顧小程 趙爭鳴 馮高輝 李 婧

（清華大學(xué)電機(jī)系 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100084）

基于能量流圖的電力電子系統(tǒng)可視化設(shè)計(jì)與分析

顧小程 趙爭鳴 馮高輝 李 婧

（清華大學(xué)電機(jī)系 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100084）

電力電子系統(tǒng)通過功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)控制來實(shí)現(xiàn)電磁能量的高效變換，提高系統(tǒng)的變換能力和可靠性是其終極目標(biāo)。嘗試以系統(tǒng)中的能量及能量流為狀態(tài)變量進(jìn)行建模，建立變換系統(tǒng)的能流模型，可視化并直觀地描述電力電子變換系統(tǒng)電磁能量的分布和傳遞情況。以較復(fù)雜的多端口組合式電力電子變換器為例，建立“能流”的基本概念，設(shè)計(jì)構(gòu)建能流圖拓?fù)洳⒔o出可視化設(shè)計(jì)方法，結(jié)合科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)設(shè)計(jì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)界面，構(gòu)建了一種基于能量流圖分析方法的電力電子變換器系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析平臺(tái)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，能量流圖分析方法能有效地表征電力電子系統(tǒng)大時(shí)間尺度的換流過程。

電力電子系統(tǒng) 能流拓?fù)?可視化

0 引言

隨著電力電子系統(tǒng)容量越來越大，其能量變換的特征越來越明顯。電力電子系統(tǒng)通過功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)控制來實(shí)現(xiàn)電磁能量的高效變換，瞬態(tài)開關(guān)特性使得電磁能量產(chǎn)生快速變化。由于能量變換遵循能量守恒和能量不能突變的原理，這種電磁能量快速變化將在器件中產(chǎn)生很大的電應(yīng)力（如di/dt和dv/dt）。如果器件參數(shù)選擇和裝置設(shè)計(jì)不當(dāng)，這種電應(yīng)力就會(huì)對電力電子器件和裝置的能量變換產(chǎn)生很大影響，輕者影響輸出波形，重者損壞整個(gè)裝置。因此可以說，電力電子器件和裝置的失效原因很多，但歸根結(jié)底是由于其中的能量分布失衡、能量流通受阻等原因所致。因此，若能直接從能量角度對電力電子裝置中的能量分布和能量流動(dòng)情況進(jìn)行分析，進(jìn)而對裝置結(jié)構(gòu)和器件參數(shù)進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)和選擇，從而使得裝置中的能量分布合理，能量流動(dòng)暢通，將對提高裝置的變換能力，提高裝置可靠性有重要的理論和使用價(jià)值[1,2]。

本文嘗試從能量的角度入手，建立“能流”的概念[3-5]，以能量和功率為直接狀態(tài)變量，建立能流拓?fù)湟?guī)則，以多端口組合式電力電子變換器為例，設(shè)計(jì)能流拓?fù)鋱D并進(jìn)行可視化，給出靜態(tài)及動(dòng)態(tài)界面，直觀清晰地描述電力電子變換器工作時(shí)的能量流動(dòng)與分布情況。并且依據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出實(shí)例，體現(xiàn)能流圖進(jìn)行系統(tǒng)能量流動(dòng)特征的表征作用。

1 電力電子變換器能流圖表征

1.1 能流圖基本概念及特征

為了直觀清晰地描述電力電子變換器在不同工況下的能量分布情況及各部分之間清晰的能量傳遞關(guān)系，可定義“能流圖”作為“表示能量分布和能量傳遞關(guān)系的動(dòng)態(tài)圖解”；并定義能流拓?fù)錇槠洹办o態(tài)骨架”[3]，以之為載體進(jìn)行能量變換研究。為此，首先定義“能流”為能量的移動(dòng)。它作為能流圖中的重要狀態(tài)變量，用于描述各元件之間的能量傳遞關(guān)系。根據(jù)電力電子系統(tǒng)能流圖的表征目的，可確定能流圖的基本要素：①能量的分布情況；②能量的量值大??；③能量流動(dòng)方向。

