基础研究》

成果属于电气工程学科电力电子与电力传动领域。

电力电子变换器是一种使用半导体开关器件进行功率转换的装置,可广泛应用于新能源发电、微电网、企业和家庭供电系统中。由于开关器件的高频工作产生复杂电磁过程,功率变换系统安全运行受到振荡、失稳等现象威胁。电力电子变换器中的复杂电磁过程已被证实与其非线性行为有关。由于非线性系统动态行为复杂且难以预测,变换器的振荡和失稳现象机理不明。该项目完成人提出了基于离散和连续模型的分岔点准确定位方法,发现了直流变换器、并网变换器中丰富完备的分岔及混沌运动现象,揭示了电力电子变换器多时间尺度下分岔发生的机理和参数影响规律,为电力电子变换器优化设计、安全运行提供了重要参考。主要内容如下:

1.发现了DC-DC开关变换器系统中分岔现象及其发生机理。建立了DC-DC开关变换器庞加莱映射模型及连续时间微分方程组模型,提出了开关变换器中倍周期分岔、Hopf分岔等典型非线性现象精准、完备的分岔点定位方法。分析了系统参数变化对分岔的影响,给出了各种参数变化时的系统分岔图,全面的指明了DC-DC变换器系统从分岔走向混沌的各种可能路径,填补了电力电子设备振荡、失稳现象的物理机理解析的理论空白。

2.发现了功率因数校正(PFC)变换器和并联型变换器中的多种时间尺度的分岔现象。建立了PFC变换器快时间尺度离散模型和并联DC-DC变换器慢时间尺度模型,准确定位了不同时间尺度上倍周期分岔、Hopf分岔的发生条件,阐明了电力电子变换器多时间尺度下分岔发生的机理,为大功率的电力电子变换器谐波抑制、稳定控制提供了新的思路。

3.发现了三相电压型并网变换器的分岔和混沌现象及其发生规律。提出了基于微分同调理论和混沌分析的三相并网变换器的模型降阶方法,解析了三相并网变换器系统调制和电流控制环节灾难性分岔和Hopf分岔发生机理,确定了系统分岔点。所得出的分岔图指导了变换器抗饱和控制设计。

4.提出了弱电网条件下并网变换器面向设计的非线性交互作用分析方法。揭示了并联的三相并网变换器、变换器-本地负载交互作用中振荡和失稳机理,得出面向设计的参数边界,为并网变换器安全稳定运行的提供了理论基础。

基于以上研究成果的8篇代表性论文发表于Proc.IEEE,IEEE Trans.Power Electron.,IEEE Trans.Circuits Syst.,《物理学报》等期刊,被国内外同行引用1638次(Google Scholar检索数据),Web of Science核心合集引用634次,SCI他引317次。单篇论文最高被引975次,SCI他引130次。经权威期刊IEEE Transactions on Power Electronics(中科院一区top)组织提名和全体编委推选,获得期刊2015年最佳论文奖1次,是该领域研究国际最高奖项。入选中国科学技术信息研究所“领跑者5000-中国精品科技期刊顶尖学术论文”1篇。该研究是世界范围内最先开展的电力电子变换器分岔与混沌现象的分析工作之一,成果被欧洲科学院院士、印度科学院院士、IEEE Fellow等著名专家引用,完成人被评价为该领域先驱(Pioneer),推动了电力电子非线性动力学成为电力电子学科一个重要分支。该成果为电力电子变换器在电力系统、新能源发电、照明等应用中的安全运行提供了重要设计参考。

  1. 下载详细PDF版/Doc版

提示:为方便大家复制编辑,博主已将PDF文件制作为Word/Doc格式文件。