同樣作為一種對電力電子變換器的分析方法，能流圖區(qū)別于電路拓?fù)鋱D的最大特征在于其明確表達(dá)了能量動(dòng)力特征，綜合性地描述了能流在時(shí)間上的變化和空間上的流動(dòng)分布情況。為了表征能量動(dòng)力特征，對“能流圖”提出了相對應(yīng)的能流動(dòng)力學(xué)特征，見表1。除了表征能量動(dòng)力特征，能流圖還遵守節(jié)點(diǎn)功率守恒和能流流量守恒等關(guān)系。對應(yīng)于電路中的開關(guān)器件，能流圖中定義“能流開關(guān)”來控制能量是否流通。

表1 能量動(dòng)力特征及其對應(yīng)的能流圖特征Tab.1 Energy dynamic features and topology requirements

1.2 能流圖基本假設(shè)

前面已經(jīng)提到，對于電力電子變換系統(tǒng)而言，進(jìn)行能流分析時(shí)需要針對不同的時(shí)間尺度電磁瞬態(tài)過程建立不同的能量流圖。為簡化起見，本文僅考慮大時(shí)間尺度瞬態(tài)過程，即以集總參數(shù)電路結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)來構(gòu)建能流圖，而忽略小時(shí)間尺度的開關(guān)瞬態(tài)過程?；炯僭O(shè)如下：①功率開關(guān)器件為理想開關(guān)；②不考慮器件和系統(tǒng)雜散參數(shù)的影響；③不考慮控制回路的能流關(guān)系，僅考慮主功率電路的能流關(guān)系；④能量不能突變，各節(jié)點(diǎn)處能量平衡。

另外，可類比于“電流”的特征來分析“能流”在能流圖中的傳輸路徑和分配方式，二者的主要作用都是將能量由電源側(cè)傳到負(fù)載側(cè)，并通過開關(guān)的控制在各部分之間流動(dòng)，且達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。但在能流拓?fù)渲?，不再以電壓電流作為能量傳輸?shù)妮d體，而以功率為主要載體。因此電路中的能量通過回路形式的電壓電流攜帶，而能流圖中的能量通過功率流攜帶，無需回路形式，只需一條能流通路或稱能流支路即可。能量也可以在終端（即儲(chǔ)能或耗能元件處）消耗積累，無需通過回路回流，無需形成閉合回路。

通過電磁場理論角度的分析，也可以得出：能流可以功率為表征載體、能流無閉合回路的特征[6]。

1.3 能流拓?fù)淠Ｐ?/p>

依據(jù)1.2節(jié)的基本假設(shè)，可以根據(jù)各類元件的電磁信息及能量特征，從電路拓?fù)淙胧?，研究其到能流拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換，以確定對應(yīng)于電路模型的能流拓?fù)淠Ｐ?，從而建立能流圖結(jié)構(gòu)模型。集總參數(shù)的電路結(jié)構(gòu)中，基本元件主要分為電源、電阻、電感、電容以及變壓器等。依據(jù)由小到大、由簡單到復(fù)雜的基本原則，首先確定基本元件的能流拓?fù)淠Ｐ停姳?。

表2 電路拓?fù)涞侥芰魍負(fù)涞耐ㄓ棉D(zhuǎn)換規(guī)則Tab.2 Basic principles from circuit topology to energy topology

電源、電感、電容及電阻元件的基本能量特征表現(xiàn)為儲(chǔ)能或是耗能。根據(jù)參考文獻(xiàn)[3,4]的方法，對應(yīng)能流模型為能量端子，能量流動(dòng)在該器件處產(chǎn)生一個(gè)中斷，流入或流出，經(jīng)過該端子作用后，可能繼續(xù)往下流通，也可能止于該端子。圖1給出了電源和電阻的能流拓?fù)淠Ｐ汀?/p>

圖1 “能量端子”模型Fig.1 “Energy terminal” model

依據(jù)電力電子開關(guān)器件的實(shí)際功能，可將其看作理想開關(guān)+損耗（等效為可變電阻）+理想開關(guān)占空比（等效為能量變化率）的組合。以一對互鎖開關(guān)為基本變換單元，互鎖開關(guān)的不同組合構(gòu)成不同的開關(guān)換流電路模塊，得到不同的開關(guān)換流能流拓?fù)洹Ｓ捎谥豢紤]大時(shí)間尺度的能量變換過程，不考慮開關(guān)緩沖吸收電路及開關(guān)非理想因素等，因此在能量流動(dòng)過程中，開關(guān)換流模塊的作用僅表現(xiàn)為控制能量是否能夠經(jīng)此流通，則可對模型進(jìn)行合理的簡化，以“能流開關(guān)”作為開關(guān)換流模塊的能流拓?fù)淠Ｐ?。各類開關(guān)換流模型（單相、三相H橋等）都可以轉(zhuǎn)換為“能流開關(guān)”。能流開關(guān)提供一條能量通路，按照實(shí)際的能量流通情況，若開通則能量可以流通，若關(guān)斷則能量不能流通。需要注意“能流開關(guān)”用于表征能量是否流通，與電路開關(guān)有區(qū)別，需要與電路拓?fù)涞牟煌_關(guān)狀態(tài)相匹配[7]?？赏ㄟ^常見開關(guān)組合橋臂的分析總結(jié)得出“能流開關(guān)”的基本換流單元模型，如圖2所示。

圖2 “能流開關(guān)”模型Fig.2 “Energy flow switch” model

對于單個(gè)開關(guān)橋臂而言，其基本功能是實(shí)現(xiàn)能量從上一級向下一級的傳遞，只需單個(gè)“能流開關(guān)”支路即可表征。對于多個(gè)開關(guān)橋臂組合的情況，例如三相H橋，存在多條能流通路，則需要多個(gè)“能流開關(guān)”支路進(jìn)行表征。但其具備一定的規(guī)律性：同一橋臂的上下開關(guān)互鎖，任何時(shí)刻只有一只導(dǎo)通，有2n種開關(guān)組合（n為開關(guān)橋臂個(gè)數(shù)），對應(yīng)于n條能流通路，且在上管全開或下管全開的組合中，能流無法流通，因此可以用干路能流開關(guān)+支路能流開關(guān)的組合來表征。

變壓器模塊的突出特征是磁耦合、電隔離，且一次、二次側(cè)存在電壓比。為了反映其基本特征，借鑒“無線能量傳輸”的研究思路，從場的角度出發(fā)考慮，變壓器能量并不經(jīng)過導(dǎo)線，而是通過磁場耦合由一次側(cè)向二次側(cè)傳輸?shù)?，由此建立其“無線模型”，如圖3所示。

圖3 變壓器“無線模型”Fig.3 “Wireless model” of transformer

1.4 多端口組合式電力電子變換器的能流圖

圖4 多端口組合式電能變換器Fig.4 Multi-interface integrated energy converter circuit

針對每個(gè)模塊按照器件的基本變換規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)換后再組合，可以得到整個(gè)變換器的能流圖如圖5所示。AC-DC整流部分的電源和電感轉(zhuǎn)換為能量端子，而級聯(lián)的H橋整流部分轉(zhuǎn)換為“能流開關(guān)”，表征能量是否可以流通。隔離DC-DC部分的兩個(gè)全控橋都轉(zhuǎn)換為能流開關(guān)，兩側(cè)的母線電容轉(zhuǎn)換為能量端子，而變壓器模塊則轉(zhuǎn)換為其能流圖的無線能量傳輸模型。DC-AC逆變部分的逆變橋轉(zhuǎn)換為能流開關(guān)，由于將直流逆變?yōu)槿嗟慕涣鳎虼诵枰鄠€(gè)能流開關(guān)進(jìn)行控制，ABC三相各需一個(gè)控制能量能否流通的開關(guān)，并且需要一個(gè)總開關(guān)控制能流是否流通，而電感、電容和電阻負(fù)載等則被看作為能量端子。同時(shí)，該電力電子變換器提供了一個(gè)外接的直流接口。

圖5 能流圖設(shè)計(jì)Fig.5 Energy topology design

依據(jù)能流拓?fù)鋱D，可以進(jìn)行能量分布傳遞情況分析。圖6給出了系統(tǒng)脫離高壓交流電源運(yùn)行，能量僅在低壓交流負(fù)載和直流電源（光伏、蓄電池）之間交換的情況分析。AC-DC整流模塊的開關(guān)控制為上橋臂開關(guān)全開，下橋臂開關(guān)全斷或上橋臂全斷，下橋臂全開，或是全斷開等，反映在能流圖中就是能流開關(guān)1斷開。此時(shí)能量無法由高壓交流電源傳入，而限于在直流電源和低壓交流負(fù)載之間交換。若存在多余的能量，則通過隔離DC-DC模塊傳給高壓側(cè)的母線電容，高壓交流電源和電感之間存在能量的交換。圖中，存在能量流通的通路標(biāo)注為實(shí)線，無法流通能量則標(biāo)注為虛線，在能流拓?fù)渲兄庇^清晰地反映了能量的流通和傳遞情況。

圖6 能流分析Fig.6 Energy flow analysis

2 電力電子能流圖可視化設(shè)計(jì)

構(gòu)建了能流拓?fù)淠Ｐ秃?，結(jié)合科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)，可以對其進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)，使其更加清晰直觀地反映電力電子裝置能量分布和能流狀況。一種可視化設(shè)計(jì)方法是選用OPENGL應(yīng)用編程接口作為設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)可視化的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)能流圖的表征。OPENGL接口適合于此類應(yīng)用，其三維表征能力有助于表現(xiàn)能量流隨時(shí)間的變化情況[10,11]。

2.1 可視化設(shè)計(jì)原則與方法

OPENGL界面包含多個(gè)主要函數(shù)庫，以基本圖元（點(diǎn)、線、面等）為基礎(chǔ)，繪制幾何圖形，并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移等變換，輔以平行或透視投影的作用，配合紋理繪制、改變光照和著色等功能，可以產(chǎn)生逼真的三維效果。其三維效果的產(chǎn)生主要來源于觀察角度的改變，示意圖如圖7所示[11]。常用函數(shù)及其功能歸納見表3。

圖7 “觀察者”視角說明圖Fig.7 Observer visual angle

表3 常用函數(shù)及其功能對照表Tab.3 Basic functions and their definition

明確圖元繪制方法后，還需明確本應(yīng)用中，用何種圖形如何來表示能流圖的各個(gè)元素。能流圖動(dòng)態(tài)界面基于靜態(tài)界面，可根據(jù)功率能量數(shù)據(jù)控制靜態(tài)的界面“動(dòng)起來”，因此最基本的需要繪制靜態(tài)界面圖。選擇應(yīng)用透視的“管線”來標(biāo)示各能流支路，繪制能量柱來標(biāo)示各個(gè)器件的容量，并設(shè)置具有一定的透明度，以免和動(dòng)態(tài)圖中隨能量變化情況變化的能量柱產(chǎn)生遮擋。繪制動(dòng)態(tài)圖時(shí)，則引入“粒子流”和“場線流”，分別對有電氣連接的能流支路中的能量流動(dòng)和無電氣連接的能流支路（變壓器模塊）中的能量流動(dòng)情況進(jìn)行表征。“粒子流”和“場線流”主要實(shí)現(xiàn)方法類似，用形狀簡單的粒子或線段作為基本元素，通過將基本元素運(yùn)動(dòng)的軌跡顯示在屏幕上的方式，模擬出運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)效果?；驹貙傩栽O(shè)置及其意義見表4。設(shè)置完成基本屬性，則可控制元素的運(yùn)動(dòng)從而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)效果，流程如圖8所示。

表4 基本元素屬性及其在能流圖中的意義Tab.4 Feature and significance of element

圖8 基本元素的控制流程Fig.8 Control flow chart of basic element

2.2 程序結(jié)構(gòu)

式中，ti、ui是得分向量，包含著不同樣本之間的信息關(guān)系；pi、qi是加載向量，包含著不同變量之間的信息關(guān)系；p和q是獨(dú)立變量個(gè)數(shù)；E和F是剩余矩陣。

OPENGL接口實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜態(tài)界面的程序結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。創(chuàng)建用戶界面窗口后，設(shè)置其大小、顏色、顯示方式等基本屬性，并初始化參數(shù)，給出待用功能的使能信號。并且需要讀入功率能量數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行動(dòng)態(tài)能流圖的實(shí)現(xiàn)。表5中給出并說明了主要函數(shù)及其作用，限于篇幅，并未涉及所有的子函數(shù)，未給出具體程序代碼。

2.3 靜態(tài)可視化能流圖

圖9 程序結(jié)構(gòu)框圖Fig.9 Program structure

表5 主要函數(shù)及其作用Tab.5 Key functions

依據(jù)基本設(shè)計(jì)原理和程序設(shè)計(jì)方法，可以進(jìn)行靜態(tài)能流圖的繪制。仍以多端口組合式的電力電子變換器為例說明。首先給出各元件的可視化模型。電源、電阻、電感、電容等基本元件的可視化模型按照其能流模型搭建，是能量端子，以能量柱來代表其元器件的容量（能量柱高度中電源最高，電感及電容均取一致值，電阻最低。能量柱半徑則按照元器件容量進(jìn)行確定，相應(yīng)的元器件容量越大，能量柱越粗。但為了可視化的效果，并不完全等比例，因?yàn)殡娫吹娜萘繑?shù)量級大于其他元器件，若完全按照容量計(jì)算，則難以在一個(gè)窗口中清晰展示）。并且以能量柱的顏色灰度來區(qū)分不同的元器件，這些元器件包括：電源（DC Source, Grid）、電容（Capacitor）、電感（Inductor）、負(fù)載（Load）、變壓器（Transformer），其中，電源包含電網(wǎng)（Grid）和直流電源（DC Source），后者分為兩種：光伏發(fā)電（PV）模塊和蓄電池（Battery）。外接直流接口電源以橫躺的能量柱表示，以示與交流電源的區(qū)別。另外，靜態(tài)圖中能量柱設(shè)置了一定的透明度，反映器件容量，并避免在動(dòng)態(tài)界面中與動(dòng)態(tài)變化的能量柱相互遮擋。依據(jù)理想開關(guān)假設(shè)，開關(guān)器件僅作為能流開關(guān)使用，不考慮過渡過程及開關(guān)損耗，整個(gè)能量流通過程中，僅起到控制能量能否流通的作用，能量流經(jīng)能流開關(guān)時(shí)和流經(jīng)普通的能流支路時(shí)均不產(chǎn)生消耗，所以開關(guān)的可視化模型可以能流支路表示。另外，對于變壓器而言，它具有磁耦合、電解耦、無電氣連接等特點(diǎn)。采用“無線模型”，定義“場線流”描述通過磁耦合方式傳輸?shù)墓β?，假設(shè)“場線流”均勻分布，以其流動(dòng)速度表征功率流大小、并以其運(yùn)動(dòng)方向表征功率流的流向。由此可依據(jù)基本元件的可視化模型，進(jìn)行分模塊設(shè)計(jì)并最后整合連接，得到完整的靜態(tài)能流圖，如圖10所示。

圖10 靜態(tài)可視化能流圖Fig.10 Static energy topology visualization

可以看到，對應(yīng)于能流拓?fù)湓O(shè)計(jì)，整個(gè)變換器仍然可以分為AC-DC整流、隔離DC-DC變換、DC-AC逆變和直流端口部分。能量經(jīng)過各個(gè)能流支路在整個(gè)變換器之間互相流通，也可以僅在部分元件之間相互交換，甚至只存在于相鄰的電感電容之間。另外，界面中還給出時(shí)間進(jìn)度參考條，便于觀察，給出圖例，說明各個(gè)能量柱所代表的含義，增加界面的可視性和可讀性。

2.4 動(dòng)態(tài)可視化能流圖

在靜態(tài)界面基礎(chǔ)上，讀入功率及能量數(shù)據(jù)，通過功率能量的大小控制粒子流、場線流的運(yùn)動(dòng)以及能量柱高度的變化，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)界面。動(dòng)態(tài)界面的初始化中，需要對“粒子流”和“場線流”進(jìn)行靜態(tài)填充，初始化個(gè)數(shù)、位置等信息，作為動(dòng)態(tài)過程開始時(shí)的狀態(tài)，如圖11所示。

圖11 動(dòng)態(tài)可視化界面初始化Fig.11 Initializing of dynamic energy topology

本質(zhì)上動(dòng)態(tài)效果是由于元素按照某種規(guī)律運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，若流動(dòng)的功率為零，則設(shè)置元素基本生命周期值為零，使得元素從屏幕上消失，不可見。若功率非零，則按照功率大小確定元素運(yùn)動(dòng)速度，功率流方向?qū)?yīng)元素運(yùn)動(dòng)方向，只需對元素的三維坐標(biāo)和三維速度指標(biāo)進(jìn)行控制即可。當(dāng)基本元素位于支路的起點(diǎn)或終點(diǎn)時(shí)，對其進(jìn)行重置，令其返回運(yùn)動(dòng)開始的起點(diǎn)（可能是支路的起點(diǎn)或終點(diǎn)）。

在動(dòng)態(tài)圖中，能量柱的高度表征器件上能量量值大小，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)采用定時(shí)更新其數(shù)值的方式，定時(shí)疊加一個(gè)功率值，即等效為功率對時(shí)間的積分效果，即對應(yīng)于能量量值，可以反映能量大小的變化。需要引起注意的是，由于實(shí)際的功率變化是在百毫秒到秒級的結(jié)果，而這樣小的時(shí)間尺度人眼難以分辨，因此可視化界面中時(shí)間進(jìn)度條仍以ms標(biāo)示，但實(shí)際對應(yīng)動(dòng)畫的變化時(shí)間是s級的，相當(dāng)于實(shí)際功率變化10ms，則人眼看去經(jīng)過時(shí)間1s左右，對視在時(shí)間長度放大了100倍。

功率能量數(shù)據(jù)來源于Matlab Simulink仿真。首先通過Matlab工具進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括對原始仿真數(shù)據(jù)的采樣濾波、基于采樣后數(shù)據(jù)的功率計(jì)算，以及按照倍數(shù)差別對功率數(shù)據(jù)進(jìn)行放縮（以避免功率之間相差數(shù)量級、難以在一個(gè)可視化界面中展示的缺點(diǎn)），生成可被界面調(diào)用的數(shù)據(jù)文件等。其后，由界面讀入數(shù)據(jù)（按二進(jìn)制讀?。?，存入flow數(shù)組中待用。處理數(shù)據(jù)并讀入之后，即可設(shè)置能量柱高度變化、“粒子流”及“功率流”屬性等，完成動(dòng)態(tài)界面的設(shè)計(jì)。

3 能流圖及其可視化的應(yīng)用舉例

將仿真與實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果代入可視化界面設(shè)計(jì)中，可以將一些電力電子瞬態(tài)過程進(jìn)行能流圖表征，例如能量脈動(dòng)、超調(diào)等等瞬態(tài)過程，以實(shí)現(xiàn)能流圖的簡單應(yīng)用。

3.1 表征仿真中出現(xiàn)的典型現(xiàn)象

以幾個(gè)典型時(shí)刻進(jìn)行說明。如圖12a所示，213ms時(shí)系統(tǒng)處于接入高壓交流電源的狀態(tài)，低壓交流負(fù)載也接入系統(tǒng)。圖12b展示了系統(tǒng)脫離高壓交流電源的時(shí)刻，與213ms時(shí)相比，負(fù)載側(cè)能量柱上升、圖左側(cè)高壓交流電源能量柱下降，體現(xiàn)了能量從高壓交流電源到低壓交流負(fù)載的傳輸。并且，Lf及C能量柱上升，來源于電源能量下降的部分，并分出一部分通過變壓器（Transformer）傳向負(fù)載側(cè)。在圖12c所示的時(shí)刻，系統(tǒng)脫離高壓交流電源，而光伏（PV）和蓄電池（Battery）向外輸出的能量和功率增加，與565ms相比，Grid能量柱未發(fā)生改變，因?yàn)闆]有接入系統(tǒng)，無能量消耗。而PV能量柱明顯下降，低壓交流側(cè)負(fù)載則仍在消耗能量，其能量柱有所上升。如圖12d，系統(tǒng)仍處于離網(wǎng)狀態(tài)，負(fù)載未發(fā)生改變，光伏輸出大大增加，可以看到PV的能量柱明顯。如圖12e，系統(tǒng)重新接入高壓交流電源，負(fù)載積累的能量更多了。從圖12看出，全過程中各元件上的實(shí)際能量未超過器件承受能力，未出現(xiàn)超量的問題，設(shè)計(jì)具備合理性，留有足夠裕量。但是仍然可以看到存在元件局部能量集中的情況，如交流電源側(cè)的電感電容上能量過于集中等問題，這樣會(huì)導(dǎo)致元件負(fù)荷過大、壽命減小等問題，而負(fù)載電阻上能量集中也會(huì)導(dǎo)致熱量不能及時(shí)散發(fā)、使得系統(tǒng)溫度升高等問題，對變換器的設(shè)計(jì)仍需改進(jìn)?？梢姡芰鲌D能夠直觀表征能量流動(dòng)和分布情況，輔助進(jìn)行電力電子變換系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。

圖12 動(dòng)態(tài)能流圖不同時(shí)刻的截圖Fig.12 Dynamic energy topology

3.2 表征實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的典型現(xiàn)象

能流圖還可對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行動(dòng)態(tài)表征，如圖13所示，對比分析反映了負(fù)載逐步接入系統(tǒng)的過程。

圖13 動(dòng)態(tài)能流圖各個(gè)時(shí)刻截圖Fig.13 Dynamic energy topology

由圖13中可以看到，隨著負(fù)載接入，低壓負(fù)載側(cè)能量柱上升，高壓交流電源側(cè)（Grid）能量柱下降。并且低壓負(fù)載側(cè)的b相電感上存在能量過于集中的問題，而a、c兩相負(fù)載上能量較少，可能是由于此時(shí)三相不平衡導(dǎo)致的。若系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置合理、控制邏輯合理，則這種現(xiàn)象的出現(xiàn)可能是由于運(yùn)行環(huán)境的變化、各元件不符合設(shè)置參數(shù)，三相不平衡運(yùn)行，則可能需要針對性地對系統(tǒng)進(jìn)行檢修排查?？梢?，能流圖可以清晰直觀地反映實(shí)驗(yàn)中一些現(xiàn)象，具備一定表征信息的能力。

3.3 電路結(jié)果對照

本節(jié)針對上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，給出電路波形如圖14所示，并與能流圖的結(jié)果進(jìn)行對比分析。

圖14 電路主要功率隨時(shí)間變化波形圖Fig.14 Circuit power waveforms vs. time

如圖14所示，整個(gè)變化過程中，在0.4s之前，高壓交流側(cè)輸出功率變化較小，低壓交流側(cè)接入負(fù)載后，負(fù)載保持不變，直流的光伏輸出和蓄電池功率基本不變。0.4～0.9s則發(fā)生了高壓側(cè)失去電源（脫網(wǎng)）的情況，這時(shí)光伏輸出和蓄電池輸出增加，繼續(xù)給負(fù)載提供能量，負(fù)載仍能保持不變。0.9～1.0s（能流圖表征的時(shí)間段為0～1s），接入高壓交流電源，負(fù)載增加，直流接口基本能量不變。從圖14中可以讀出整個(gè)變化過程的走勢，反映出變化過程。但是從反映能流的角度，與能流圖相比，不夠直觀清晰。因此能流圖具備其表征的優(yōu)勢。另外，本文僅給出了動(dòng)態(tài)過程的截圖，如果直接觀察能流圖的動(dòng)態(tài)圖，會(huì)更加清晰明了。

4 結(jié)論

本文針對電力電子變換系統(tǒng)建立了一種能量流圖表征其大時(shí)間尺度的動(dòng)力學(xué)行為的表征方法，以使能基于能量流圖進(jìn)行電力電子系統(tǒng)可視化設(shè)計(jì)與分析。

以多端口組合式電力電子變換器為例，給出了從能流圖模型建立、可視化設(shè)計(jì)到仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的基本實(shí)施過程。實(shí)例表明：能量流圖對電力電子變換系統(tǒng)的電磁能量變換過程具有很直觀表征，特別對系統(tǒng)中的能量分布、能量大小以及能流傳輸方向給出了清晰的可視化圖像表征，對電力電子變換器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和元器件的參數(shù)選擇具有很好的指導(dǎo)性意義；同時(shí)對變換器潛在的故障隱患可以給出預(yù)先的評估和預(yù)防。進(jìn)而對提高電力電子系統(tǒng)的變換能力和可靠性具有重要的理論意義和使用價(jià)值。

本文對基于能量流圖進(jìn)行電力電子系統(tǒng)可視化設(shè)計(jì)與分析的工作僅是一個(gè)初步的探索工作，目前還僅限于對變換系統(tǒng)中的大時(shí)間尺度變流過程進(jìn)行表征，許多理論和技術(shù)問題仍待深入探討[12-14]。

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（編輯 郭麗軍）

Visualization Design and Analysis for Power Electronics System Based on Energy Flow Topology

Gu Xiaocheng Zhao Zhengming Feng Gaohui Li Jing
（State Key Laboratory of Control and Simulation Power System and Generation Equipments Department of Electrical Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China）

Power electronics system obtains efficient electromagnetic energy conversion through switching control of power semiconductor devices. Its ultimate aim is to improve the capability and reliability of conversion system. This paper tries to use system energy and energy flow as state variables directly for modeling. The energy flow model of conversion system is built in order to visually describe the distribution and transmission of electromagnetic energy in power electronics conversion system. Taking multi-terminal integrated energy converter as an example, this paper establishes a design and analysis platform based on energy flow topology method. Herein, the concept of energy flow is set, the energy flow topology and its visualization method are built, and the static and dynamic surfaces are designed using visualization technique in scientific computing. The application examples show that energy flow topology method can well characterize the commutation process of power electronics system in large timescale.

Power electronics system, energy flow topology, visualization

TM46

顧小程 女，1994年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮幽芰鲌D及其可視化設(shè)計(jì)與應(yīng)用、碳化硅MOSFET建模及其在電動(dòng)汽車無線充電中的應(yīng)用。

E-mail： guxiaocheng94@163.com（通信作者）

趙爭鳴 男，1959年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榇笕萘侩娏﹄娮幼儞Q系統(tǒng)、光伏發(fā)電、電機(jī)控制、無線電能傳輸?shù)?。E-mail： zhaozm@tsinghua.edu.cn

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.170626

國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目資助（51490680，51490683）。

2017-04-10 改稿日期 2017-05-11